Все, что мы рассказали в предыдущем материале об опасности разрушения слоя озона в результате загрязнения стратосферы, неизбежно приводит к двум вопросам. Первый: можно ли уже сейчас обнаружить эффект антропогенного уменьшения количества озона в течение последних десятилетий? И второй: можно ли уже сегодня, задавшись прогнозами дальнейшего роста антропогенного загрязнения атмосферы, построить прогноз вероятного изменения количества озона? Эти два вопроса мы и рассмотрим в этом материале.
Для ответа на первый вопрос нам надо сначала решить, какие наблюдения в принципе могут быть использованы для выявления трендов общего количества озона. Под трендами мы будем понимать (как это сейчас обычно и делается) тенденцию изменения данного параметра — в нашем случае N (O3) — со временем, причем нас будет интересовать как то, в какую сторону происходит изменение (увеличение, уменьшение), так и то, на сколько оно происходит.
Где взять данные
В одной из предыдущих глав мы подробно рассказывали о том, как ведутся измерения количества озона, в том числе N (O3). Наиболее распространенными являются наземные измерения методом Добсона, в котором используется ультрафиолетовый спектрометр, а также измерения с более простой аппаратурой, основанной на той же идее, но использующей светофильтры. Такие наблюдения начались еще в 20-х годах нашего столетия. В период Международного геофизического года была создана обширная сеть станций по измерению N (O3) указанным методом, причем большая их часть функционирует и по настоящее время.
Таким образом, на сегодня есть данные наблюдений за последние 30 лет примерно со 140 станций, расположенных (конечно, неравномерно) по всему земному шару. Поскольку спутниковые измерения, о которых мы подробнее поговорим ниже в этой главе, охватывают непрерывными наблюдениями лишь период около 10 лет, ясно, что наземные наблюдения являются единственным источником сведений о возможных вариациях N (O3) за период, превышающий 11-летний солнечный цикл. Почему сопоставление с солнечным циклом существенно для обсуждаемой проблемы, будет ясно из дальнейшего рассказа.
Теперь немного подробнее о неравномерности распределения станций измерения N (O3) методом Добсона (будем в дальнейшем для простоты называть их просто наземными станциями) по земному шару. По понятным причинам такие станции создавались в первую очередь в развитых странах. В результате получилось, что они наиболее плотно покрывают географическую область между 30 и 64° с. ш. В то же время в приэкваториальной области и южном полушарии число таких станций мало. В течение последнего десятилетия, правда, в рамках различных международных научных программ было организовано несколько станций и в этих областях, однако ряды наблюдений там на сегодня еще достаточно коротки и использовать их для выявления трендов трудно.
Из сказанного ясно, что надеяться получить надежные данные об изменении N (O3) за достаточно длительный период на основании наземных измерений можно лишь для ограниченной области Земли. Однако и при анализе данных наблюдений N (O3) в средних широтах северного полушария возникает целый ряд трудностей, о которых необходимо рассказать, прежде чем переходить к описанию результатов этого анализа.
Начнем с вопроса: все ли данные равноценны? Оказывается, что нет. При сопоставлении результатов измерений на разных станциях выяснилось, что в этих данных есть внутренние противоречия. Они связаны с несколько различной методикой обработки, с вопросами калибровки, разными метеорологическими условиями (например, разным влиянием на N (O3) тропосферного озона) и другими факторами, подробное обсуждение которых выходит за рамки нашего рассказа. Отметим лишь, что точность определения общего количества озона на наиболее надежных станциях составляет ±1% Для средних годовых значений N (O3). Именно эти станции в первую очередь используются для изучения трендов общего количества озона.
Уменьшается ли количество озона
Выделять многолетние тренды общего количества озона очень трудно, поскольку существует сильная межгодовая, сезонная, межсуточная и даже внутрисуточная изменчивость этой величины. Ведь поиск уменьшения N (O3) на несколько процентов за два десятилетия (а именно о таких величинах, как мы увидим ниже, сегодня идет речь) приходится вести на фоне как регулярных, так и нерегулярных вариаций N (O3) на десятки процентов.
За последние годы было предпринято много попыток выявления трендов общего количества озона на основе наземных наблюдений. Не останавливаясь на них подробно, нужно, однако, упомянуть, что вначале, как правило, брали средние годовые значения N (O3), то есть не делали разделения данных по сезонам. При этом получали слабый отрицательный (а иногда и нулевой) тренд общего количества озона.
