Озонный слой над Москвой. Результаты зондирования на миллиметровых радиоволнах
Слой атмосферного озона предохраняет жизнь на Земле от губительного воздействия биологически активной части ультрафиолетового излучения Солнца с длинами волн 280-320 нм (1нм=10-9 м), так называемого УФ-Б излучения. В связи с появившимися сообщениями об аномальных явлениях в озонном слое: образовании антарктической озонной "дыры", наметившемся глобальном истощении озона - крайне важно знать, в каком состоянии находится этот защитный слой над густонаселенными регионами, крупными городами, над Москвой. Установленный в Москве озонометр, созданный в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), работает в диапазоне миллиметровых радиоволн и позволяет быстро определять вертикальное распределение содержания озона в стратосфере и мезосфере.
Содержание озона и его пространственно-временное распределение контролируется фундаментальными процессами, протекающими в атмосфере. Молекулы озона О3 состоят из трех атомов кислорода и рождаются в верхних слоях атмосферы в результате фотодиссоциации молекулярного кислорода О2 под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца с длинами волн короче 242 нм: О2+hv—>O+О. Свободные атомы кислорода О при взаимодействии с молекулами кислорода О2 с участием любой другой молекулы М образуют молекулы озона в реакции О+О2+М—>О3+М. Эти же свободные атомы кислорода участвуют и в естественном разрушении озона в реакциях О+О3—>2О2. Озон разрушается также более длинноволновым, ультрафиолетовым и видимым излучением Солнца, а также в каталитических циклах с участием гидроксила, окиси азота, атомов хлора и брома:
Х+О3—>ХО+О2
ХО+О—>Х+О2
-------------------
О+О3—>2О2,
где Х=ОН, NO, Cl или Br.
В результате баланса процессов рождения и разрушения озона формируется защищающий нас озонный слой. Максимум концентрации озона расположен в стратосфере и приходится на высоты примерно 15-25 км. Максимум его относительного содержания (отношение смеси озона и воздуха) приходится на высоты около 35 км. Озон относится к малым газовым составляющим атмосферы. Даже на высотах максимального относительного содержания на каждый миллион молекул воздуха приходится в среднем лишь 6-7 молекул озона. О "хрупкости" озонного слоя свидетельствует его ничтожная приведенная толщина: если собрать весь озон в слой с давлением в одну атмосферу и с температурой поверхности Земли, то толщина этого слоя составит всего около 3 мм. Тем не менее этот газ почти полностью поглощает губительное для жизни УФ излучение Солнца.
Нарисованная выше упрощенная картина формирования озонного слоя передает лишь самые общие черты. К фундаментальным процессам, ответственным за сегодняшнее состояние и эволюцию озоносферы, относятся химические процессы с существенно более широким, чем упомянуто выше, типом реакций и реагирующих веществ, процессы излучения и тепловые эффекты, динамика атмосферы. Важно также, что эти процессы не являются независимыми и при любом возмущении (например, при изменении солнечного потока, извержении вулканов и др.) проявляются обратные связи. Возникает взаимодействие различных процессов.
На пространственно-временное распределение озона, так же как и других малых газовых составляющих атмосферы, оказывает влияние такой важный фактор, как изменение температуры, от которой зависят скорости многих химических процессов, влияющих на образование и разрушение озона. Вместе с тем изменение концентрации озона в результате тех или иных возмущений само влияет на колебания температуры, поскольку озон поглощает УФ излучение Солнца, являющееся источником тепла в стратосфере. Очень важную роль в распределении озона играет динамика атмосферы, циркуляционные процессы, перенос воздушных масс, присутствие аэрозоля, сезонные изменения состояния атмосферы и др.
Наиболее эффективно образование озона идет на малых широтах, вблизи экватора, где поток солнечного излучения максимален. Однако за время жизни, от момента рождения до момента разрушения, молекула озона может быть перенесена в совершенно другую область атмосферы. Поэтому следует различать усредненные глобальные характеристики озонного слоя от локальных, присущих стратосфере над данным географическим регионом. Распределение озона очень далеко от равномерного.
До самого последнего времени жизнедеятельность человека практически не сказывалась на озонном слое. Его формирование определялось исключительно естественными причинами, рассмотренными выше. Однако за последние 50 лет ситуация изменилась кардинально. Развитие промышленности, транспорта, включая стратосферную авиацию, развитие ракетно-космической техники привело к все более возрастающему загрязнению атмосферы. Широкое производство и применение в быту и различных отраслях промышленности такого класса органических соединений, как хлорфторуглероды (ниже их будем называть ХФУ, не уточняя конкретную структуру), привели к повышенным концентрациям этих веществ в атмосфере. К ним относятся фреоны, используемые в холодильниках, кондиционерах и др.
