Мир узнал об этом явлении в 1985 г. В журнале «Нэчер» («Природа») появилась статья английского ученого Фармана, в которой он утверждал, что весеннее содержание озона над Антарктидой систематически уменьшается. Основанием для такого заключения послужили наблюдения за общим содержанием озона методом Добсона на английской антарктической станции Халли-Бей. Нанеся на график средние месячные значения N (O3) за октябрь (разгар антарктической весны) ряда последовательных лет начиная с 1956 г., Фарман получил картину, показанную на рисунке (следует, конечно, иметь в виду, что спутниковые данные и результаты наблюдений за 1985—1987 гг. были нанесены на график позже).
О чем же говорит этот рисунок? О явной тенденции уменьшения общего количества озона весной над Антарктидой. При этом, что очень существенно, об изменении очень большом — примерно с 320 е. Д. до 1970 г. до 200 е. Д. в 1984 г. Изменение более чем на 30%, тогда как (мы видели это в материале «Щит становится тоньше») идут настойчивые поиски трендов изменения общего содержания озона по всему земному шару в пределах нескольких процентов.
Измеренные на спутнике значения N(O3) над Антарктидой нанесли на тот же график, что и данные наземных наблюдений, и получили удивительное согласие
Публикация Фармана вызвала бурную реакцию. Подхватив новость, журналисты превратили ее в сенсацию, объявив о существовании «озонной дыры» над Антарктическим континентом. Термин далеко не самый удачный, поскольку неподготовленные читатели, опуская термин «озонная», представляют себе «дыру» как некое реальное механическое образование, как некую область, где атмосфера отсутствует вовсе, или, во всяком случае, сильно разрежена и поверхность Земли беззащитна перед вторжением губительных лучей из космоса…
На самом деле все, конечно, не так, и мы подробно расскажем о том, в чем состоит и о чем говорит явление весеннего уменьшения общего количества озона в Антарктике. Именно таково правильное название этого феномена, однако название «озонная дыра» укоренилось (и не только в популярных публикациях) прочно, поэтому, а также в целях краткости мы будем его использовать, призывая, однако, читателей помнить всю гиперболизированную условность термина «дыра».
Но вернемся к открытию явления. Оно породило много споров, сомнений, недоверия. Правильны ли сами данные? Если — да, то почему это происходит именно в Антарктике? Почему уменьшение N (O3) наблюдается именно весной?
На первый вопрос ответ последовал довольно быстро. Мы уже рассказывали на этих страницах об измерениях озона на американском спутнике «Нимбус-7». Измеренные на нем значения N (O3) над Антарктидой нанесли на тот же график, что и данные Фармана, и получили удивительное согласие тех и других.
Последовали подтверждения и с других наземных антарктических станций, в том числе советских. Сомнений больше не оставалось: весеннее содержание озона в Антарктике непрерывно уменьшается.
Ответ на два последующих вопроса связан с физикой явлений, о которой мы расскажем чуть ниже. Однако прежде чем переходить к обсуждению различных вопросов, связанных с природой явления, его возможными последствиями и прогнозами его дальнейшего развития, давайте нарисуем по возможности полную (как мы ее знаем на сегодняшний День) картину самого феномена.
Общая картина явления
Итак, никакой «дыры» реально, конечно, не существует, а существует весеннее уменьшение общего количества озона в Антарктике. Как же оно проявляется?
Если нарисовать изменение общего количества озона в течение года (сезонный ход) над какой-нибудь точкой в Антарктиде (для определенности будем считать этой точкой Южный географический полюс), то мы увидим, что до появления «дыры» оно было таким, как показано на рисунке. В течение весенних месяцев (сентябрь—ноябрь) наблюдались значения N (O3) около 300—320 е. Д. Хотя эта величина и менялась от года к году, изменения были относительно невелики (в пределах ±30 е. Д.).