Разделение по сезонам (а в некоторых работах и по месяцам) привело к несколько неожиданным результатам. Практически все исследователи пришли к выводу, что экспериментальные данные указывают на более сильную тенденцию падения за последние десятилетия зимних значений N (O3) по сравнению с летними. Более того, в ряде случаев для летних месяцев были получены даже положительные значения ΔN (O3) (разницы в N (O3) между, скажем, 1988 и 1972 г.), тогда как для зимы всегда получаются отрицательные значения. Иначе говоря, в летние месяцы на ряде наземных станций регистрируют даже небольшое увеличение общего количества озона за последние десятилетия. Теперь понятно, почему при использовании средних годовых значений часто получались слабые тренды N (O3) — достаточно хорошо выраженный эффект зимних месяцев «размазывался» на весь остальной год, когда наблюдались малые отрицательные (или даже положительные, которые компенсировали зимний эффект) значения ΔN (O3).
Проиллюстрируем то, о чем мы рассказали, на примере одной работы. Группа ученых из ГДР собрала и проанализировала наземные наблюдения озона за 21 год (1966—1987 гг.). Целью анализа было получение среднего изменения общего количества озона за десятилетие в течение всего этого периода. Анализ велся отдельно для европейского и североамериканского регионов. Взяв сначала средние годовые значения N (O3), ученые получили, что в европейском регионе среднее изменение N (O3) за десятилетие близко к нулю, а в североамериканском составляет около 2%.
Для разных географических областей, лежащих в одной широтной зоне, получились разные тренды изменения общего количества озона
Когда такая же работа была проделана со средними месячными данными, получилась картина, изображенная на рисунке. На нем представлены изменения N (O3) за десять лет для каждого месяца в обоих регионах. Хорошо видно, что в европейском регионе наблюдаются (в зависимости от сезона) как отрицательные, так и положительные значения Δ N (O3). Если мы сравним положительные и отрицательные отклонения от нулевой линии для этого региона, то увидим, что они примерно компенсируют друг друга. Ясно в этом случае, что, анализируя средние годовые значения Δ N (O3), мы получим (что, как мы говорили, и произошло вначале) практически нулевой эффект, хотя для отдельных месяцев значимые, но противоположно направленные тренды существуют. Усредняя данные по Δ N (O3) за год, мы как бы вместе с водой выплескиваем и ребенка.
В той же работе ученых из ГДР был получен еще один интересный результат, который также хорошо виден на рисунке. Все месячные значения Δ N (O3), определенные для североамериканского региона, оказались существенно (на 1,5—2%) ниже, чем для европейского, хотя ход в течение года в обоих регионах практически одинаков. Поскольку все месячные Δ N (O3) для североамериканского региона лежат ниже нулевой линии, ясно, что они не могут компенсировать друг друга (как в случае европейского региона) при усреднении за год и годовое значение ΔN (O3) будет отрицательным и равным примерно —2%.
Вопрос о том, почему для разных географических областей, лежащих в одной широтной зоне, получились разные тренды изменения общего количества озона, пока открыт. Сами авторы описанной работы считают, что данные североамериканского региона дают более правильный ответ на основной вопрос: как изменяется количество стратосферного озона в среднем за десятилетие? Данные европейских наблюдений, по их мнению, более подвержены ошибкам из-за возможного влияния тропосферного озона, количество которого должно возрастать при усилении антропогенного загрязнения атмосферы. Однако не все исследователи согласны с этим выводом. Аргументом в пользу описанной работы является тот факт, что (как видно из рисунка) для независимых наборов данных (европейского и североамериканского) получен практически одинаковый сезонный ход Δ N (O3) при различии абсолютных значений.
Следует, однако, упомянуть, что при изучении трендов за более короткие периоды (несколько лет) получаются слегка отличные результаты. Так, группа советских исследователей, изучавших характер изменения N (O3) в двух фазах 21-го солнечного цикла, пришла к выводу, что для летних месяцев наблюдаются как положительные (фаза роста активности Солнца), так и отрицательные (фаза спада активности) значения ΔN (O3). При этом абсолютные значения изменения N (O3) летом оказались даже выше, чем зимой.
Не останавливаясь более на результатах отдельных работ, нарисуем теперь общую картину, как она представлена в итоговых документах различных международных организаций (и прежде всего Всемирной метеорологической организации).
