Озоновый слой — одна из самых знаменитых составляющих атмосферы. Каждый из нас хотя бы понаслышке знаком с понятием «озоновые дыры». Масштаб обсуждений этой темы неудивителен — ведь именно озону обязаны своим существованием обитатели земной суши. Как родилась эта уникальная газовая оболочка планеты? Каковы ее основные функции? Каково «самочувствие» озонового слоя в настоящее время?
ЕСТЕСТВЕННАЯ СОЛНЦЕЗАЩИТА
Доля озона (O3) составляет всего 0,64 × 10-6 от массы планетарной атмосферы, при этом 90% этого газа сконцентрировано в стратосфере. Наибольшее количество озона наблюдается на высотах 15–25 км (показатель варьирует в зависимости от широты и сезона). В гипотетической ситуации, при которой атмосфера планеты соответствовала бы нормальным условиям, вся «воздушная оболочка» планеты заняла бы около 8 км, а толщина в ней озонового слоя составила бы примерно 3 мм.
Озоновый слой — «защитная оболочка» для всей жизни на земной суше. Падение концентрации озона на 20% способно отбросить наш мир в эпоху, когда на суше не было даже растительности!
Несмотря на малое количество, именно озон защищает жизнь на суше от губительного воздействия солнечного излучения в УФ-спектре. Основной негативный эффект ультрафиолета заключается в повреждении молекул ДНК, из-за которого облученные клетки прекращают расти и делиться, после чего погибают. Воздействие повышенных доз УФ-излучения также способно провоцировать развитие онкологических заболеваний, в том числе злокачественных опухолей, нарушения иммунного ответа, воспаления глаз.
По удивительному стечению обстоятельств молекулы озона поглощают ультрафиолетовые лучи с той же длиной волны, что воспринимается клетками живых организмов: 230–290 нм. Таким образом, озоновый слой не допускает максимум опасного излучения до поверхности Земли, создавая необходимые условия для развития жизни на суше: до его появления живые организмы могли развиваться только в воде, защищавшей их от УФ-излучения.
Озон также входит в число парниковых газов, поэтому вносит свой вклад в изменение климата. В то же время в нижних слоях атмосферы повышение концентрации озона представляет опасность, так как этот газ способен отравить живой организм при непосредственном контакте. Кроме того, повышение концентрации озона в приземном воздухе ослабляет захват растениями парникового углекислого газа (CO2).
История открытий основных химических составляющих атмосферы Земли, в том числе озона, начавшаяся с конца XVIII в., подробно отражена в изданной РАН в 2022 г. монографии главного научного сотрудника Исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, профессора Игоря Константиновича Ларина. Прочитать книгу можно на сайте Российской академии наук.
Основной и фактически единственный источник озона в атмосфере — молекулярный кислород O2. Под воздействием высокоэнергетического коротковолнового солнечного излучения (с длиной волны до 242 нм) молекулы кислорода распадаются на атомы и собираются в молекулы озона.
Формирование озонового слоя в древней атмосфере происходило из кислорода, вырабатывавшегося океаническими обитателями в процессе фотосинтеза и выбрасывавшегося в результате дегазации вулканической базальтовой магмы. Эти источники наполняют воздух кислородом и сегодня.
Немногим более 400 млн лет назад содержание озона в атмосфере достигло более 80% от современного. Это позволило выйти на сушу первым живым организмам. С появлением наземных растений кислород начал быстрее накапливаться в воздухе, благодаря чему концентрация озона в атмосфере вскоре достигла современного уровня. Исходя из этого, несложно догадаться, что падение концентрации озона всего лишь на 20% способно отбросить наш мир на 400 млн лет назад — в эпоху, когда на суше не было даже растительности!
Молекулы озона неустойчивы: для обратного распада на молекулу и атом кислорода им достаточно облучиться видимым светом. В отсутствие солнечного излучения этот газ сохраняется в атмосфере, поэтому когда в той или иной области Земли наступает ночь, над этой территорией прекращается разрушение озона.
Максимальному воздействию коротковолнового солнечного излучения подвергаются тропические широты, соответственно, здесь кислород превращается в озон наиболее активно. Далее глобальная циркуляция атмосферы переносит «солнцезащитный» газ к полюсам, где тот накапливается в полярную ночь, поэтому больше всего озона в течение года наблюдается в атмосфере высоких широт. Верно и то, что во всех регионах содержание озона достигает максимума весной, так как газ успевает накопиться над территорией осенью и зимой в условиях сокращенного светового дня.
