МАЛЫЕ ПРИМЕСИ В СТРАТОСФЕРЕ

Вещества, которых в атмосфере во много раз меньше, чем основных газов (кислорода, азота и др.), называют малыми примесями. Большинство из них играет очень важную роль в жизни атмосферы, несмотря на то, что их там относительно мало. Малые примеси оказывают влияние на тепловой режим атмосферы, на ее состав. Они участвуют в разрушении озона. Некоторые из малых примесей атмосферы увеличиваются за счет выбросов промышленных и бытовых установок. Поскольку они связаны с деятельностью человека, то говорят, что эти примеси имеют антропогенное, то есть связанное с деятельностью человека происхождение.

Малые примеси в стратосфере естественного происхождения следующие: молекулярный водород, водяной пар, гидроксил, метан, закись азота, окись азота, двуокись азота, азотная кислота, хлористый водород и др. Эти же примеси имеют и антропогенное происхождение. Что мы знаем о них?

Молекулярный водород содержится в тропосфере и стратосфере в незначительных количествах. В тропосфере северного полушария молекулярного водорода несколько больше, чем в южном полушарии. Видимо, это обусловлено искусственными выбросами в атмосферу (в северном полушарии таких выбросов больше). В течение года количество молекулярного водорода в тропосфере меняется незначительно, не более чем на 10 %. Концентрация молекулярного водорода увеличивается в стратосфере на высотах 27–28 км. Здесь молекулярный водород образуется в результате окисления метана. Отношение смеси его достигает (0,6–0,8) × 10-8. Глобально осредненная величина отношения смеси молекулярного водорода в тропосфере составляет 0,503 × 10-6.

В нижней стратосфере и тропосфере отношение смеси молекулярного водорода примерно одинаковое. Это значит, что на этих высотах отсутствуют высотные перепады отношения смеси молекулярного водорода.

Очень важную роль в разрушении озона играет водяной пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила ОН, которые рождаются из молекул воды и в конце концов превращаются в них. Поэтому от количества водяного пара (воды) в стратосфере зависит количество молекул гидроксила ОН, от которого в свою очередь зависит скорость разрушения озона.

Водяной пар поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Наиболее эффективно это происходит в низких (тропических) широтах. Здесь тропосфера простирается значительно выше, чем в средних и тем более в высоких широтах. Ее верхняя граница (тропопауза) в тропических широтах достигает высоты 17–18 км. На полюсах тропосфера заканчивается на высоте около 8 км. Выше этого уровня находится стратосфера. Поскольку в тропиках стратосфера находится очень высоко, водяной пар здесь эффективно проникает в стратосферу. Таким путем, то есть из тропосферы в стратосферу, поступает в продолжение года от 0,33 до 1,13 миллиарда тонн воды.

На высотах 17–18 км, где находится граница между тропосферой и стратосферой в тропиках, температура воздуха понижается до — 80оС и ниже. Воздух может содержать только такое количество водяного пара, при котором достигается условие насыщения. Остальной водяной пар вынужден образовывать водяные капли, то есть конденсироваться. Это значит, что излишки воды в тропической тропосфере выпадают в виде осадков. Это особые условия, лимитирующие количество воды в воздухе. Они реализуются именно в тропиках потому, что здесь тропосфера поднимается очень высоко, в область очень низких температур. Поэтому здесь образуется своего рода «холодная ловушка» для водяного пара. Он не только «отлавливается», но и удаляется из тропосферы в виде осадков. Но того водяного пара, который там остается, вполне достаточно, чтобы обеспечить непрерывное снабжение им стратосферы. Надо иметь в виду, что мощные конвективные облака, содержащие большое количество воды, проникают своей верхней частью в стратосферу (примерно на 4 км). Так водяной пар эффективно заносится в стратосферу.

Наиболее эффективно переносится водяной пар снизу вверх, то есть из тропосферы в стратосферу, в тех местах, где разграничивающая их тропопауза разрушена. Как известно, разрушают тропопаузу струйные течения. В этих местах водяной пар эффективно поступает в стратосферу снизу. В этих областях скорость поступления водяного пара примерно втрое больше, чем в других местах, где тропопауза цела, не разрушена.