Как же на сегодня выглядит итог усилий многих исследователей по выявлению трендов общего количества озона по данным наземных измерений? Сравнение значений N (O3), как правило, ведут для двух 11-летних периодов: 1976—1986 и 1965—1975 гг., чтобы максимально устранить эффекты солнечного цикла, о чем уже говорилось. Иначе говоря, ΔN (O3) в этом случае представляет собой разность между средними значениями N (O3) за 1976— 1986 гг. и средними значениями за 1965—1975 гг.
Если посмотреть на итоговую таблицу со значениями ΔN (O3) для 24 тщательно отобранных станций, то среди зимних (среднее за декабрь—март) значений ΔN (O3) есть только одно положительное (+0,9%) для станции Кагосима (Япония). Максимальные отрицательные значения ΔN (O3) зимой опускаются для двух станций ниже —4%. Для летних значений (среднее за май—август) наблюдается гораздо более пестрая картина. Для девяти станций летние значения ΔN (O3) положительны, причем наибольшее равно +1,7% (станция Рейкьявик, Исландия). Отрицательные ΔN (O3) летом по абсолютному значению меньше, чем зимой, и не превышают 1,4%.
Соответственно усреднение ΔN (O3) за год дает для 22 станций отрицательные значения (но, конечно, с меньшей абсолютной величиной, чем только для зимних месяцев) и лишь для двух — положительные.
Почему же для разных пунктов наблюдений получаются разные результаты при поиске трендов N (O3)? Сегодня нет окончательного и общепринятого ответа на этот вопрос. Можно лишь предполагать, что большая часть различия связана с калибровкой аппаратуры, разницей в метеорологических условиях в стратосфере и с поведением тропосферного озона, о чем уже говорилось. Как бы то ни было, единственная возможность в такой ситуации получить ответ на вопрос о трендах N (O3) — это усреднить результаты разных станций по основным широтным зонам.
Тренды общего количества озона (%) за 18 лет для разных сезонов и широтных зон
Именно это и было сделано для данных за период с 1969 по 1986 г. и трех широтных поясов. Полученные результаты представлены в таблице. Здесь AN (O3) — разность между N (O3) в 1986 и в 1969 г. в процентах. Как видно из таблицы, наибольшее уменьшение N (O3) за этот период наблюдается в зимние месяцы в зоне 53—64° с. ш. Там же наблюдается и наибольший контраст в ΔN (O3) между зимним и летним периодами.
Подчеркнем одно существенное обстоятельство. Приведенные в таблице тренды за 18 лет дают относительно небольшое среднее изменение N (O3) в год (например, 0,3% при 6% за 18 лет). В то же время, как мы уже говорили выше, тренды N (O3) за более короткие периоды (скажем, половину солнечного цикла) могут давать более сильное годовое изменение этой величины (около 1% в год).
Наибольшее уменьшение общего количества озона за период 1969—1986 гг. наблюдалось в зимние месяцы
Возникает естественный вопрос: почему тренды общего количества озона, связанные, как мы полагаем, с эффектами загрязнения атмосферы, которые должны носить глобальный характер, могут быть различны для разных сезонов и разных географических областей? Ответ на этот вопрос надо искать в совокупности химических и динамических процессов, которые контролируют распределение O3. Ясно, что для разных ситуаций (широта, сезон) условия освещенности стратосферы Солнцем (из-за разной высоты светила над горизонтом и разной длительности светового дня) будут различны. Это неизбежно должно приводить к различию в скорости диссоциации как молекулярного кислорода (с образованием атомов O, из которых образуется O3, так и самого озона. При этом, конечно, будет меняться и скорость разрушения различных соединений, входящих во «враждебные» озону семейства NOx, HOx и ClOx. Если добавить к этому разное влияние динамических процессов, которые сильно изменяются и с сезоном, и с широтой, то станет ясно, что даже при равномерной по земному шару и неизменной в течение года загрязненности стратосферы влияние последней на общее количество O3 может меняться.
Приведенное объяснение носит качественный характер. Количественные оценки совместного действия всех указанных факторов могут дать только сложные модели, о которых мы расскажем ниже в этой главе. Здесь отметим лишь, что прекрасным примером того, как загрязнение стратосферы (глобальное по своему характеру) может приводить к локальным изменениям N (O3), является феномен весеннего понижения количества озона над Антарктикой («озонная дыра»).