Антарктической весной 1987 г., когда эффект весеннего понижения N (O3) был наибольшим из пока наблюдавшихся, сезонный ход общего количества озона выглядел уже совсем иначе (пунктирная кривая на рисунке). В течение всего года величина N (O3) вела себя точно так же, как и во все предыдущие годы (с возможными отклонениями ±30 е. Д., о которых мы уже говорили), однако в начале сентября она начала довольно быстро уменьшаться и уже к середине месяца упала до 150 е. Д. (Следует помнить, что все цифры мы даем здесь лишь ориентировочно, чтобы проиллюстрировать сам характер и примерную амплитуду изменения.) В течение последующих весенних месяцев (октябрь и ноябрь) общее количество озона оставалось низким (125—150 е. Д.) и восстановилось до нормального уровня лишь в декабре.
В течение всего 1987 г. величина N (О3) вела себя так же, как и во все предыдущие годы, однако в начале сентября она начала быстро уменьшаться и восстановилась до нормального уровня лишь в декабре
Принципиально такая же картина получится у нас, если мы построим сезонный ход над другими точками Антарктики. Различно будет лишь наименьшее значение, до которого падало N (O3) весной 1987 г.
Чтобы представить себе географические масштабы явления, нарисуем другую картину. Мы строим теперь карту распределения общего количества озона над южным полушарием для октября 1987 г., когда наблюдалось наиболее сильное понижение N (O3). Очевидно, что для построения такой карты годятся лишь спутниковые наблюдения; в данном случае карта построена по измерениям на спутнике «Нимбус-7». Теперь хорошо видны «масштабы бедствия». Изолиния N (O3) = 200 е. Д. (внутри которой N (O3), естественно, меньше этого значения) окружает всю Антарктиду и в верхней части рисунка касается круга широты 60°. Если под площадью «дыры» понимать площадь, оконтуренную этой изолинией, то она, как легко видеть, составляет десятки миллионов квадратных километров. А ведь N (O3) = 200 е. Д. означает, что общее количество озона упало по сравнению со временем, когда «дыры» не было, более чем в полтора раза!
Даже область, ограниченная изолинией N (O3) = 150 е.Д. (что соответствует падению N (O3) более чем в два раза), имеет площадь в несколько миллионов квадратных километров. А в некоторых точках в октябре 1987 г. зарегистрировано еще более сильное уменьшение общего количества озона — значения падали до 120 и даже 115 е. Д. Наименьшее зарегистрированное пока значение N (O3) (около 100 е. Д.) наблюдалось в октябре 1987 г. на антарктической станции Мак-Мёрдо.
Основной вклад в наблюдаемое падение общего количества озона вносит уменьшение его концентрации на высотах 14—20 км
Так выглядит изменение количества озона во времени и в географических координатах. Возникает естественный вопрос: а как обстоит дело с высотой? На каких высотах и на сколько происходит уменьшение концентрации озона, приводящее к обсуждаемому уменьшению количества O3 в столбе атмосферы?
Сегодня благодаря комплексным международным экспериментам, проведенным весной 1986 и 1987 гг. (в них входили наземные, спутниковые, аэростатные и даже самолетные измерения), мы достаточно хорошо знаем ответ и на этот вопрос. Основной вклад в наблюдаемое падение N (O3) вносит уменьшение концентрации озона на высотах 14—20 км, причем это уменьшение происходит на 97%. Только 3% (а в некоторые дни даже меньше 1%!) молекул O3 остается на этих высотах по сравнению с невозмущенными условиями!
Исследование высотных профилей озона в области дыры дало еще ряд интересных результатов. В частности, оказалось, что профиль [O3] имеет сильно изрезанную (слоистую) форму, причем уменьшение [O3] в соседних слоях может сильно различаться.
Откуда взялась дыра
Как только существование «озонной дыры» стало научным фактом, естественно, возник вопрос: а какова же его природа? И почти немедленно появились две гипотезы — антропогенная фотохимическая и метеорологическая. Мы уже достаточно говорили на страницах этой книги об угрозе озонному слою со стороны загрязняющих атмосферу веществ, поэтому читателю легко понять сторонников первой гипотезы. Уменьшение количества озона над Антарктикой — результат антропогенного загрязнения атмосферы — такова квинтэссенция позиции ее сторонников. Озонная дыра имеет чисто метеорологическое происхождение и связана со спецификой динамического режима стратосферы в Антарктике — утверждали приверженцы второй гипотезы. Мы еще вернемся к некоторым положениям этой гипотезы ниже, а пока отметим лишь, что важным ее моментом было существование внутри устойчивого циклона (так называемого циркумполярного вихря), висящего зимой и большую часть весны над Антарктидой, направленных вверх (восходящих) вертикальных движений. Вынос озона из антарктической стратосферы и считался в метеорологической гипотезе основной причиной наблюдаемого уменьшения количества озона.