Водяной пар не только поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Он также образуется непосредственно в стратосфере. Как уже было сказано, он образуется в процессе окисления метана. Таким путем образуется в стратосфере до 0,5 миллиарда тонн водяного пара ежегодно. Роль водяного пара в стратосфере очень велика. Поэтому проводятся непрерывные измерения его количества на разных высотах различными методами. Эти измерения позволяют нарисовать общую картину распределения водяного пара в стратосфере. Наиболее любопытной оказалась слоистая структура распределения водяного пара около высоты 25 км. Здесь были обнаружены слои толщиной в 1–2 км, в которых влажность значительно (в 2–3 раза) повышена. В полярных районах создаются условия, при которых образуются стратосферные облака.

В высоких и средних широтах водяной пар распределен по высоте по-разному. В полярных районах большое его количество находится в самой нижней части стратосферы на высотах 10–11 км. Здесь его в несколько раз больше, чем в нижней части стратосферы средних широт.

Распределение водяного пара зависит от широты не только в нижней стратосфере. Наибольшее количество водяного пара во всей стратосфере имеется в экваториальной зоне. Это естественно, поскольку здесь он наиболее эффективно поступает снизу, из тропосферы. Имеются еще две зоны, в которых водяного пара в стратосфере больше. Они расположены примерно на широтах 40о в северном и южном полушариях. Именно на этих широтах наиболее интенсивные струйные течения. Они-то и способствуют проникновению водяного пара из тропосферы в стратосферу через разрушенную ими тропопаузу.

Количество водяного пара в стратосфере меняется также с сезоном. В северном полушарии наибольшая величина отношения смеси водяного пара наблюдается в октябре (на высотах с давлением 100 — 80 мбар) и в марте на уровне 70–50 мбар. Собственно, такое изменение вполне объяснимо. Оно вызвано сезонным изменением высоты тропической тропопаузы, а также изменением с сезоном температуры в верхней части тропической тропосферы.

Водяной пар переносится от тропической зоны к средним и высоким широтам (то есть по меридиану) очень медленно. Скорость этого переноса составляет всего около 20 см/с. Поэтому на «путешествие» водяного пара от тропической зоны к средним широтам уходит несколько месяцев.

Так, в августе в тропической зоне водяного пара больше потому, что температура тропосферы на высотах 27–28 км в это время там достигает — 80оС. Но это изобилие водяного пара будет ощущаться на малых высотах в средних широтах только в октябре. На больших высотах, где атмосферное давление меньше, скорость распространения водяного пара по меридиану меньше. Поэтому на уровнях, где давление равно 70–50 мбар, августовское увеличение водяного пара в тропиках дойдет до средних широт только через полгода, то есть оно будет ощущаться только в марте. Измерения это подтверждают.

Во всех атмосферных процессах четко выявляется период, равный двум годам, то есть двухлетний период (цикл). С таким двухлетним периодом меняется высота тропопаузы. Соответствующим образом изменяется и количество водяного пара в стратосфере. Измерения водяного пара в стратосфере над Вашингтоном, начатые в 1964 году, показали, что за период до 1969 года количество водяного пара здесь увеличилось примерно в полтора раза. После 1970 года оно менялось. Увеличение водяного пара автоматически означает увеличение гидроксила ОН, который образуется из водяного пара. Далее, чем больше гидроксила, тем должно быть меньше озона, поскольку озон разрушается гидроксилом. Значит, озона должно было наблюдаться тем меньше, чем больше наблюдалось водяного пара. Однако измерения дали парадоксальные факты: количество общего содержания озона не только не уменьшилось, но даже увеличилось. Это значит, что в наших расчетах разрушения озона что-то еще не учитывается. Кстати, в тех местах на земном шаре, где на высотах 16–28 км водяного пара было больше, общее содержание озона было также увеличено. Это требует пересмотра наших представлений о механизмах разрушения озона, а главное, указывает на необходимость пополнения наших знаний о всех составляющих атмосферы и процессах, которые в ней протекают. Молекулы воды живут в тропосфере и стратосфере долго. Они за время своей жизни успевают преодолевать огромные расстояния. Образованный из молекулы воды гидроксил ОН (это своего рода «обломок» молекулы воды) живет очень недолго, всего несколько секунд. В этом виноват он сам, его чрезмерная активность, которая стоит ему жизни. Вступая в реакции с другими составляющими атмосферы, он перестает существовать как таковой — образуются новые соединения. Естественно, что в результате этого количество гидроксила меняется очень сильно и очень быстро в зависимости от условий в атмосфере и от ее состава.