Как неоднократно упоминалось выше, в число факторов, затрудняющих определение трендов стратосферного озона и сравнение ΔN (O3), полученных на разных станциях, входит тропосферный озон. Говорили мы и о том, что роль озона в тропосфере (где он сам является загрязнителем воздуха) отлична от его роли в стратосфере. По-разному складывается и судьба озона по мере увеличения антропогенного загрязнения тропосферы и стратосферы. Если в стратосфере мы ожидаем уменьшения концентрации озона из-за усиления его разрушения в фотохимических циклах с NOx, НОx и ClOx, то в тропосфере должно происходить его накопление. Мы уже говорили, что изменение тропосферного озона сильно зависит от места на земном шаре, поскольку оно тесно связано с очагами загрязнения — большими городами и крупными промышленными комплексами. Отсюда и разное влияние тропосферного озона на тренды общего количества O3, получаемые по наблюдениям на разных станциях, о чем рассказывалось выше.
Если, невзирая на сильную изменчивость эффекта, все же усреднить наблюдаемое увеличение количества озона в тропосфере по средним широтам северного полушария, то мы получим, что последние 20 лет это количество возрастало в среднем на 1% в год. С учетом вклада тропосферного озона в общее количество O3 (который составляет около 10%) выходит, что за указанный период N (O3) из-за роста концентрации озона в тропосфере должно было бы возрасти примерно на одну десятую от 20%, то есть на 2%. Иначе говоря, при анализе трендов N (O3) по наземным измерениям надо иметь в виду возможность того, что получаемые цифры (например, приведенные в таблтце) дают суммарный эффект двух противоположно направленных процессов — уменьшения количества озона в стратосфере и его увеличения в тропосфере. И значит, реальное уменьшение стратосферного озона могло быть сильнее, чем дают цифры в таблице, поскольку часть эффекта (скажем, 2%) компенсировалась ростом за тот же период количества O3 в тропосфере.
Что дают спутники
Так обстоит на сегодня дело с определением трендов N (O3) по данным наземных измерений. Ну а как же спутниковые наблюдения? Ведь для них, очевидно, не существует многих трудностей, с которыми ученые столкнулись при анализе наземных данных. Этих трудностей нет, но есть другие.
Наземные приборы можно регулярно калибровать — проверять, не изменились ли чувствительность датчика, спектральные характеристики фильтров и т. д. С приборами, летающими в космосе, дело хуже. Их не отнесешь через год-другой работы в лабораторию, чтобы проверить, все ли физические параметры остались неизменны. А параметры эти могут изменяться. Под действием различных факторов происходит, как говорят, старение аппаратуры. В случае оптических приборов оно состоит обычно в понижении чувствительности со временем, что неизбежно должно отложить свой отпечаток на получаемые тренды измеряемых значений N (O3).
Учесть эффект старения и исключить его при анализе трендов N (O3) можно двумя способами. Первый способ (и, конечно, лучший) — установить там же на борту искусственного спутника источник постоянного сигнала (скажем, ртутную лампу в случае оптических измерений в ультрафиолетовом свете) и по нему регулярно проверять калибровку основного сигнала. Именно по этому пути пошли американские ученые, которые установили на специальном спутнике НУОА (Национальное управление по исследованию океана и атмосферы США — аналог нашего Государственного комитета по гидрометеорологии) такое калибровочное устройство. Они надеются с помощью этого спутника уже в ближайшие годы уверенно регистрировать систематическое уменьшение N (O3), даже если оно составляет всего 0,1% в год.
Второй способ ввести коррекцию на эффект старения спутниковой аппаратуры — провести сравнение с одновременными наземными измерениями N (O3). Но они сами, как мы уже знаем, подвержены ряду ошибок, поэтому задача эта далеко не проста. Тем не менее процедура сравнения проводилась в ряде работ с разными подходами (использование усреднения по нескольким наземным станциям, сравнение только с измерениями на станции Мауна-Лоа, Гавайи, и только в специальные дни) и было найдено, что чувствительность аппаратуры ТОМС на спутнике «Нимбус-7», по которой имеется наибольший массив измерений, уменьшается примерно на 3,5% за десятилетие.
Первые наблюдения общего количества озона со спутников серии «Нимбус» проводились еще в начале 70-х годов. Однако непрерывные и однородные ряды наблюдений имеются с 1978 г. (спутник «Нимбус-7», аппаратура ТОМС). После калибровки по наземным наблюдениям эти данные позволили получить изменение общего количества озона с ноября 1979 по октябрь 1985 г.