ХИМИКАТЫ, НО НЕ ТОЛЬКО
Тревожным звоночком стало открытие в 1985 г. озоновой дыры над Антарктидой, сделанное английским геофизиком Джозефом Фарманом. Содержание озона над этой территорией оказалось на 50% ниже нормы, при этом по площади «пробоина» в некоторые периоды вчетверо превосходила Европу!
Известие стало для исследователей настоящим парадоксом: дыра обнаружилась над регионом, где озон должен был, напротив, активно накапливаться. Выяснилось, что природный механизм нарушило антропогенное воздействие, а именно выбросы в атмосферу галогенсодержащих соединений, применявшихся в различных сферах: от производства аэрозолей и пен до холодильной промышленности и уничтожения насекомых. Поднимаясь в стратосферу, молекулы этих химикатов разлагаются под воздействием УФ-излучения и высвобождают активные атомы галогенов, которые, взаимодействуя с молекулами озона, запускают весьма быструю цепную реакцию, превращающую озон в кислород без сохранения свободных атомов. Одним из основных разрушителей озонового слоя оказались хлорсодержащие вещества фреоны: один атом хлора может уничтожить сотни тысяч молекул озона!
Вклад в формирование озоновой дыры над Антарктикой внесли уникальные метеорологические условия. В зимний период температура нижней стратосферы над регионом снижается до –80 °C. Охлажденный воздух опускается вниз и на высоте 15–20 км закручивается в вихрь, внутреннее пространство которого изолируется от наружной атмосферы. В этих условиях в стратосфере появляются облака, частицы которых содержат водяной пар и азотную кислоту. Взаимодействуя с этими частицами, малоактивные соединения хлора производят нестабильные молекулы Cl2 и HOCl. Эти химические «бомбы замедленного действия» накапливаются в вихре во мраке полярной зимы, а весной легко распадаются под влиянием солнечного света, высвобождая атомарный хлор, запускающий цепную реакцию разрушения озона. При этом сохраняющийся вихрь не позволяет восполнять убыток озону с соседних территорий. В результате озоновый слой над Южным полюсом оказывается практически уничтоженным. С потеплением вихрь распадается и остатки дыры разносятся по Южному полушарию.
Антарктида — яркий показатель разрушения озонового слоя. На деле это явление затронуло весь мир. В 1988–1997 гг. общее содержание озона в атмосфере снизилось примерно на 13%!
Необходимость борьбы с опасным трендом закрепилась в Венской конвенции об охране озонового слоя, принятой в 1985 г. Важным дополнением к ней стал вступивший в силу в 1989 г. Монреальский протокол по озоноразрушающим веществам, нацеленный на постепенный отказ развитых и развивающихся стран от использования гидрохлорфторуглеродов. В 2009 г. эти два документа, в подготовке которых большую роль сыграли и советские ученые, стали первыми договорами в истории ООН, получившими всеобщую ратификацию.
Защитные меры возымели свое действие: наблюдения, включая спутниковые, показывают, что содержание озона в атмосфере начинает восстанавливаться. Однако забывать о проблеме разрушения озонового слоя пока рано.
Весной 2011 г. над Арктикой была обнаружена озоновая дыра, по масштабам сравнимая с антарктической: содержание озона над регионом упало более чем на 40%. Появление такой «пробоины» в озоновом слое над Северным полюсом грозит УФ-облучением более южным территориям, куда перемещаются воздушные массы с пониженным содержанием озона.
Озоновая дыра в Арктике несколько раз смещалась на территорию Евразии. Например, в конце марта — начале апреля 2011 г. воздушные массы с пониженным содержанием озона добрались и до Москвы. В этот период в столице наблюдался максимальный прирост активной УФ-радиации за всю историю наблюдений с 1999 г., составивший 18%. Причиной описанной аномалии 2011 г. стал тот же механизм разрушения озона внутри стратосферного полярного вихря, что и в Антарктике.