Наиболее эффективно образуется гидроксил при освещенности солнечными лучами. Это вызвано тем, что под действием солнечного коротковолнового излучения образуются возбужденные атомы кислорода, которые в реакциях с молекулами воды образуют гидроксил. Измерения, выполненные как в приземном слое воздуха, так и на высотах 7 и 11,5 км, это подтверждают. Они показывают, что сразу после восхода Солнца на этих высотах резко увеличивается концентрация гидроксила. Сразу же после захода солнца она столь же быстро уменьшается (поскольку образованные молекулы гидроксила живут всего несколько секунд). Проводились также измерения количества гидроксила и в самой стратосфере. Данные этих измерений свидетельствуют о том, что концентрация молекул гидроксила в стратосфере составляет примерно 10 миллионов частиц в 1 см3. Но надо иметь в виду, что количество гидроксила очень изменчиво как во времени, так и в пространстве.

Исключительно важной малой составляющей атмосферы является метан. От его количества зависит климат на Земле. Содержание метана в земной атмосфере растет. Почему это происходит?

Метан попадает в атмосферу разными путями. Прежде всего метан в атмосфере имеет биогенное происхождение. Кроме того, значительное количество этого газа попадает в атмосферу в результате газовых выбросов. Он поступает и при разработке газовых и нефтяных месторождений. Измерения показывают, что в районах эксплуатации газовых и нефтяных месторождений концентрация метана повышена, и она сильно меняется как во времени, так и в пространстве.

Чем выше температура атмосферы, тем больше биологическая активность. Значит, тем больше метана в нижней тропосфере. Поэтому на низких широтах, где температура выше, метана в нижней тропосфере больше, чем в высоких широтах. Количество метана в нижней тропосфере меняется с сезоном. В средних широтах северного полушария наибольшее его количество имеется в марте — апреле и в августе — сентябре. От земной поверхности метан поднимается вверх, в атмосферу, и, по некоторым оценкам, в течение года от поверхности Земли уходит примерно 10 миллиардов тонн метана.

Метан образуется в естественных микробиологических процессах в застойных и почвенных водах и в кишечнике травоядных, а также в технологических процессах с включением натурального газа, сгорания биомассы и сжигания угля.

За период с 1979 по 1982 год количество метана увеличивалось со скоростью 1,8 % в год.

Количество атмосферного метана растет приблизительно с 1700 года. До этого на протяжении миллионов лет его количество было неизменным. Метан увеличивается за последние 30 лет примерно на 1 % в год. За последнее столетие отношение смеси этого газа удвоилось. В южном полушарии источников метана значительно меньше, чем в северном.

Рис. 54. Изменение количества ОН, СО и СН4 после 1960 г.

Принципиальным для будущего Земли, ее климата является вопрос о дальнейшем изменении количества метана. Будет ли оно продолжать увеличиваться и с какой скоростью? Увеличение метана происходит (и будет происходить) по двум причинам. Во-первых, его больше образуется. Все биологические источники метана, несомненно, будут функционировать более интенсивно. Во-вторых, разрушение метана происходит все менее эффективно. Это значит, что сток метана в атмосфере уменьшается. Количество метана в атмосфере связано с количеством там СО и ОН. Количество ОН имеет тенденцию уменьшаться, тогда как количество СО, как и метана, увеличивается, как это показано на рис. 54. Здесь показаны изменения, которые наблюдались в период с 1960 по 1980 год.

Тенденция этих изменений была взята за основу для того, чтобы рассчитать изменения метана за последующие 50 лет. Они будут вызывать соответствующие изменения озона. Количество метана и СО зависит от интенсивности деятельности человека, в частности от его сельскохозяйственной деятельности.

