Невидимый защитник: зачем нам озоновый слой и почему он истончается

16 сентября во всём мире отмечается День охраны озонового слоя. Этот праздник в последние годы актуален как никогда, ведь экологическая ситуация на нашей планете ухудшается день ото дня.

Что такое озоновый слой, как его охранять и что для этого делают нижегородские физики, нам рассказал кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией атмосферных исследований ИПФ РАН Михаил Куликов.

— Что такое озоновый слой? Как он образовался? Из чего состоит?

Озоновый слой — это молекулы О3 на высотах стратосферы (10-50 км). Именно там содержится примерно 90% этого вещества в атмосфере Земли. Оставшиеся 10% приходятся, в основном, на тропосферу (0-10 км) и совсем мало – на мезосферу и область мезопаузы (50-100км).

Молекула озона образуется в результате термомолекулярной реакции между атомарным и молекулярным кислородом. Поэтому формирование озоносферы началось вместе с началом образования кислородсодержащей атмосферы (около 4 млрд лет назад) и в основном завершилось несколько сот миллионов лет назад.

Озон – химически активная молекула, участвующая в большинстве атмосферных физико-химических процессов. На высотах стратосферы озон эффективно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца, нагревая эту область, что привело к возникновению тропопаузы (локального минимума температуры на высотах 10-15 км), которая, в свою очередь, заметно затрудняет обмен воздуха с нижележащей тропосферой.

Непосредственно в самой тропосфере озон выступает как сильный окислитель, существенно влияя на химический состав воздуха. На высотах мезосферы и области мезопаузы концентрация озона является одной из немногих характеристик, доступных для измерений наземными и спутниковыми приборами. Используя фотохимические связи озона с другими малыми примесями, данные измерений озона активно используются для определения неизмеряемых или плохо измеряемых важных характеристик данной области атмосферы.

— От чего озоновый слой нас защищает? Что было бы, если бы не его было?

С точки зрения влияния на биосферу наибольшее влияние оказывает стратосферный озон, защищая все живые организмы, не скрытые постоянно слоем воды, твердью или еще каким-то убежищем, от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца в диапазоне длин волн 200-315 нм.

В частности, диапазон 230-290 нм особо чувствителен для молекул ДНК клеток, повреждая их, что не дает клетке делиться, расти и приводит к ее неизбежной гибели. Неслучайно, что растительность появилась на земле примерно 400 миллионов лет назад, когда полное содержание озона достигло около 80% от нынешнего уровня.

Диапазон 280-315 нм существенно воздействует на покровы живых организмов, для человека это приводит к раку кожи, катаракте, общему снижению иммунитета.

На высотах тропосферы озон выступает как четвертый (по значимости после Н2О, СО2 и СН4) парниковый газ, а в приземном слое он негативно влияет на биосферу ввиду своей токсичности. Установлены ПДК этого вещества в воздухе, поэтому нужно быть предельно осторожными при использовании различных озонаторов для бытовых целей.

— Что истощает озоновый слой? Какие есть прогнозы на будущее? Что нужно делать, чтобы защитить озоновый слой?

Впервые вопрос о возможном истощении озонового слоя был поставлен в 70х годах в работах Крутцена, Молина и Роуланда, где были выявлены каталитические циклы гибели стратосферного озона и его потенциального предшественника (атомарного кислорода) в реакциях с участием азотных и хлорных компонент.

Кроме того, было обоснованно предположено, что хлорфторкарбоны, содержащиеся в различной бытовой химии, могут способствовать разрушению озонового слоя. Вблизи поверхности земли - это стабильные вещества с большими временами жизни, но, распространяясь на высоты верхней стратосферы, их молекулы диссоциируют под воздействием УФ солнечного излучения, что приводит к росту полного содержания хлорных компонент.

Практически одновременное обнаружение антарктической озонной дыры и принятие Венской конвенции «Об охране озонового слоя» в 1985 году привело к широким физико-химическим исследованиям всех возможных аспектов разрушения озонового слоя. Эта активность вылилась в Монреальский протокол (1987г.) «По веществам, разрушающим озоновый слой» и его последующие изменения (1990, 1992, 1997, 1999, 2016 гг.) для прекращения производства и использования большого количества веществ – источников галогенов (прежде всего, хлора и брома).

На данный момент, мы видим, что Монреальский протокол хорошо работает: содержание почти всех ограничиваемых веществ уже уверенно уменьшается или достигло максимума. По прогнозам, глобальное содержание озона и антарктическая озонная дыра вернутся на уровень 1980 г. в 2045-2060 гг. и продолжат восстанавливаться.

В настоящее время следует поддерживать и даже наращивать группировку средств наблюдений за состоянием озонового слоя и состава стратосферы в целом, контролировать синтез и использование новых, потенциально экономически выгодных веществ, осуществлять глобальный мониторинг возможных выбросов веществ, разрушающих озон, в атмосферу.

— Какие исследования, связанные с озоновым слоем вы проводите?

Наш отдел (физики атмосферы и микроволновой диагностики) уже несколько десятков лет занимается созданием наземной радиометрической аппаратуры для мониторинга озонового слоя и проводит с помощью нее длительные измерительные кампании. Сравнительно недавняя наша разработка – мобильный (вес – около 15 кг), 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 диапазоне высот от 10 до 75 км с высоким пространственно-временным разрешением.

Накопленные измерений применяются для исследования особенностей эволюции стратосферного озона в зимне-весенний период в сравнении с данными спутниковых наблюдений, реанализа и численного моделирования.

На высотах мезосферы – нижней термосферы мы занимаемся исследованием фундаментальных физико-химических связей между озоном и другими примесями и применяем эти связи для определения распределений неизмеряемых характеристик данной области атмосферы, прежде всего, по большим массивам данных спутниковых измерений, оценки качества самих спутниковых данных, выявления уникальных фотохимических осцилляций озона и других малых примесей на высотах 80-90 км.