Мониторинг озонового слоя Земли

      Ясно,  что тропики влияют  и на  внетропические  широты,  поскольку

происходит  меридиональный  перенос  тепла,  водяного   пара   и   аэрозоля.

Последние могут  способствовать образованию  облачности,  менять  альбедо  и, следовательно, температуру поверхности.   

Известно, что  солнечная активность влияет на  интенсивность  космических лучей,   запуская    конденсационный    механизм,    включающий  ионизацию

верхнетропосферных  воздушных  масс  (8  -  16  км)   такими   лучами.   Это

способствует  образованию  перистой   облачности   и   усиленному развитию

высококучевых  облаков,  изменяющему  альбедо,  и  создающего  условия   для интенсификации   динамических   процессов.   Максимум   концентрации   ионов находится на высотах 12 - 20 км  в  зависимости  от  широты  (геомагнитной), сезона и СА. На средних  широтах  максимум  ионообразования  наблюдается  на высоте около 12 км, т.е.  вблизи  тропопаузы.  Ионизация  на  таких  высотах способствует образованию множества ядер конденсации, на которых  в условиях низких температур (40...-90 С) активно  сублимируется  водяной  пар,  растут ледяные кристаллы, и формируется облачность (в основном перистая).  По-видимому,   важную   роль   в   конденсационном   механизме   играет рекомбинация образующихся при ионизации ГКЛ молекул воздуха легких  ионов, путем  присоединения  ионов  к  малым  аэрозольным  частицам,   т.н.   ядрам конденсации или ядрам Айткена, имеющим размер порядка  0,01  мкм.  Как  было установлено путем проведения серий баллонных измерений  концентраций  легких ионов  в  стратосфере  в  различных  геомагнитных  широтах  (в  т.   ч.   на геомагнитном экваторе) и интенсивности космических лучей (ГКЛ,  но  также  и СКЛ  в  период  вспышек)  это  основной  сток  образовавшихся  ионов  (а  не рекомбинация   положительных   и   отрицательных   ионов).   При    действии конденсационного  механизма  в  атмосфере   выделяется   тепловая   энергия, изменяется альбедо системы "земная поверхность - тропосфера"  для  солнечной коротковолновой  радиации, а также ИК-излучение атмосферы.   Тем   самым конденсационный   механизм   стимулирует   другие    физические    процессы,  интенсифицирующие  "усвоение"  солнечной  энергии.  Активизируемый  наиболее  энергичными ГКЛ конденсационный механизм может также влиять на зарождение  и развитие облачности на типичных уровнях в средней и нижней тропосфере  (3  - 7 км) и выделение тепла конденсации, которое может генерировать  различные типы атмосферных волн, переносящих импульс, энергию  и  вещество  при  своем распространении в атмосфере.

6.3. Солнечно-атмосферный  резонанс

    Интенсивность ГКЛ модулируется СА (глубина модуляции  достигает  30%)  и это может вызывать резонансные явления в атмосфере. Например, в  тропической области  Земли  существуют  планетарные  экваториальные  волны  Кельвина и  Россби, имеющие периоды 27 - 30, 13 - 15, 6 - 8 дней,  характерные  для  СА. При этом характерная полоса для развития таких волн составляет величины  +/- 20  градусов  относительно  экватора,  т.е.  захватывает   практически   все тропики. Характерной особенностью таких волн является перенос ими  импульса, энергии и массы (в первую  очередь  водяного  пара  -  основного  "скрытого" энергоносителя)  при  распространении  волн  вверх  и  вниз   от   источника возбуждения. Таким образом, они могут  изменять  циркуляционные  процессы  в тропосферно-стратосферных тропических  ячейках  Хэдли  (Гадлея),  увеличивая

или уменьшая транспорт влажного и бедного озоном воздуха нижней  тропической стратосферы во внетропические широты. Кроме этого, конденсационный  механизм может изменять  и  солнечный  приливный  (24-часовая  гармоника)  потенциал, увеличивая,  таким образом эффективную вертикальную  скорость  переноса  в верхней тропосфере  и стратосфере.  Классическая   приливная   теория   не учитывала,  (как  это  ясно  сейчас)  этого  важнейшего  источника,  поэтому ракетные эксперименты в экваториальной области  Индийского  океана  с  борта советского  корабля  в  период  международной  кампании  DYANA  (январь-март 1990г) сразу позволили обнаружить  существенное,  до  двух-трех  порядков, отличие экспериментально найденных величин амплитуд суточных и  полусуточных

колебаний зонального и меридионального ветра и  температуры от  теоретических в нижней и средней стратосфере. В  дальнейшем  наши  данные  по  температуре были подтверждены наблюдениями со спутника UARS (ветер не измерялся). При наблюдении внутрисуточных колебаний озонового слоя  в тропиках  мы установили зависимость этих колебаний от солнечной активности  в период  ее максимума,  косвенно  подтвердив  существование  резонансных  эффектов   при возбуждении  планетарных  экваториальных  волн  за   счет   конденсационного механизма в период.

