Игорь Кароль - Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной?
Увеличение концентрации озона в тропосфере отражается и на региональном климате, неслучайно в Четвертом Докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата эффекты стратосферного и тропосферного озона обсуждаются раздельно (см. таблицу 4 на с. 148).
Отметим еще одну важную особенность: так как озон не поступает в атмосферу извне, его общая масса полностью зависит от химических процессов в атмосфере. Масса, но не распределение озона в пространстве, определяемое главным образом циркуляцией атмосферы. Убедиться в справедливости последнего утверждения легко: вблизи полюсов озон не производится в течение продолжительного времени – длящейся почти полгода полярной ночи. Этого времени с лихвой достаточно, чтобы весь произведенный ранее, при свете полярного дня, озон был разрушен в химических реакциях, и, следовательно, к моменту окончания ночи в полярных областях концентрация озона должна равняться нулю. Однако регулярно проводимые наблюдения не подтверждают этого. Причина такого расхождения теории с реальностью кроется в существовании постоянного атмосферного воздухообмена от экватора к полюсам и обратно, называемого меридиональной циркуляцией. Поэтому богатые озоном тропические стратосферные воздушные массы перемещаются к полюсам и в значительной степени компенсируют там «ночной» дефицит озона. Динамическими процессами, на сей раз меньшего – регионального – масштаба, объясняется и разница в ОСО над российскими Дальним Востоком и Северо-Западом.
Таковы основные механизмы формирования озонового слоя Земли. «А как же «озоновые дыры»?» – напомнит нам внимательный читатель. Действительно, пора к ним вернуться.
Антарктическая «озоновая дыра» возникает ежегодно в момент окончания полярной ночи и остается на весь весенний период. Долгое время весеннее падение ОСО усиливалось от года к году, «озоновая дыра» охватывала все большую площадь. В настоящее время антарктическая «озоновая дыра» появляется примерно в одно и то же весеннее время и занимает приблизительно одинаковую площадь, не проявляя пока тенденций к ее сокращению, хотя, согласно модельным оценкам, оно должно произойти во второй половине XXI в. (рис. 23 и рис. 14 цв. вклейки).
Рис. 23. В октябре 2001 г. общая толщина озонового слоя над Антарктидой сократилась до 105 е. Д. (при нормальных значениях на уровне 450–500), при этом именно в слое озонового максимума его практически не было обнаружено
На сегодняшний день механизм формирования и эволюции «озоновой дыры» в основных деталях установлен. Он достаточно сложен, и потому не может быть подробно изложен в данной книге. Базируется этот механизм на следующих физико-химических процессах, происходящих в антарктической атмосфере.
1. В конце зимы – начале весны над Антарктикой возникает ситуация, когда воздушные массы перемещаются по кругу 60–70° ю. ш. столь интенсивно, что блокируется воздухообмен вдоль меридиана (явление циркумполярного вихря). А так как основная масса озона поступает в полярные области из тропиков в результате меридионального переноса, то в течение августа – ноября в антарктическую атмосферу озон извне практически не поступает. Кроме того, в течение полярной ночи отсутствует местный фотохимический источник озона, в начале же весны он еще очень мал. Таким образом, запас озона над Антарктикой в течение нескольких месяцев не пополняется. Однако эта особенность атмосферной циркуляции существовала и до обнаружения «озоновых дыр», и значит только ею нельзя объяснить весеннего дефицита ОСО.
2. Озон разрушается в химических реакциях с участием хлора. Интенсивность этого процесса росла из года в год по мере того, как в стратосфере увеличивалось содержание хлора и его соединений, образующихся из ХФУ (с начала 1970-х до конца 1980-х гг. оно выросло в 6–8 раз). Но модельные расчеты показали, что и это явление не может полностью объяснить наблюдаемого быстрого и сильного падения концентрации озона.
3. Антарктида является уникальным естественным холодильником на Земле. В отсутствие солнечного нагрева в конце зимы низкие температуры (порядка -85 °C… – 75 °C) приводят к образованию в сильно охлажденной нижней стратосфере особого вида полярных облаков. На поверхности кристаллов, из которых состоят эти облака, протекают так называемые гетерогенные реакции, усиливающие в конечном итоге разрушение озона.
Совокупностью перечисленных причин и обусловлено почти полное исчезновение озона над Антарктикой.