Отличие состоит в том, что ранее в Арктике не формировались полярные стратосферные облака, служащие «кухней» для образования активных соединений галогенов. Их возникновение возможно лишь при температурах ниже –87 °C — привычных для зимы и весны в Антарктике, но для Арктики считавшихся редкостью. Однако теперь в климатические механизмы вмешивается рост содержания в атмосфере парниковых газов, приводящий к глобальному потеплению в тропосфере, но выше способствующий охлаждению стратосферы. Причина этих противоположных процессов, как это ни удивительно, одна: способность парниковых газов (прежде всего основного среди них — углекислого газа CO2) легко «ловить» инфракрасное (тепловое) излучение и немедленно «отталкивать» его от себя. В нижних слоях атмосферы молекулы углекислого газа располагаются плотно друг к другу, поэтому постоянно «перебрасывают» излучение друг другу, в результате чего тепло накапливается в тропосфере и не поднимается выше. В верхних слоях рост концентраций парниковых газов способствует усилению радиационного выхолаживания и снижению температуры.
Нарушения в структуре озонового слоя в Арктике и Антарктике наблюдаются и в настоящее время. Так, весной 2020 г. разрушение озонового слоя в Арктике стало максимальным за все годы наблюдений и в некоторые дни достигало 90% в нижней стратосфере. Столь сильное разрушение озона привело, например, 6 апреля на севере Финляндии к росту УФ-индекса на 140%!
Помимо крупных брешей над полюсами, над Землей периодически наблюдаются озоновые мини-дыры. Одна из основных причин — изменение динамики атмосферы из-за глобального потепления. Например, во время жары 2010 г. над европейской частью России из-за установившегося над территорией блокирующего антициклона образовалась мини-дыра с дефицитом озона примерно 11% (подробнее о механизме его действия — в интервью «Научной России» с академиком В.А. Семеновым). В связи с изменением климата растет вероятность появления в атмосфере длительных блокирующих антициклонов, из-за чего озоновые мини-дыры могут стать более частым явлением в евро-атлантическом секторе планеты.
Озоновые мини-дыры могут формироваться над территорией России. Например, в конце мая 2021 г. над Поволжьем, югом Урала и Западной Сибирью недостаток озона в сравнении с нормой достигал 20%. Наибольшую опасность в этот период представляло солнечное излучение в регионе Урала к северо-востоку от Каспийского моря: здесь УФ-индекс достигал значений 6–8, небезопасных для людей с первым, вторым и третьим (кельтским, светлым и темным европейским) типами кожи.
Иногда к формированию мини-дыр приводит разрушение озона в результате химических реакций, как, например, в начале 2016 г. над северной частью Сибири.
Разрушение озонового слоя уже сейчас сказывается на здоровье людей. Например, взаимосвязь между увеличением приземной УФ-радиации и риском заболеваемости меланомой в 1980–1990-х гг. была выявлена по результатам диагностики более чем 2,4 млн жителей Канады. В США за 1975–2010 гг. заболеваемость раком кожи ежегодно возрастала примерно на 3%, аналогичный среднегодовой прирост наблюдался в 2010–2020 гг. в России.
ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ: ИССЛЕДОВАНИЯ В РОССИИ
В нашей стране за состоянием озонового слоя наблюдают специалисты Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) на 28 озонометрических станциях, обслуживаемых Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова. Дополнительные измерения проводят специалисты Центральной аэрологической обсерватории с помощью автоматических спектрофотометров, установленных в регионах, где часто наблюдается аномальное снижение содержания озона в атмосфере: в Анадыре, Жиганске, Салехарде, Мурманске, а также в Иркутске и Долгопрудном.
Измерениями общего содержания озона в атмосфере также занимается Кисловодская высокогорная научная станция Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН. Мониторинг озонового слоя проводится на станции Санкт-Петербургского государственного университета в Петергофе, в заповеднике «Карадагский» в Крыму, на 300-метровой вышке в Обнинске специалистами НПО «Тайфун», в Российском университете дружбы народов при участии Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН. Продолжаются мониторинг общего содержания озона и анализ получаемых данных с помощью Фурье-спектрометра ИКФС-2, установленного на российском космическом спутнике «Метеор-М» № 2.