Что обращает на себя внимание при взгляде на таблицу? Прежде всего, устойчивая разница между ноябрем 1979 г. и октябрем 1985 г. примерно в 2,5%, что значительно больше ошибки, оцениваемой в ±0,5%. Полезный сигнал в данном случае заметно превышает шум, что увеличивает доверие к найденному значению ΔN (O3). Интересны также две следующие строчки таблицы. Они показывают, что тренды N (O3) в северном и южном полушарии одинаковы и по знаку, и (в пределах точности определения N (O3) по абсолютной величине. Последнее обстоятельство служит как бы дополнительным аргументом в пользу надежности получаемых значений ΔN (O3), поскольку, если эффект антропогенного уменьшения количества озона в стратосфере существует, он должен быть в целом одинаков для обоих полушарий. Действительно, так как проникновение газа из тропосферы в стратосферу происходит в районе тропической тропопаузы, распределение загрязняющих веществ в стратосфере должно быть симметричным относительно экватора.
Значения дельта N(O3) (%) за период с ноября 1979 по октябрь 1985 г., полученные по наблюдениям со спутника «Нимбус-7»
Три нижние строчки говорят о том, что по спутниковым данным наибольшее изменение общего количества озона произошло в области широт 29—39° с. Если мы сравним эти данные с данными табл. 1, то увидим, что по наземным измерениям максимальный эффект для зимнего периода наблюдается в высоких широтах. Таким образом, хотя уменьшение N (O3) по наземным и спутниковым данным близко по величине (в среднем 2—4%), ход эффекта с широтой различен. Как мы увидим ниже, теоретические модели дают изменение N (O3) с широтой, сходное с получаемым по наземным измерениям.
Когда были получены и обнародованы приведенные выше результаты, у многих появилось ощущение, что ответ на вопрос о том, изменяется ли количество N (O3) из-за хозяйственной деятельности человека, получен. Есть отрицательный тренд, причем амплитуда уменьшения N (O3) много больше ошибки его определения, наблюдается устойчивая картина при рассмотрении разных географических зон — всюду ΔN (O3) отрицательны. Чего же еще?
Однако ученые — люди осторожные. «Спутниковые данные есть только начиная с 1979 г., — сказали они. — А все это время солнечная активность уменьшалась. Подождем, пока она начнет увеличиваться. Если при этом тенденция уменьшения N (O3) сохранится, значит, это уменьшение не связано с солнечным циклом».
Осторожная позиция, приведенная выше и высказанная в 1985 г., нашла свое подтверждение в 1987 г. С данными спутника «Нимбус-7» была проведена точно та же операция, что и в 1985 г., но теперь искалась разница в N (O3) между ноябрем 1979 и ноябрем 1987 г. Казалось бы, если идет систематическое уменьшение общего количества озона из-за роста загрязненности стратосферы, мы должны ожидать дальнейшего увеличения отрицательных значений ΔN (O3). Однако оказалось, что с данными 1987 г. получились практически те же значения ΔN (O3), что и в 1985 г. Например, первые три цифры в таблице для разницы (ноябрь 1987 — ноябрь 1979) выглядели бы так: —2,5±0,6; —2,9±0,9; —1,8±1,4%. Как видим, заметного усиления эффекта нет, а ведь прошло два года. В чем же дело? Конечно, напрашивается вывод о том, что наблюдаемое поведение N (O3) — эффект солнечной активности, а не антропогенного загрязнения. Действительно, ведь почти весь период наблюдений 1979—1985 гг. приходится на нисходящую (от максимума к минимуму) ветвь 21-го солнечного цикла. Солнечная активность падала — не это ли вызвало наблюдаемое уменьшение N (O3)? В 1985 г. активность уже была достаточно низкой, и ее дальнейшего изменения в период 1985—1987 гг. не происходило. Вот вам и объяснение относительно стабильности ΔN (O3)!
Существуют две точки зрения: одна — количество озона в стратосфере растет с увеличением солнечной активности, другая — с ростом активности это количество падает
Скажем сразу, окончательного ответа на вопрос о вкладе изменения солнечной активности в полученные значения ΔN (O3) пока нет. Прежде всего потому, что нет (как это ни покажется странным) ответа на основной в данном случае вопрос: как зависит общее количество озона от солнечной активности? Вопрос этот не так прост, как может показаться сначала. Ведь изменение солнечной активности (а значит, изменение интенсивности ультрафиолетового излучения) должно влиять и на образование атомов O (исходных продуктов для образования O3), и на разрушение в результате фотодиссоциации самого озона, и на температуру стратосферного газа (которая через активность химических реакций влияет на распределение [O3]), и на его динамику.
Учесть все приведенные факторы, влияющие на изменение общего количества озона при изменении солнечной активности, не так легко. И вот, появились две противоположные точки зрения. Одна: озон в стратосфере растет с увеличением солнечной активности. Другая: с ростом активности количество стратосферного озона падает.