У каждой из гипотез были свои плюсы и минусы. В рамках антропогенной концепции было трудно ответить на вопрос о том, почему «дыра» (если она отражает общую тенденцию все возрастающего загрязнения атмосферы) наблюдается лишь над Антарктидой и лишь весной. А сторонникам метеорологической природы «дыры» было трудно объяснить, почему последняя не наблюдалась до начала 80-х годов и почему в 80-х она появилась и стала усиливаться год от года.
Сторонники антропогенной гипотезы ссылались на упоминавшийся выше факт слоистости высотного профиля [O3], поскольку он указывает на антропогенную природу уменьшения количества озона. Приверженцы метеорологического происхождения дыры обращали внимание на обнаруженные по наземным наблюдениям в Антарктиде колебания N (O3) весной с периодом около 48 часов. Это типичный синоптический период, характерный для многих метеорологических процессов.
Описываемая здесь дискуссия шла в течение 1986—1987 гг. В октябре 1987 г. были получены данные, которые с несомненностью показали, что к антропогенному загрязнению атмосферы явление «озонной дыры» имеет самое прямое отношение.
Речь идет об измерениях в антарктической стратосфере количества окиси хлора и других малых составляющих. Хлорный каталитический цикл (так же, как азотный и водородный) может очень эффектно уничтожать молекулы озона и атомы кислорода, превращая их в молекулы O2, причем окись хлора является активным участником этого цикла, выступая в роли катализатора:
ClO + O → Cl + O2
Cl + O3 → ClO + O2
И вот, в результате комплексных экспериментов, проведенных в Антарктиде весной 1987 г., было обнаружено, что антарктическая стратосфера содержит очень много окиси хлора. Аэростатные измерения показали, что это соединение распределено в атмосфере в виде достаточно узкого (с полушириной около 10 км) слоя с максимальной концентрацией, равной 3 ∙ 109 см-3 на высоте около 20 км.
Что же такое три миллиарда молекул ClO в одном кубическом сантиметре? Много это или мало? По сравнению с количеством озона (который, напомним, сам является малой составляющей атмосферного газа!) это мало. Ведь озона на этих высотах примерно в тысячу раз больше ([O3] ≈ 3∙1012 см-3). Но таково свойство веществ, называемых катализаторами, — даже небольшое их количество может очень существенно влиять на протекание процессов и на итоговые концентрации участвующих в них частиц.
Окись хлора распределена в антарктической атмосфере в виде слоя с максимумом на высоте около 20 км
Сравнив измеренную над Антарктидой концентрацию окиси хлора с ее концентрацией в стратосфере средних широт, обнаружили, что концентрация ClO в антарктической стратосфере примерно в 100 раз больше, чем в среднеширотной. Вот тут уж мы, отвечая на поставленный выше вопрос, можем твердо сказать, что 3∙109 см-3 — это много.
Значит ли это, что окись хлора — основной виновник гибели озона над Антарктидой? Видимо, да. Ведь в ходе упомянутых измерений малых компонент в области «дыры» получили еще ряд важных результатов, подтверждающих такой вывод. Расскажем о наиболее важных из них.
Например, на специально оборудованном самолете проводили измерения (по поглощению солнечного излучения) общего количества молекул различных газов (в том числе O3 и ClO) в столбе атмосферы выше самолета. Последний летел у нижней границы стратосферы и его трасса пролегала от южного побережья Чили в глубь Антарктического материка — в самое сердце «озонной дыры». В этом пролете измеряли две важные для нашего рассказа величины — N (O3) и N (ClO) вдоль трассы. Как видно из рисунка, полет начинается там, где еще отсутствует заметный эффект понижения N (O3) — значения N (O3) достаточно высоки. По мере продвижения по трассе полета (напомним, самолет летит на юг почти по меридиану) мы наблюдали хорошо выраженный эффект «дыры» — количество озона в столбе сильно уменьшается. Одновременно наблюдается обратная картина для N (ClO). В точке, где мы стартовали (Чили), количество окиси хлора в столбе относительно мало (N (ClO) ≈ 0,1∙1015 см-2). Однако по мере продвижения в область «дыры» и соответствующего падения N (O3) значение N (ClO) сильно возрастает и в конце измерений глубоко внутри «дыры» она уже в 120 раз больше (N (ClO) = 12∙1015 см-2), чем в начале полета.
