Газовая колыбель жизни: что происходит с озоновым слоем?

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.

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.

Источники

«Химия и жизнь». И.К. Ларин. Химия озонового слоя и жизнь на Земле

Организация Объединенных Наций. Международный день охраны озонового слоя | 16 сентября. Озоновая дыра и наука

Организация Объединенных Наций. Международный день охраны озонового слоя | 16 сентября

Организация Объединенных Наций. Новости ООН. «Фантастический успех»: озоновый слой — на пути к восстановлению

Научно-образовательный портал «Большая российская энциклопедия». А.М. Звягинцев, Б.Д. Белан. Озоновый слой

Всемирная организация здравоохранения. Последствия ультрафиолетового (УФ) излучения для здоровья

«РБК». Дарья Илич. Ученые раскрыли дату полного восстановления озонового слоя

«Наука и жизнь», № 5, 2011. В.А. Юшков, П.Н. Варгин, Н.Д. Цветкова. Озоновая дыра теперь и над Арктикой

«Вестник Российской академии наук», т. 83, № 4, 2013, с. 354–358. П.Н. Варгин, А.Н. Груздев. Что происходит с озоновым слоем в настоящее время?

«Оптика атмосферы и океана», № 4, 2023. П.Н. Варгин, Б.А. Фомин, В.А. Семенов. Влияние озоновых мини-дыр в мае 2021 г. и марте 2022 г. на отдельных территориях России на приземную УФ-радиацию по данным спутниковых наблюдений и моделирования

UNEP Ozone Secretariat. Национальный доклад Российской Федерации для 12-й встречи Всемирной метеорологической организации и Программы ООН по окружающей среде (WMO/UNEP) национальных представителей по изучению озона, состоявшейся 22–24 апреля 2024 г. в Женеве (Швейцария)

Frontiers in Earth Science, 2023. Pavel Vargin, Sergey Kostrykin, Andrey Koval, Eugene Rozanov, Tatiana Egorova, Sergey Smyshlyaev, Natalia Tsvetkova. Arctic stratosphere changes in the 21^st century in the Earth system model SOCOLv4

Российская академия наук. Ларин И.К. История озона. М., 2022.

Источник изображения на превью: freepik / фотобанк Freepik

Источник изображения на главной странице: tawatchai07 (элементы изображения предоставлены NASA) / фотобанк Freepik 

Источники изображений в тексте: kjpargeter / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, wirestock / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik, kjpargeter / фотобанк Freepik.