Легко видеть, что в первом случае все изменение N (O3), полученное на основе спутниковых данных, можно приписать изменению солнечной активности, о чем мы уже говорили. Во втором случае ситуация обратная. В ходе уменьшения солнечной активности в 1979—1987 гг. общее количество озона должно было бы возрасти. А поскольку этого не наблюдается, значит, его компенсировало значительное (более сильное, чем получено в наблюдениях) уменьшение N (O3) из-за антропогенных эффектов.
Как видим, существуют прямо противоположные выводы об эффектах уменьшения стратосферного озона в результате загрязнения в течение 21-го солнечного цикла. Признаемся сразу, что авторы этой книги стоят на первой точке зрения. Подтверждением ее мы считаем тот факт, что во время роста солнечной активности в 1975—1980 гг. наблюдалось увеличение общего количества озона, хотя антропогенные эффекты (если они были заметны уже тогда) могли привести лишь к его уменьшению. Какой из выводов справедлив на самом деле, мы узнаем очень скоро. Ведь сейчас, когда пишутся эти строки, идет уже 22-й солнечный цикл, который, кстати, обещает быть очень сильным. Как только появятся и будут обработаны наблюдения озона на восходящей ветви цикла, станет ясно, как ведет себя N (O3) и каков вклад солнечной активности в уже имеющиеся значения Δ N (O3).
Мы уже упоминали о том, что относительно широкие наземные наблюдения общего количества озона имеются за два с половиной предыдущих солнечных цикла. Значит, можно на основе этих данных (с учетом всех трудностей анализа N (O3) по наземным наблюдениям) провести оценки изменения N (O3) внутри цикла. Такие оценки были сделаны и показали, что в среднем по земному шару это изменение составляет около 1%. Эта величина находится на грани точности трендов общего количества озона по наземным измерениям, поэтому и она не дает нам окончательного ответа. Такой ответ будет, однако, как мы уже говорили, получен в ближайшее время. Но если пока принять, что амплитуда вариаций N (O3) в течение солнечного цикла не превышает 1%, то даже с учетом этого эффекта данные таблицы указывают на значимое уменьшение N (O3) под действием антропогенных факторов.
Пока в этой главе мы говорили исключительно о трендах общего содержания озона. Вполне уместен вопрос о том, как изменяются концентрации озона на разных высотах в стратосфере. Иначе говоря, где на каких высотах происходит падение концентрации озона, которое вызывает описанное уменьшение количества озона в столбе атмосферы?
Получить ответ на этот вопрос можно, конечно, только с помощью спутниковых наблюдений, специально нацеленных на измерение высотного распределения озона. Анализ таких данных позволил построить высотно-широтные карты, одна из которых в несколько упрощенном виде приводится на рисунке.
Изменение концентрации озона за период 1979—1986 гг. происходило по-разному на разных высотах и в разных широтных зонах
Эта карта основана на результатах измерений профилей озона с помощью ультрафиолетового спектрометра на искусственном спутнике «Нимбус-7» за период 1979—1986 гг. На карте в координатах высота — географическая широта изображены изолинии величины Δ [O3]. Последняя находилась как разность в процентах между концентрациями озона на данной высоте (средними за год) в 1986 и 1979 г.
Как видно из рисунка, изменение концентрации озона за указанный период происходило по-разному на разных высотах и в разных широтных зонах. Наибольшее уменьшение [O3] произошло на высотах 45—50 км — на 20% и более. На меньших высотах падение концентрации озона было слабее — около 15% на 40 км и 10% на 35 км. При подходе к максимуму слоя озона (ниже 30 км) эффект практически исчезает — Δ [O3] ≈ 0. На карте хорошо видна тенденция усиления эффекта при переходе от средних широт к высоким, особенно в южном полушарии.
Пример распределения концентрации озона, полученного на ракете в экваториальной области
Рассматривать рисунок необходимо совместно с высотным распределением концентрации озона.
Пример такого распределения, полученного на ракете в экваториальной области (Бразилия), приведен на рисунке. Легко видеть, что на высотах 45—50 км концентрация озона в 10—20 раз меньше, чем в максимуме озонного слоя на высоте около 27 км. Именно поэтому сильные изменения концентрации озона на больших высотах, достигающие 20% и более, не приводят к драматическим изменениям общего количества озона.
Итак, что известно сегодня об изменении общего количества озона за прошедшие десятилетия, нам ясно. Ну а что же нам несет будущее?