Таким образом, связь между ростом количества окиси хлора и уменьшением N (O3) очевидна. Она становится еще более очевидна, если мы сравним ход обеих кривых на рисунке в деталях. Именно это проделали авторы эксперимента с первичными данными и получили эффект, который мы неизбежно гипертрофированно показали на нашем рисунке. Там, где на относительно плавном изменении N (ClO) вдоль трассы полета наблюдается локальный минимум, на кривой N (O3) виден максимум и наоборот. Это сильный аргумент в пользу того, что окись хлора не только определяет общее понижение N (O3) внутри некоторой географической зоны (что это за зона, мы поговорим чуть позже), но и контролирует его пространственное распределение внутри этой зоны.
Еще один результат, подтверждающий роль процессов хлорного цикла в весеннем уменьшении N (O3) в Антарктике, касается азотных соединений. В упоминавшихся уже измерениях малых атмосферных компонент в октябре 1987 г. обнаружили, что в области «дыры» сильно понижены концентрации таких активных азотных соединений, как азотная кислота HNO3 и двуокись азота NO2.
Тот, кто внимательно следил за нашим рассказом «Как мы угрожаем озону», вероятно, обратил внимание на то, что, к счастью для озона (а также для нас), его противники в своей борьбе за разрушение O3 не могут объединиться. Суммарный эффект воздействия трех семейств загрязнителей NOx, НОx и ClOx (напомним, что за каждым таким условным химическим обозначением стоит целый ряд активных соединений данного семейства) не равен сумме их индивидуальных эффектов. При появлении в атмосфере представителей двух (а тем более трех) семейств между ними начинают происходить реакции, которые уменьшают их суммарное воздействие на озон, а подчас и сами концентрации представителей того или иного семейства. Так, например, при соединении ClO и NO2 (а оба эти окисла по отдельности весьма активны в разрушении озона) образуется хлористый нитрозил ClONO2, который в нормальных условиях не принимает участия в разрушающем озон цикле реакций. Однако его разрушение при образовании стратосферных облаков ведет к увеличению количества ClOx и соответствующему уменьшению [O3].
В этом же плане нужно рассматривать и зарегистрированное внутри «дыры» понижение концентраций малых составляющих из семейства NOx. Такое понижение является еще одним подтверждением того, что в весенней антарктической стратосфере много ClOx и хлорный цикл разрушения озона идет активно.
Следует упомянуть, что в тех же экспериментах по изучению состава и количества малых компонент было обнаружено присутствие в стратосфере в области «дыры» окиси брома BrO. Относительная концентрация окиси брома оказалась сравнительно небольшой — η (BrO) = (5—10) ∙10-15 на высоте 15 км — в тысячи раз меньшей, чем относительная концентрация окиси хлора. Но поскольку соединения брома до этого в стратосфере вообще не наблюдались, сам факт появления регистрируемых количеств окисиброма дает еще одно подтверждение заметного увеличения количества галогенов (к которым, как известно, относятся и хлор и бром) и их соединений в стратосфере в целом и в антарктической стратосфере в частности. Как мы увидим ниже, наличие окиси брома может быть существенно не только как подтверждение приведенного положения. Возможно, соединения брома, несмотря на их малое количество, играют определенную роль в той совокупности процессов, которые ответственны за образование «озонной дыры». Перейдем теперь к рассмотрению общей картины этих процессов.
После обнаружения явления весеннего уменьшения общего количества озона в Антарктике за короткий срок появилось около десятка гипотез, претендующих на его объяснение. О двух из них — метеорологической и антропогенной — мы уже кратко рассказали. Некоторые из предложенных гипотез представляли собой в той или иной мере вариации этих двух, но были и совершенно экзотические.