На другом конце Земли – в Арктике – «озоновая дыра» была отмечена несколько позже, в начале 1990-х, ее размеры и глубина значительно меньше, чем в Антарктиде. И это неудивительно, если учесть, что температура стратосферы здесь, как правило, существенно выше антарктической, а потому полярные стратосферные облака появляются лишь на короткие промежутки времени, а циркумполярный вихрь не настолько силен, чтобы полностью прервать перенос озона к полюсу из южных широт. Когда же в Арктике устанавливается очень холодная погода, дефицит озона над ней и севером Атлантики и Европы увеличивается, так было, например, в марте 1997 г., когда он достигал в отдельные дни 46 % (для сравнения: дефицит ОСО в предыдущие годы составлял около 10 %). Аналогичная ситуация имела место и в марте 2011 г.
Однако необходимо констатировать, что превентивные ограничения по использованию ХФУ (согласно Монреальскому протоколу) начинают сказываться. Как показали измерения, с начала XXI века содержание соединений хлора в атмосфере стабилизировалось и наметилась тенденция к их пока небольшому снижению. Процесс этот не быстрый, поскольку некоторые из ХФУ являются «долгожителями» (например, фреоны -11 и -12 «живут» в атмосфере около 60 и 120 лет соответственно), и эффект пребывания ХФУ в атмосфере будет проявляться еще в течение нескольких десятилетий. Говорить о каком-либо заметном увеличении содержания озона пока преждевременно, хотя измерения уже показывают незначительный (около 1,5 %) рост ОСО в глобальном масштабе.
Восстановление озонового слоя до его «додырочного» уровня произойдет, согласно модельным оценкам, где-то в середине столетия.
Итак, подведем итоги. Открытие «озоновой дыры» породило сенсацию – не дутую, но вполне реальную. К чести деятельной части мирового сообщества, общая опасность в данном конкретном случае послужила международной консолидации. Благодаря совместным усилиям, за короткое время был осуществлен настоящий прорыв в изучении самых разных аспектов проблемы озонового слоя. Своевременное принятие озоноохранных соглашений, похоже, начинает давать желаемый эффект. Обратили ли вы внимание, что в последние годы публикации об озоне в обычных, неспециализированных СМИ встречаются все реже. Это верный признак того, что озоносфера[17] «выздоравливает». А раз так: сенсация сделала свое дело – сенсация может уходить.
Рядовые парникового фронта: оксид азота(I), фреоны и другие
Для каждой малости есть свое место и время.
С. МурасакиМалые птички вьют малые гнезда.
ПословицаИтак, мы познакомились с «тремя китами», на которых более чем на 85 % зиждется феномен усиления парникового эффекта в ХХ столетии, – углекислым газом, метаном и озоном. Среди остальных отметим вклады в это усиление, вносимые оксидом азота(I) и солидной группой ХФУ, – меньшие, но соизмеримые и примерно равные вкладу озона.
Главными источниками оксида азота(I), как и метана, являются разнообразные бактерии, способные в анаэробных условиях (без кислорода) вырабатывать N2O, используя ионы NH4+ и NO3-. Другим важным источником оксида азота(I) является Мировой океан, он содержит примерно столько же N2O, сколько и атмосфера. Поток N2O в атмосферу из почвы и океана оценивается (с большой погрешностью) как 70 и 30 % соответственно и составляет 4,2–12,9 Мт/год. Человек также не является сторонним наблюдателем в этом процессе: его лепта составляет 2,1–6,3 Мт/год оксида азота(I) (т. е. около трети). Она складывается из N2O, образующегося в результате использования сельскохозяйственных удобрений, обработки почвы, сжигания топлива и биомассы, при производстве кислот и нейлона в химической промышленности. Кроме того, N2O выделяется в ходе ирригации и из сточных вод. О совсем новых источниках оксида азота(I) сообщает уже знакомый нам нобелевский лауреат П. Крутцен:
приблизительно 3 % от глобального источника N2O составляет его поток с поверхности бассейнов рыборазводных заводов, широко распространенных в Западной Европе и Юго-Восточной Азии; еще около 0,1 Мт N2O/год попадает в атмосферу в результате таяния вечной мерзлоты – маленький, но весьма «перспективный» в свете глобального потепления источник.