Самый простой ответ на этот вопрос можно дать, если взять полученную за предыдущий период скорость уменьшения N (O3) и предположить, что экологическая обстановка в стратосфере ухудшаться не будет, а потому эта скорость останется неизменной и в будущем.
Чтобы уменьшить среднее значение общего количества озона, равное 300 е. Д., на треть при тех темпах падения N (О3), которые наблюдались в 70—80-е годы, нужно около 200 лет
По наземным данным средняя скорость уменьшения общего количества озона составляла в 70—80-х годах примерно 0,5 е. Д. в год. Значит, чтобы при таких темпах уменьшить среднее значение N (O3) ≈ 300 е. Д. на треть (до 200 е. Д.) нужно около 200 лет. Срок большой, если мыслить масштабами одной человеческой жизни, но совсем небольшой в масштабах человечества в целом.
Модели и прогнозы
Было бы, однако, неоправданным оптимизмом полагать, что экологическая обстановка действительно останется неизменной. Пока не приняты специальные меры (а нам остается только уповать на то, что они будут приняты в ближайшее время), количество выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ (в том числе и принадлежащих к разрушителям озона) неуклонно растет. Как же при этом будет меняться количество озона в ближайшие годы и десятилетия?
Для ответа на этот вопрос нужно, очевидно, построить модель, описывающую поведение озона и учитывающую все процессы, на это поведение влияющие. Затем взять тот или иной прогноз изменения количества выбросов загрязняющих веществ на обозримое будущее и рассчитать с помощью указанной модели количество озона в новых условиях.
Принципиально все понятно и просто — «гладко на бумаге». Но количество «оврагов» на этом пути велико. Кратко расскажем о некоторых из них.
Прежде всего, построение даже чисто фотохимической модели — дело далеко не простое. Если мы хотим иметь надежную модель, достаточно чувствительную к изменениям количества выбросов загрязняющих веществ, мы должны по возможности учесть все химические реакции с участием всех членов каждого из трех семейств NOx, HOx, ClOx. Список таких реакций уже сейчас очень обширен (несколько сотен), и нет гарантии, что между многочисленными активными соединениями азота, водорода и хлора в кислородной среде, каковой является воздух, не идут другие, пока неизвестные нам процессы. Да и с рядом уже известных процессов есть трудности — недостаточно надежно измерены в лаборатории их скорости.
Положение еще больше осложняется тем, что мы пока мыслим в рамках обычной газовой химии (гомогенной). Иначе говоря, мы полагаем, что все реакции идут между атомами и молекулами, сталкивающимися в «чистом» газе. А если газ не является чистым? А если в нем много пылинок и кристаллов — твердых и относительно крупных частиц? Оказывается, химия тогда будет совсем иной. Химические реакции на поверхности твердых частиц (гетерогенные реакции) идут совсем иначе, чем гомогенные. Гетерогенная химия озонных циклов изучена пока плохо, поэтому полностью учесть ее в моделях трудно.
Таковы сложности построения чисто фотохимических моделей. Но ведь не одной фотохимией жив озон. Как мы уже говорили, на его распределение оказывают большое влияние динамические процессы. Значит, модели, призванные дать прогноз ожидаемого изменения количества озона, должны учитывать и такие процессы — вертикальный и горизонтальный перенос озона. А это значит, что модели должны включать вариации количества озона и загрязняющих веществ по широте и долготе — иначе говоря, быть двумерными или даже трехмерными (первое измерение, естественно, высота). Кроме того, необходимо учитывать изменение во времени и в пространстве скоростей переноса воздуха. Но реализация даже двухмерных (не говоря уже о трехмерных) моделей требует мощных ЭВМ и большого машинного времени.
Несмотря на все описанные здесь трудности, в мире существует около дюжины научных коллективов, занятых построением моделей (в том числе и трехмерных) стратосферного озона и выдачей на основе этих моделей прогноза изменения N (O3) на ближайшие годы. Как правило, разные исследователи задаются разными прогнозами (их принято называть сценариями) изменения количества выбросов загрязняющих веществ и, конечно, получают различные результаты.
Несколько лет назад, однако, провели сравнение прогнозов по шести моделям, созданным разными коллективами авторов, задав для всех моделей несколько (одинаковых для всех) сценариев. Оказалось, что для сценария, где выброс фреонов законсервирован на уровне 1980 г., все шесть моделей дают сходный результат — общее количество озона в новых равновесных условиях будет меньше. Величина уменьшения во всех моделях получилась разной, но лежащей в пределах 5,3—9,4%. Учитывая сложности моделирования, о которых мы рассказали выше, разброс результатов совсем небольшой.