Важно отметить, что если в стратосфере вызывает беспокойство снижение содержания озона, то в приземном слое — его увеличение. В связи с этим большое внимание уделяется мониторингу концентрации озона в Москве и Санкт-Петербурге, где применяемые для измерений технологии сравнимы с зарубежными аналогами. В столице круглосуточный и ежечасный анализ общего содержания озона ведет на 17 станциях сеть «Мосэкомониторинг».
Важный метод прогнозирования изменений озонового слоя — применение российскими учеными трехмерной химико-климатической модели SOCOLv4, разработанной российскими и европейскими учеными под руководством Е.В. Розанова и позволяющей оценивать изменения в содержании озона в атмосфере, связанные с активностью Солнца, грозами, деятельностью человека. О результатах применения SOCOLv4 для оценки возможных изменений в стратосфере Арктики в XXI в. корреспонденту «Научной России» рассказал один из авторов исследования, старший научный сотрудник Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, кандидат физико-математических наук Павел Николаевич Варгин.
«Полученные результаты анализа модельных расчетов по умеренному и жесткому сценариям роста концентраций парниковых газов до конца текущего столетия показывают, что из-за формирования благоприятных динамических условий, связанных со снижением температуры стратосферы, в отдельные зимние сезоны возможно значительное уменьшение озонового слоя в Арктике в марте с аномалиями общего содержания озона приблизительно до 20%, что сравнимо с аномалиями в марте 2011 г., но меньше, чем в марте 2020 г. Однако в целом выявленный по обоим сценариям значимый положительный тренд минимальных значений общего содержания озона в марте свидетельствует об увеличении содержания озона к концу XXI в. в Арктике», — сообщил П.Н. Варгин.
СЛОЖНЕЕ, ЧЕМ КАЖЕТСЯ
Несмотря на нарушения, в целом текущее состояние озонового слоя оценивается положительно. В январе 2023 г. группа экспертов, поддерживаемая ООН, представила на ежегодной встрече Американского метеорологического общества доклад, в котором сообщила, что поэтапный отказ от озоноразрушающих веществ помог запустить процесс восстановления озонового слоя. По оценкам исследователей, газовая оболочка планеты вернется к показателям 1980 г. (примерный момент появления озоновой дыры над Южным полюсом) над большинством регионов к 2040 г., над Арктикой — к 2045 г., над Антарктидой — к 2066 г. Ученые добавили, что начиная с 2000 г. площадь и глубина антарктической озоновой дыры медленно уменьшались, а периодические изменения ее размера были в бóльшей степени вызваны метеорологическими явлениями.
«Влияние Монреальского протокола на смягчение последствий изменения климата трудно переоценить. За последние 35 лет протокол стал подлинным защитником окружающей среды», — подчеркнула исполнительный секретарь Секретариата по озону программы ООН по окружающей среде Мег Секи.
Однако химические процессы, влияющие на состояние озона в атмосфере, сложнее, нежели это представлялось ранее. Так, уже упомянутое стратосферное похолодание может приводить не только к разрушению, но и к восстановлению озонового слоя за счет замедления зависимых от температуры процессов каталитического разрушения озона. Ускоряет восстановление озона и парниковый газ метан, который реагирует с атомами хлора, лишая их возможности воздействовать на озоновые молекулы. В то же время увеличение концентрации парникового газа N2O (веселящего газа), напротив, может ускорять уничтожение озона.
Стоит добавить, что восстановление озонового слоя хорошо прослеживается в верхней части стратосферы, однако в нижней ее части ситуация пока не столь очевидна: в частности, над территориями от 55° ю.ш. до 55° с.ш. практически глобально наблюдается устойчивое падение содержания озона. Помимо химических выбросов и климатических изменений, состояние озонового слоя зависимо и от таких факторов, как естественные колебания, извержения вулканов и воздействие светоотражающих веществ, распыляемых в верхних слоях атмосферы для борьбы с глобальным потеплением.
На прошедшем в США в июле 2024 г. Международном озоновом симпозиуме была подчеркнута значимость продолжения изучения и мониторинга озонового слоя и перемен в его состоянии, в том числе связанных с изменением климата.
Таким образом, вопрос сохранения озонового слоя в настоящее время остается актуальным. Поэтому важно развивать комплексные исследования озонового слоя с применением современных технологий и учитывать влияние на газовую «колыбель жизни» глобального потепления.
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