Так, согласно одному такому предположению, разрушение озона в весенней антарктической стратосфере происходит под действием потоков очень высокоэнергичных электронов (с так называемыми релятивистскими энергиями — в несколько мегаэлектронвольт и выше). Поскольку в окрестностях Земли таким электронам взяться неоткуда, в рамках этой гипотезы предполагалось, что эти электроны родились где-то в недрах Солнечной системы, оказались ускорены до таких высоких энергий в окрестностях Юпитера и уже затем попали в приполюсную атмосферу Земли.
Возможно, и не стоило бы упоминать на этих страницах такую экзотическую (а проще говоря, мало обоснованную) гипотезу. Однако на ее примере хочется показать, что первоначально обнаруженный феномен «дыры» вызвал огромное удивление и даже недоверие — настолько трудно было представить себе его появление в рамках обычных процессов, известных нам в стратосфере. Именно поэтому и появились и какое-то время» имели право на жизнь предположения о дополнительных (внеземных) механизмах образования дыры.
Химия или метеорология?
Как же выглядит сегодня картина физических процессов, которые приводят к разрушению озона и образованию «дыры»? Для того чтобы ответить на этот вопрос, давайте на время отвлечемся от явления «дыры» и рассмотрим особенности стратосферы над Антарктикой в обычных (до 1979 г.) условиях.
Всю антарктическую зиму над полярной областью в нижней стратосфере висит устойчивый циклон — так называемый циркумполярный вихрь. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса, не выходя за границы вихря. По этой причине в Антарктике зимой практически не происходит обмена воздухом между полярной и среднеширотной стратосферой.
За долгую зимнюю ночь оказавшийся внутри антарктического вихря стратосферный воздух сильно охлаждается. Именно в конце зимы в Антарктиде наблюдаются самые низкие стратосферные температуры, достигающие —70 °С.
Весной (сентябрь—октябрь) по мере подъема Солнца над горизонтом воздух в антарктической стратосфере начинает прогреваться, происходит повышение температуры и нарушение замкнутой картины стратосферных движений вокруг полюса, или так называемая перестройка циркуляции. До начала 80-х годов последняя обычно наблюдалась в середине октября.
Замкнутый характер движения воздушных масс в антарктической стратосфере зимой и в начале весны создает, очевидно, одну из предпосылок для образования «дыры». Ведь если внутри полярного вихря начнется даже относительно слабый процесс уничтожения озона, при отсутствии обмена воздухом с другими широтными зонами к началу весны количество озона там может упасть, очень значительно.
Но, конечно, само по себе существование зимнего циркумполярного вихря объяснить появление «дыры» не может. Ведь вихрь висел над Антарктидой и десять и двадцать лет назад. Значит, нужен процесс, который уничтожает озон и который появился (или заметно усилился) лишь в последнее десятилетие. Что же это за процесс?
Всю зиму в стратосфере над Антарктикой висит устойчивый циклон
Все, что рассказано выше об измерениях количества малых составляющих, уже подготовило нас к ответу на этот вопрос: «виновником» разрушения озона является хлорный каталитический цикл с окисью хлора как главным «действующим лицом». Понятно нам и почему явления дыры не наблюдалось до 80-х годов — в стратосфере непрерывно идет накопление активных соединений хлора из-за все возрастающего выброса фреонов и других хлорсодержащих соединений.
Итак, все ясно: замкнутый вихрь и рост загрязнения хлором — вот первопричины появления «озонной дыры»? В принципе — да, однако есть одно «но». Мы не объяснили пока, почему в весенней стратосфере над Антарктикой оказалось так много окиси хлора. В 100 с лишним раз больше, чем в средних широтах или у экватора! А ведь именно эти высокие концентрации ClO вызывают такое сильное (в два-три раза) уменьшение N (O3) над Антарктикой.
Для того чтобы понять эту важную особенность химического состава, мы должны кратко рассказать еще об одном явлении, характерном для антарктической стратосферы, — полярных стратосферных облаках.