Вот как выглядит прогноз изменения общего количества озона на ближайшие годы
Для второго сценария разброс оказался больше. В этом сценарии задавалось равновесное значение относительной концентрации хлорсодержащих веществ в стратосфере η (ClOx) =8∙10-9. Это в 3—5 раз больше, чем наблюдается сейчас. Уменьшение N (O3) при этом по разным моделям получилось в пределах 2,9—9,1%. Для еще большего увеличения количества хлора — η (ClOx) = 1,4∙10-8 — ожидаемое уменьшение N (O3) получилось равным 12—20%.
А вот как выглядит (посмотрите на рисунок) прогноз изменения общего количества озона на ближайшие годы, если мы предположим (к этому, увы, есть основания), что выброс загрязняющих веществ будет продолжать расти по сравнению, скажем, с уровнем 1980 г. Две кривые на рисунке соответствуют следующим двум сценариям. В обоих случаях предполагается рост количества метана на 1% в год и закиси азота на 0,25% в год. При этом в одном сценарии (кривая 1) предполагается увеличение выброса хлорсодержащих веществ на 1,5% в год, а в другом (кривая 2) — на 3% в год.
Из рисунка следуют два очевидных вывода. Во-первых, определяющую роль в ожидаемом уменьшении общего количества озона играет хлорный цикл — именно скорость поступления в атмосферу хлорсодержащих веществ в первую очередь влияет на темпы падения N (O3) в ближайшие десятилетия. Во-вторых, при увеличении выброса фреонов на 3% в год (по сегодняшним меркам это достаточно скромная цифра) ожидаемое уменьшение N (O3) уже через несколько десятилетий будет составлять 5—10%.
Следует подчеркнуть, что изменение ΔN (O3), показанное на рисунке, представляет собой среднее за год и по земному шару. Как мы уже неоднократно отмечали, эффект уменьшения N (O3) зависит от сезона и географической широты. Там, где эффект максимален (высокие широты весной), уменьшение N (O3) по описанной модели составит 3—5% уже к 2015 г.
Необходимо также отметить, что рассмотренные здесь оценки ожидаемого изменения N (O3) представляют собой пример умеренного прогноза. Среди довольно большого числа работ по этому поводу есть и более пессимистические и более оптимистические предсказания. Так, при использовании одного из сценариев увеличения NOx, HOx, ClOx получилось даже, что эффекты разных циклов не только взаимно уничтожат друг друга, но и приведут к середине следующего столетия к небольшому росту общего количества озона (на 1—2%). Зато согласно другим оценкам уменьшение N (O3) в среднем за год и по земному шару составит (сравните с рисунком) около 10% уже к 2035 г.
Итак, на сегодня положение дел с трендами общего количества озона таково. По наземным наблюдениям за два предыдущих солнечных цикла получена тенденция уменьшения N (O3) примерно на 0,2—0,3% в среднем за год и по Земле в целом. Эффект уменьшения N (O3), видимо, максимален в зимне-весенний период и в области широт 53—65°. Измерения со спутников в целом подтверждают тенденцию уменьшения N (O3) и зависимость эффекта от сезона и широты, однако эти измерения пока ограничены одним солнечным циклом, поэтому трудно отделить тренды, связанные с загрязнением, от эффектов солнечной активности.
Зарегистрированное на сегодня уменьшение N (O3) в среднем на 0,2—0,3% совпадает с тем, что дают для прошедших лет теоретические модели. Они же позволяют предсказать изменение общего количества озона в ближайшие десятилетия, задаваясь ожидаемым изменением концентрации различных загрязняющих веществ из антропогенных источников. При реальных пока темпах увеличения выбросов загрязняющих веществ эти модели предсказывают существенное (до 10% и выше) уменьшение N (O3) уже через 30—50 лет.
Очевидно, что только немедленное сознательное и всеобщее (на уровне международных соглашений и законов) резкое уменьшение выбросов в атмосферу вредных для озона веществ может не дать осуществиться этим мрачным для человечества прогнозам.
Необходимость подобных срочных мер подтверждается также тем, что в последние годы наблюдается явление, при обсуждении которого речь идет об уменьшении N (O3) уже не на проценты через десятки лет, а в несколько раз и уже сейчас. Это явление — пресловутая «озонная дыра».
Источник: А.Д. Данилов, И.Л. Кароль. Атмосферный озон — сенсации и реальность. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991