     Проведение  широкого  фронта  научных  и  прикладных  исследований   по глобальным экологическим проблемам имеет важное политическое,  экономическое и прикладное значение, т.к. может привести к  созданию  современных  высоких технологий,  позволяющих  контролировать  и  воздействовать   на   природные процессы в нужном направлении.  А  это  и  есть  необходимое  и  достаточное условие "устойчивого" (лучше использовать термин  "регулируемого")  развития  цивилизации.

7. Озон и климат в стратосфере

Озон и климат воздействуют друг на друга. Воздействие озона на климат проявляется, прежде всего, в изменении температуры. Чем больше озона в данном объёме воздуха, тем больше тепла он удерживает. Озон является источником тепла в стратосфере, поглощая ультрафиолетовое излучение солнца и восходящее инфракрасное излучение от тропосферы. Следовательно, уменьшение количества озона в стратосфере приводит к понижению температуры. А это в свою очередь приводит к истощению озона.

истощение озона - ведёт  к снижению температуры – ведёт  к полярным стратосферным облакам  – ведёт к истощению озона

Самые крупные потери озона в Арктике и Антарктике происходят зимой и в начале весны, когда полярные стратосферные вихри изолируют воздух в своих пределах. Когда температура воздуха падает ниже -78°С, формируются облака, состоящие изо льда, азотной и серной кислот. В результате химических реакций на поверхности ледяных кристаллов в облаках выделяются хлорфторуглероды. Из-за воздействия ХФУ начинается истощение озона, и  появляется озоновая "дыра". Весной температура воздуха повышается, лед испаряется, и озоновый слой начинает восстанавливаться.

8. Разрушение озонового слоя земли хлорфторуглеводородами

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической Службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается  за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы.

 Наиболее подробным  исследованием озонного слоя  над Антарктидой был международный  Самолетный Антарктический Озонный  Эксперимент. В его ходе ученые  из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озонная "дыра". В начале 80-х по измерениям со спутника "Нимбус-7" аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона, в ней было не так велико - около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.

Это открытие обеспокоило  как ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большей опасности, чем считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере менее 0.0001%, однако, именно озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца с длиной волны l<280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б с 280<l<315 нм, наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%. Эта оценка подтверждается измерениями, проведенными в Антарктиде (правда, из-за низкого положения солнца, интенсивность ультрафиолета в Антарктиде все еще ниже, чем в средних широтах).

По своему воздействию  на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у g-излучения  длины волны он не способен проникать  глубоко в ткани, и поэтому  поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако, значительно количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом, получая большую дозу УФ облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона. Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при увеличении интенсивности жесткого УФ может серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жесткому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они. Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится, человечество легко найдет способ защититься от жесткого УФ излучения, но при этом рискует умереть от голода.

9. Что было сделано в области защиты озонового слоя

Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. Повторю, что в сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали в Монреале конвенцию, обязывающую их снизить потребление ХФУ. Согласно достигнутой договоренности развитые страны должны к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ - пропанбутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее, такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками - вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах (см. «Причины ослабления озонового щита»). Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки  новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена.

Использование фреонов  продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга  изменений климата, в фоновых условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов - концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.

10. Факты говорят сами за себя

Многие исследователи  считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные Вместе с тем, ранние прогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровня выброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упасть вдвое, возможно были слишком пессимистичны. Во-первых, дыра над Антарктидой во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -80°С. Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора.

Все это говорит о  том, что ХФУ способны вызвать  заметное понижение концентрации озона  только в специфических атмосферных  условиях Антарктиды, а для заметного  эффекта в средних широтах, концентрация активного хлора должна быть намного выше. Во-вторых, при разрушении озонного слоя жесткий ультрафиолет начнет проникать глубже в атмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему, но только немного ниже, в области с большим содержанием кислорода. Правда, в этом случае озонный слой будет в большей степени подвержен действию атмосферной циркуляции.

Хотя первые мрачные  оценки были пересмотрены, это ни в  коем случае не означает, что проблемы нет. Скорее стало ясно, что нет серьезной немедленной опасности. Даже наиболее оптимистичные оценки предсказывают при современном уровне выброса ХФУ в атмосферу серьезные биосферные нарушения во второй половине XXI в., поэтому сокращать использование ХФУ по-прежнему необходимо.