Как ученые ИПФ РАН изучают озоновый слой
16 сентября отмечается Международный день охраны озонового слоя. Эту дату утвердила Генеральная Ассамблея ООН еще в 1994 году. Озоновый слой защищает все живое на нашей планете от жесткого ультрафиолетового излучения. Сохранение защитной оболочки Земли на сегодняшний день продолжает оставаться одной из актуальных научных проблем, и поисками ее решения занимаются научные коллективы по всему миру. В преддверии праздника мы поговорили с сотрудниками отдела физики атмосферы и микроволновой диагностики ИПФ РАН. Они рассказали о «хороших» и «плохих» качествах озона, о состоянии озонового слоя в нашем регионе, о том, «зарастет» ли антарктическая озоновая дыра.
Точный путь к «высокоатмосферным» ветрам
Большая часть молекул озона в атмосфере Земли сосредоточена в стратосфере, на высотах от 20 до 40 км. Однако измерения динамики концентрации озона на больших высотах (в мезосфере) может принести очень важную информацию о других характеристиках атмосферы, которые «напрямую» измерить не удается. Один из таких «высотных» озонометрических комплексов находится в Институте прикладной физики РАН. Здесь, в Нижнем Новгороде, разработан полностью автоматизированный спектрорадиометрический комплекс с центральной частотой 110.836 ГГц и высоким спектральным разрешением (~60 кГц), предназначенный для непрерывных пассивных измерений вертикального профиля концентрации озона. В течение последних трех лет нижегородские ученые подняли доступную исследованиям высоту с 70 до 80 км. А что еще важнее, смогли в натурных условиях измерить центральную частоту спектра излучения озона с самой высокой точностью в мире. Эту величину теперь можно занести в Международную базу данных спектроскопических параметров HITRAN.
Почему так важно определить центральную частоту спектра излучения озона? Потому что по ее смещению по частоте можно судить о горизонтальных перемещениях масс воздуха на большой высоте, их скорости и направлении. И это достижение нижегородских физиков становится основой для создания новых приборов, способных измерять «высокоатмосферные» ветра, которые сейчас «невидимы» для ученых.
Физики ценят озон также за то, что еще выше, на высотах около 80-100 км, он выступает хорошим индикатором, по которому можно изучать пока не измеряемые характеристики самых верхних слоев атмосферы. На таких высотах информативные данные по озону получают со спутников. И уже по ним специалисты, в том числе в ИПФ РАН, изучают суточные и сезонные распределения различных параметров газообразной оболочки Земли.
Затягивается ли антарктическая озоновая дыра?
Истончение озонового слоя над Антарктидой, или появление так называемой озоновой дыры, зафиксировали в начале 1980-х годов. Причиной его разрушения стали галогенсодержащие соединения, применявшиеся в различных сферах: от производства аэрозолей и пен до холодильной промышленности и уничтожения насекомых. Например, фреоны безопасны для человека и долго сохраняют свои рабочие свойства в холодильниках. Попадая в атмосферу, они достигают с потоками воздуха тропических широт и поднимаются выше максимума озонового слоя. Там фреоны попадают в агрессивную ультрафиолетовую среду и разлагаются на соединения, которые «губят» озон. Процесс перемещения фреонов протекает медленно, он стал понятен примерно через 30 лет от начала массового выпуска подобных аэрозолей.
После того как люди осознали глобальную проблему и чем она грозит, в 1987 году был принят Монреальский протокол о защите озонового слоя Земли. Более 200 стран начали поэтапно отказываться от разрушающих озон химических веществ. И звучат прогнозы, что большая озоновая дыра над Антарктидой, затрагивающая Австралию и часть Южной Америки, полностью исчезнет примерно к 2060 году. «Есть признаки, что озоновый слой прекратил истончаться. Но процессы, происходящие в атмосфере, нелинейны, – комментирует Александр Фейгин, доктор физико-математических наук, заместитель заведующего отделением геофизических исследований ИПФ РАН, заведующий лабораторией микроволновых методов диагностики. – Выпуск озоноразрушающих аэрозолей увеличивался, но ученые много лет не отмечали никакого вредного воздействия, а потом вдруг обнаружили дыру над Антарктидой, и затем – ее быстрый рост. Поэтому при сокращении производства таких веществ, скорее всего не будет плавного «зарастания» озоновой дыры. Кроме того, мы не знаем, как отразятся на этом процессе изменения климата, влияние парниковых газов. Они-то как раз, нагревая воздух у поверхности Земли, приводят к охлаждению верхних слоев атмосферы. В результате запускаются уже другие механизмы, поддерживающие разрушение озонового слоя даже в условиях пониженных содержаний веществ, запрещенных Монреальским протоколом. Химическая и климатическая системы влияют друг на друга, и влияют нетривиально. Это клубок сложных взаимодействий многих факторов».
«Нижегородские» озоновые дыры
Спектрорадиометрический комплекс ИПФ РАН продолжает постоянно мониторить стратосферный озоновый слой над Нижегородским регионом. Например, с его помощью отслеживают, как в верхних слоях атмосферы проявляются выбросы частиц или электромагнитного излучения при вспышках на Солнце. Но влияние этих явлений на озоновый слой довольно слабое. В средних широтах толщина озонового слоя не вызывает опасений.
Однако локальные и краткосрочные истончения озонового слоя иногда можно наблюдать и над нашим регионом. «Нижегородские озоновые аномалии живут сравнительно недолго, от нескольких часов до нескольких дней. – рассказывает Михаил Куликов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией атмосферных исследований ИПФ РАН. – У этого явления несколько другая природа. Циркумполярный вихрь, вращающий холодные массы вокруг Северного полюса, обедненные озоном, может смещаться в сторону нашего региона. Кроме того, весной он разрушается и разделяется на небольшие части. Они могут заносить в наши края воздух со сниженным содержанием озона в это время. Но, во-первых, дефицит озона в этих массах в среднем не настолько критичен, как над Антарктидой, а во-вторых, живут такие «дыры» не более нескольких дней. С 1990-х годов мы отмечали их всего несколько раз».
В Нижегородской области, как и в других регионах, бывают озоновые смоги. Они возникают из-за химических реакций между загрязнителями воздуха, такими как оксиды азота и летучие органические соединения, под действием солнечного света. Их источниками обычно являются транспорт, промышленность, пожары. Например, очень много озона выделилось в атмосферу во время лесных пожаров 2010 года.
В отличие от озона стратосферы, приземный озон в больших концентрациях опасен для людей, животных и растений, а также способствует повышению парникового эффекта. В России и во Всемирной организации здравоохранения он отнесен к первому классу опасности вредных веществ. Сотрудники ИПФ РАН считают, что необходима система полноценного регионального мониторинга содержания этого газа в воздухе над крупными предприятиями и крупными автотрассами.