ХФУ - продукт цивилизации. Они высокостабильны, химически инертны, нетоксичны, неспособны гореть, не растворяются в воде и поэтому не вымываются из атмосферы дождями. В нижних слоях атмосферы эти соединения могут находиться, не разрушаясь, десятки и сотни лет. Происходит накопление ХФУ в тропосфере. Основным естественным процессом их уничтожения является их разрушение как раз тем УФ излучением, которое перехватывается озонным слоем. Этот процесс (фотодиссоциация) начинается по мере того, как ХФУ попадают в верхние слои атмосферы при переносе их воздушными потоками туда, где роль озонной экранировки ослабевает. При разрушении ХФУ образуются свободные атомы хлора, которые, в свою очередь, разрушают озон в одном из упомянутых выше каталитических циклов:
Cl+O3—>ClO+O2.
Происходит губительная для озона цепь реакций:
ClO+O—>Cl+O2, Cl+O3—>ClO+O2 и т.д.
В результате образование в стратосфере одного свободного атома хлора приводит к уничтожению примерно 100000 молекул озона. Аналогичные реакции происходят между озоном и бромом, который образуется при фотодиссоциации сложных бромсодержащих молекул.
В настоящее время создана довольно полная фотохимическая теория озона. Еще в 1930 г. С.Чепменом была предложена простая теория озона в чисто кислородной атмосфере. Позднее она была дополнена учетом газофазных каталитических реакций с участием водорода, азота, хлора, брома. Исследовалась роль углеводородов, аэрозоля, реакций, протекающих в атмосфере в присутствии кристалликов льда и т.д. В последние годы особое внимание уделяется галогенуглеводородам, соединениям типа ХФУ. По различным оценкам, за весь период производства и использования соединений ХФУ, их полный выброс в атмосферу составил десятки миллионов тонн. По различным теоретическим моделям, этого количества достаточно для того, чтобы вызвать в озонном слое вполне ощутимые негативные изменения антропогенного происхождения. Они действительно начали проявляться. Возникшая проблема сохранения озонного слоя представляется одной из наиболее значимых и глобальных.
Как показывают медико-биологические исследования, обеднение озонного слоя и связанное с этим увеличение дозы вредного УФ-Б излучения могут привести к серьезному ослаблению имунной системы человека, могут вызвать рак кожи, заболевание глаз, нежелательные генетически проявления.
ОЗОННЫЕ "ДЫРЫ"
О значительном уменьшении полного содержания озона над Антарктидой в весенний период было сообщено Фарманом с сотрудниками в 1985 г.
Регулярные исследования в Антарктиде свидетельствуют о развитии аномального весеннего истощения озонного слоя. Весенняя озонная "дыра" достигла таких размеров, что она покрывает почти весь континент. При этом в течение примерно двух месяцев озон на высотах между 10 и 20 км почти полностью исчезает.
Тщательные измерения, выполненные с борта самолетов, спутников, многочисленные наземные исследования убедительно показали, что эффект разрушения озонного слоя объясняется влиянием химии хлора антропогенного происхождения, особенностями динамики стратосферы, образованием устойчивого полярного вихря в антарктической стратосфере, процессами в полярных стратосферных облаках, возникновению которых способствуют низкие температуры (до -80оС) стратосферы. В качестве иллюстрации на рис.1 представлены результаты стратосферных измерений содержания окиси хлора и озона в Южном полушарии с борта самолета во время сильного весеннего истощения озона в полярном вихре. Хорошо видно, что истощение озона происходит в области стратосферы с высоким уровнем окиси хлора. Столь же очевидна обратная зависимость между содержанием окиси хлора и озоном, зарегистрированная над Антарктидой с борта спутника UARS во время образования озонной "дыры".