Стратосферные облака состоят из капель переохлажденной жидкости и кристаллов льда, образовавшегося при замерзании раствора азотных соединений в воде
Эти облака образуются в полярной стратосфере южного полушария зимой (в июне—июле) в условиях низких температур на высотах 15—22 км и существуют на высотах 10—18 км в августе—сентябре, а после потепления полярной стратосферы исчезают. Пока нет окончательного ответа на вопрос о том, из чего состоят частицы этих облаков. Но есть серьезные основания полагать, что они состоят из кристаллов льда и капель переохлажденной жидкости. Но льда не простого, а образовавшегося при замерзании раствора азотных соединений в воде. Иначе говоря, пока в стратосфере было относительно тепло, там существовали микрокапли, содержащие молекулы воды и азотных соединений. Как только похолодало и стратосферная температура упала ниже точки замерзания, капли превратились в кристаллики «азотистого льда».
Какое же место занимают стратосферные облака в нарисованной нами картине разрушения озона? Очень важное. Они аккумулируют активные соединения азота (вспомним, что концентрации последних в области дыры оказались сильно понижены) и тем самым создают благоприятные условия для действия хлорного цикла, разрушающего озон. Чтобы пояснить, как это происходит, нам придется на время обратиться к химии хлорного и азотного цикла.
Мы уже говорили в материале «Как мы угрожаем озону» о взаимодействии циклов. Упоминали мы и важную роль, которую играет хлористый нитрозил ClONO2 как своего рода «посредник» между циклом с участием ClOx и NOx. При высоких концентрациях вредных для озона окислов NO2 и ClO происходит активное образование молекул ClONO2, которые для озона опасности не представляют. Таким образом природа как бы поставила некий естественный ограничитель совместному действию этих двух циклов разрушения озона.
Вот тут-то в игру и вступают кристаллики азотистого льда. Напомним читателю, что реакции между молекулами и частичками вещества (пылинками, кристаллами) или между молекулами на поверхности таких частичек идут иначе (так называемая гетерогенная химия), чем обычные реакции в газе (гомогенная химия). В присутствии азотистого льда «оживают» обычно пассивные молекулы, в том числе и молекулы хлористого нитрозила. В результате их реакции с соляной кислотой образуются пары азотистых и хлорсодержащих соединений. Но первые быстро поглощаются кристаллами азотистого льда, а вторые остаются в атмосфере и включаются в деятельность по разрушению озона.
Таким образом, естественный барьер для разрушения озона, поставленный самой природой в виде молекул ClONO2, в присутствии полярных стратосферных облаков оказывается разрушенным. И как следствие — увеличивается количество активных соединений хлора и усиливается разрушение озона.
Правда, в этой схеме возникла неожиданная трудность. Встал вопрос, может ли цикл реакций с участием Cl и ClO работать в реальных условиях «дыры»? Ведь в конце антарктической ночи в стратосфере остается очень мало атомарного кислорода. А именно он является партнером окиси хлора в первой реакции цикла. Если же эта реакция не идет достаточно эффективно, то не будет работать и весь цикл. Оценки показали, что при реальных (очень низких!) концентрациях O этот механизм в состоянии обеспечить лишь около 3% наблюдаемого уменьшения [O3].
Пришлось для специфических условий антарктической весенней стратосферы искать другой цикл. И он был найден. Оказалось, что при достаточно большом количестве ClO идет образование димера окиси хлора ClO ClO. Вот эти-то молекулы и играют основную роль в системе реакций разрушения озона, получившей название «димерного механизма». Не вдаваясь в дальнейшие химические подробности, отметим лишь, что суммарный эффект четырех реакций этого цикла таков: 2O3→3O2 (две молекулы озона переходят в три молекулы кислорода), причем молекулы самого димера выступают в роли катализаторов.
К сказанному остается добавить, что аккумуляция азотных соединений на каплях раствора и кристаллах льда не может продолжаться бесконечно. Рано или поздно по мере роста частицы облаков должны начать распадаться и возвращать захваченные молекулы NOx назад в атмосферу. В этом случае установилось бы некоторое равновесие между процессами аккумуляции и высвобождения и заметного эффекта в разрушении озона, вероятно, не было бы.
Но, к несчастью для антарктического озона, дело происходит не так. Кристаллы азотистого льда по мере аккумуляции все новых и новых молекул NOx становятся все крупнее и тяжелее. Сила притяжения неумолимо влечет их вниз. Они уже не могут «плавать» в стратосфере и опускаются вниз в тропосферу, обеспечивая таким образом отток активных азотных соединений из области «озонной дыры». Ну а как уменьшение количества NOx ведет к усилению роли хлорного цикла и разрушения озона, мы уже знаем.
Когда весна берет свое, солнце поднимается выше над горизонтом, антарктическая стратосфера постепенно прогревается. Под действием тепла и солнечных лучей полярные облака исчезают и освободившиеся при таянии и испарении оставшихся кристаллов соединения активного азота (прежде всего HNO3 и NO2) вновь вступают в «химическую игру». Они связывают активный хлор и тем самым уменьшают эффективность хлорного цикла. Количество озона восстанавливается до нормы. К тому же, идет перенос озона в область «дыры» с околополярных широт.
Описанная картина взаимодействия различных процессов, приводящих к образованию «дыры», сложилась к середине 1988 г. Ученые с нетерпением ждали очередной антарктической весны.
Здесь уместно задать вопрос: являются ли развитие полярного вихря и уменьшение в нем количества озона процессами независимыми? Связаны ли они друг с другом, и если да, то как?
О прямой связи мы уже говорили. Она — основа существования дыры именно над Антарктидой. Наличие области замкнутой циркуляции необходимо для заметного понижения N (O3) даже при наблюдаемых высоких концентрациях ClO, но нет ли тут и обратной связи? Оказалось, что есть, причем положительная и достаточно сильная. Действительно, от чего разрушается вихрь весной? От нагрева стратосферного воздуха солнцем. Но основной вклад в нагрев воздуха на стратосферных высотах вносит именно озон — об этом мы уже говорили. Если в области, занимаемой вихрем, количество озона упало, то скорость нагрева уменьшилась и разрушение вихря должно задерживаться. А чем дольше существует вихрь, тем больше озона в нем погибнет, тем сильнее уменьшится скорость нагрева, тем позже произойдет разрушение вихря… Как видим, классическая схема положительной обратной связи.
Конечно, реально существование других метеорологических процессов не дает такой связи действовать до бесконечности. Но то, что она существует и дает заметный эффект, подтвердили наблюдения весной 1987 г. Как мы уже говорили, тогда наблюдался самый сильный из пока зарегистрированных эффектов «дыры» и при этом разрушение полярного вихря с середины октября сдвинулось на начало декабря!
«Дыра» раз в два года?
Что же принесла весна 1988 г.? Как ни странно на первый взгляд, — уменьшение эффекта весеннего понижения по сравнению с тем же периодом 1987 г. Количество озона в столбе атмосферы нигде над Антарктикой не падало ниже 200 е. Д. (сравним со 100 е. Д. весной 1987 г.), да и территория, где произошло такое понижение, была много меньше, чем предыдущей весной.
Значит ли это, что наша схема, связывающая явление «дыры» с загрязнением стратосферы, не верна? Ведь количество хлорсодержащих молекул в земной стратосфере вряд ли уменьшилось за год.
Конечно, нет. Просто динамические процессы, определяющие существование вихря, наступление перестройки циркуляции и т. д., изменяются год от года. Существует также квазидвухлетний (то есть имеющий период в среднем чуть больше двух лет) цикл таких изменений, в качестве индикатора которых используется направление зонального ветра в стратосфере над экватором. И хотя первопричина квазидвухлетних колебаний КДК (так строго называется это явление) пока неясна, уже выявлено много различий в поведении атмосферы (на всех высотах от поверхности Земли до ионосферы) в западные (над экватором ветер на высотах 20—30 км дует с запада) и восточные годы.