Соединения ХФУ выбрасываются в атмосферу в основном в Северном полушарии, где сконцентрирована подавляющая часть мировой индустрии. Воздушные потоки разносят эти соединения в самые отдаленные области, включая атмосферу полярных областей Южного и Северного полушарий. Зимой над Антарктидой формируется громадный стратосферный вихрь, в котором накапливаются разрушители озона и который изолирует на несколько месяцев область стратосферы над этим материком от остальной ее части. Очень низкие температуры приводят к образованию полярных стратосферных облаков. Весной при воздействии солнечного излучения происходит выделение хлора и уничтожение озона. Такого же типа полярный стратосферный вихрь формируется зимой и над Арктикой. Однако важное отличие состоит в том, что арктический полярный вихрь менее устойчив, и воздух в стратосфере над Арктикой охлаждается в меньшей степени, чем над Антарктидой. Поэтому эффект весенней "дыры" над северной полярной областью проявляется не так явственно. Однако в особенно холодные зимы можно ожидать аномалий, распространяющихся на огромные пространства над Азией, Европой и Канадой. Необходимо отметить отсутствие достаточно полных и систематических наблюдений, касающихся этих возможных аномалий.
ГЛОБАЛЬНОЕ ИСТОЩЕНИЕ ОЗОНА
Вся совокупность экспериментальных данных свидетельствует о том, что имеет место глобальное истощение озонного слоя. Оно имеет определенно антропогенное происхождение. Последнее утверждение требует знания временных вариаций озонного слоя, которые могли бы быть вызваны естественными причинами, в первую очередь изменениями во времени солнечного потока. Надежные измерения этой величины появились сравнительно недавно. Изменения интегрального потока (по всем длинам волн) невелики. Они составляют десятые доли процента. Хорошо прослеживается зависимость от известных 11-летних циклов активности Солнца. Так, за период уменьшения солнечной активности 1978-1985 гг. поток убыл примерно на 0,1%. Но излучение в УФ области спектра, существенное для наработки озона, меняется гораздо сильнее по сравнению с изменением полного потока. Последний определяется в основном видимым и инфракрасным спектром. За счет изменения активности Солнца можно ожидать уменьшения и повышения глобального содержания озона в стратосфере с цикличностью примерно 11 лет и масштаба порядка 1%. Спутниковые измерения за период 1978-1985 гг. обнаруживают ожидаемое понижение содержания озона. Однако возрастание солнечной активности в последующие годы и возвращение к уровню 1978 г. не сопровождалось полным восстановлением озонного слоя. Этот факт хорошо укладывается в общую картину глобального истощения, о которой было сказано в начале этого раздела.
Поставленное перед фактом серьезной угрозы для жизни на Земле мировое сообщество оказалось вынужденным принять защитные меры. В 1987 г. был принят так называемый Монреальский протокол, по которому страны-участники обязались сократить к концу века производство и использование соединений ХФУ. В последующие годы положение усложнилось. Наблюдаемое истощение озонного слоя оказалось более быстрым, чем это представлялось. Поэтому свыше сотни стран, включая все наиболее индустриально развитые, приняли дополнительные обязательства по прекращению производства наиболее опасных соединений. Следует отметить, что даже если все эти решения будут выполнены, из-за уже имеющегося в атмосфере большого запаса соединений ХФУ и очень малой скорости их разрушения негативные последствия будут проявляться в течение десятков лет.
Вполне возможно существование и иных, пока что неизвестных механизмов, приводящих к наблюдаемым изменениям в озонном слое атмосферы, которая является чрезвычайно сложной активной системой, характеризуемой нелинейными взаимодействиями. Поэтому необходимо развитие экспериментальных и теоретических исследований различных процессов в озоносфере и выявление их взаимосвязей. Важно знать конкретные характеристики откликов озоносферы на происходящие воздействия над каждым регионом, особенно там, где расположены крупные города, имеется высокая плотность населения.
Как указывалось выше, изменения в озоносфере при действии различных физико-химических механизмов представляют собой сложную пространственно-временную картину. Необходимы регулярные наблюдения атмосферного озона, исследование вертикального профиля его содержания на различных высотах в стратосфере и мезосфере. Помимо глобальных измерений озона со спутников необходимы наблюдения озонного слоя с помощью наземных обсерваторий, обеспечивающих слежение за его состоянием. Этот контроль особенно важно осуществлять над густонаселенными регионами Северного полушария, над крупными городами.
Основная информация о вертикальном распределении озона поступает с шаров-озонозондов, высота полета которых составляет примерно до 30 км, с борта ракет, самолетов и искусственных спутников Земли. Используются традиционные наземные оптические методы, а также методы лазерного зондирования. К сожалению, явно недостаточно регулярных измерений вертикального профиля озона этими методами над нашей страной, над ее городами. В настоящее время на орбитальной космической станции "Мир" в составе модуля "Природа" установлен разработанный в ФИАН инфракрасный спектрорадиометр, с помощью которого планируются эксперименты по экологическому мониторингу атмосферы, по измерению озона и ряда других малых газовых составляющих атмосферы.
ОЗОНОМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОЗОННОГО СЛОЯ
Созданные в ФИАН озонометрические комплексы регистрируют спектр теплового излучения озона в диапазоне миллиметровых радиоволн (ММ) и обеспечивают непрерывные круглосуточные наблюдения вертикального профиля концентрации озона в труднодоступных слоях стратосферы и мезосферы на высотах примерно от 15-20 до 80 км при различных погодных условиях, в том числе в отсутствие оптической видимости при сплошной облачности. Этот наземный метод мониторинга озонного слоя является абсолютно экологически чистым, не связан с воздействием на озонный слой и с загрязнением атмосферы, как это происходит при измерениях озона с борта ракет или самолетов, и по сравнению с бортовыми методами не требует больших материальных затрат на его проведение. Отличительные особенности дистанционного зондирования озоносферы на радиоволнах делают этот метод исключительно эффективным средством наземного мониторинга озонного слоя, особенно в условиях крупных городов.
Идея метода состоит в следующем. Регистрируется тепловое радиоизлучение молекул озона на частотах одной из спектральных линий вращательного спектра с центром на частоте 142,2 ГГц (длина волны около 2 мм), расположенной в окне прозрачности атмосферы. В излучение дают вклад слои стратосферы на разных высотах с различной плотностью и различной концентрацией молекул озона. В миллиметровом спектре ширина линий определяется столкновениями молекул, то есть пропорционально плотности. Поэтому результирующий контур спектральной линии несет информацию о вертикальном распределении молекул озона. Для регистрации этой линии (пример измеренного спектра озона на рис.2) необходима приемная аппаратура высокой чувствительности и высокого спектрального разрешения, что реализовано в озонометре ФИАН. На рис.3 представлен пример восстановленного профиля озона, соответствующего спектральной линии на рис.2. Для восстановления вертикального профиля озона из измеренного спектра (обратная задача) применяются известные математические методы. Погрешности при восстановлении отдельного профиля озона не превышают 10%.
ОЗОННЫЙ СЛОЙ НАД МОСКВОЙ
Фотохимическая теория формирования озонного слоя, создаваемые численные модели, основанные на всей совокупности современных представлений о химии и динамике атмосферы, накапливаемые экспериментальные данные позволяют составить все более надежную картину глобального состояния стратосферного озонного слоя и его эволюции в ближайшем будущем. К сожалению, специфика высотно-временного распределения озона над конкретными регионами умеренных широт Северного полушария, в том числе над Москвой и Московской областью, изучена хуже.
Проводимые в ФИАН в течение последних лет систематические наблюдения позволяют выявить ряд характерных особенностей влияния динамики и химии атмосферы на изменчивость озонного слоя над московским регионом. Эти результаты проанализированы и для удобства изложения сопоставлены с известной моделью озоносферы, построенной Г.Китингом (среднемесячные вертикальные распределения озона для данного широтного пояса), и с данными аэрологического зондирования, любезно предоставленными Центральной аэрологической обсерваторией и Гидрометцентром Роскомгидромета. Оказалось, что вертикальный профиль содержания озона над московским регионом весьма чувствителен к происходящим в стратосфере физико-химическим процессам. В зависимости от особенностей этих процессов профиль озона в отдельные периоды может иметь устойчивые состояния с повышенными, пониженными или близкими к средним значениями содержания озона, а в другие периоды проявляет значительную изменчивость под их воздействием.
Проиллюстрируем это примерами. Начнем со случая спокойного, или, как называют его метеорологи, маловозмущенного состояния стратосферы. На рис.4 представлены примеры измеренных на ММ волнах в ФИАН вертикальных профилей содержания озона в спокойных условиях в стратосфере. При этом вертикальное распределение озона оказывается близким к среднему значению и не испытывает заметных изменений с течением времени (мы ограничимся иллюстрацией вариаций атмосферного озона, измеренного в дневное время на высотах ниже 60-65 км, где сосредоточен основной слой озона). Такое состояние озоносферы довольно часто наблюдается в теплое полугодие, а также и в зимний период, когда центр полярного стратосферного вихря располагается