Не избежал влияния КДК и озон. Как мы уже говорили в материале «Что следует знать об озоне», известны вариации количества озона (не связанные с явлением «дыры»), хорошо коррелирующие с КДК и имеющие период около 26 месяцев. Оказалось, что в весеннем понижении N (O3) (равно как и в температуре стратосферного газа внутри вихря) тоже наблюдаются квазидвухлетние колебания. Заметить их на фоне быстро возраставшего эффекта «дыры» было трудно, однако внезапное «восстановление» N (O3) весной 1988 г. поставило все на свои места. Выяснилось, что 1985, 1986 и 1987 гг. были западными годами КДК, благоприятными для развития устойчивых динамических образований вроде циркумполярного вихря, а 1988 г. — восточным, так же как и 1984 г., когда тоже наблюдалось некоторое «замедление» в нарастании год от года эффекта «дыры». Именно поэтому весной 1988 г. полярный вихрь не был развит так сильно, как в 1987 г. Его разрушение фактически началось уже в сентябре и закончилось в середине октября (сравним с началом декабря в 1987 г.!). Соответственно были гораздо выше температуры стратосферы внутри вихря и почти не образовывалось стратосферных облаков. В свете всего, о чем мы говорили выше, не удивительно, что весной 1988 г. понижение N (O3) было слабее, занимало меньшую территорию и длилось меньше времени.
Сейчас, когда завершается работа над книгой, уже известны первые результаты наблюдений антарктической весной 1989 г. Они показывают, что развитие «дыры» было сильнее, чем в 1988 г., и примерно таким же, как и в 1987 г. Это подтверждает описанную выше концепцию квазидвухлетних эффектов в эволюции явления и тем самым — большую роль динамических процессов в его формировании.
Об этом же говорят и наблюдения в северной полярной области. Проведенные зимой и весной (январь—март) 1988 и 1989 гг. измерения (включая спутниковые, наземные и самолетные) показали, что над Арктикой не наблюдается весеннего понижения количества озона, сравнимого по масштабам с антарктической «дырой», хотя все малые составляющие, которые в Антарктике сопутствуют появлению озонной дыры, наблюдаются и в арктической стратосфере.
Причина такого различия понятна. В Арктике нет материка, аналогичного Антарктиде, поэтому полярный вихрь зимой менее устойчив — это вызвано восходящими воздушными потоками от нагретых по-разному участков суши и океана. Поскольку в Арктике нет устойчивого вихря, не выполняется одно из условий образования «дыры» — отсутствие обмена стратосферным воздухом между высокими и низкими широтами. Соответственно температуры арктической зимней стратосферы выше, чем антарктической, поэтому в Арктике реже появляются стратосферные облака.
Небольшие (по степени уменьшения N (O3), площади и времени существования) «дыры» в северной полярной области все- таки формироваться могут. Они должны появляться там, где существуют локальные вихри (возникшие в результате разрушения основного циркумполярного вихря), перемещаться и исчезать вместе с ними. В этих областях наблюдаются понижение температуры, образование (связанное, как мы знаем, с низкими температурами) полярных облаков и увеличение концентрации ClO. Видимо, одна из таких «микродыр» была обнаружена весной 1989 г. во время самолетных измерений над северной частью Норвегии. Но тот факт, что обмен воздухом со средними широтами, богатыми озоном, в северной полярной области не прекращается полностью, не дает развиться там и полноценной «озонной дыре».
Итак, сегодня, когда пишутся эти строки (декабрь 1989 г.), физическая картина явления весеннего понижения озона в полярных областях в целом ясна. Антарктическая «озонная дыра», несомненно, является подаваемым нам самой природой сигналом о том, что увеличение загрязнения атмосферы (прежде всего фреонами и другими хлорсодержащими веществами) может привести к очень серьезным последствиям. Человечеству повезло, что необходимые для формирования «дыры» (в загрязненной хлором атмосфере) условия реализуются лишь на относительно короткий срок и лишь над Антарктидой, где нет постоянного населения. Однако увеличение концентрации хлорсодержащих веществ в стратосфере неизбежно должно привести к тому, что со временем падение количества озона захватит всю стратосферу или во всяком случае коснется густо населенных районов земного шара со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Именно поэтому ученые и политики разных стран борются сейчас за принятие на международном уровне законов, запрещающих использование долгоживущих фреонов, о чем мы уже говорили. Будем же надеяться, что их усилия увенчаются успехом!
Источник: А.Д. Данилов, И.Л. Кароль. Атмосферный озон — сенсации и реальность. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991