Можно рассуждать так. Если количество метана за последующие 50 лет будет увеличиваться со скоростью 1 % в год (как и сейчас), то к 2035 году его отношение смеси достигнет величины (2,9–3,0) × 10-6. Можно рассчитать, как будет уменьшаться количество ОН из-за увеличения СО. Считается, что примерно 1/3 всех источников СО (в 1985 году) находится на поверхности Земли (или вблизи нее) и обусловлена деятельностью человека. Остальные 2/3 количества СО образуются в фотохимических реакциях с СН4 и С2Н6 с ОН. Можно прикинуть (с учетом роста населения на земном шаре и развитием промышленности), что за период с 1985 по 2035 год количество СО увеличится вдвое.

Количество метана, СО и ОН очень тесно связано с количеством NОх. Это приводит к изменению озона и ОН.

Проведенные расчеты показывают, что за последующие 50 лет (до 2035 года) количество СО может удвоиться, а количество метана может возрасти от 1,6–1,7 до 2,9 × 10-18. Количество ОН зависит от принятой величины NОх. Оно может уменьшиться за этот период на 15–30 %. Возможные изменения количества метана, СО и ОН за последующие 50 лет показаны на рис. 55.

Рис. 55. Возможные изменения количества СН4, СО и ОН до 2030 г.

Рассмотрим более детально роль окислов азота. Основным источником окислов азота в стратосфере является закись азота Np. Сама по себе закись очень малоактивна. Она не реагирует с какими-либо составляющими атмосферы, малорастворима в воде и не реагирует с водой.

Закись азота образуется из связанного азота в процессе денитрификации. Этот процесс обеспечивает микроорганизмы, которые находятся в почве и океане. В этих процессах кроме закиси азота образуется и молекулярный азот. Таким путем в атмосферу с поверхности суши поступает в год около 50 миллионов тонн закиси азота. Еще примерно 10 миллионов тонн закиси азота поставляет в атмосферу океан. Образованная таким путем закись азота поднимается до самой стратосферы. На этом пути она мало разрушается солнечным излучением. Конечно, не вся закись азота достигает стратосферы. Специалисты считают, что в стратосферу добирается примерно половина закиси азота, которая образуется на суше и в океанах. Глобальная эмиссия N2О за последнее столетие увеличилась примерно на 55 %. Это показано на рис. 56.

Рис. 56. Изменение общей эмиссии N2О за последние 100 лет.

Оценено, что если концентрация N2О удвоится, то из-за этого количество стратосферного озона уменьшится на 3–5 %. За период 1976–1980 годов наблюдалось увеличение N2О на 0,2 % в год. В моделях берут 0,25 % в год. Время жизни около 150 лет в нижней атмосфере. Здесь потери идут очень медленно. В стратосфере N2О видоизменяется, часто превращается в NОх и разлагает озон (служит катализатором). Увеличение N2О будет влиять на уменьшение озона, которое создается Сlх в стратосфере.

В стратосфере из закиси азота образуется окись азота NO. Она является очень активной. Поэтому молекулы NO существуют примерно всего две минуты. Поступающая в стратосферу закись азота, по оценкам ученых, образует там ежегодно примерно 4 миллиона тонн окиси азота.

Окись азота в стратосфере очень тесно связана с двуокисью азота NO2. Основным поставщиком двуокиси азота являются промышленные установки. Там, где нет промышленного производства (например, во влажных тропиках Америки), двуокиси азота в воздухе мало. Измерения показывают, что количество двуокиси азота может увеличиваться в 10-100 раз. Это избыточное количество двуокиси азота исходит из промышленных регионов. В тропосфере двуокись азота частично вымывается осадками. Поэтому, чем выше в тропосфере, тем двуокиси азота меньше. Но все равно его достаточно, чтобы проникать в стратосферу. В стратосфере с высотой его количество меняется мало. Правда, оно сильно меняется во времени. Объемное отношение смеси NO2 специалисты оценивают величинами в диапазоне 10-8-10-9.

Под действием солнечного излучения двуокись азота диссоциирует, то есть ее молекула распадается. В стратосфере молекула двуокиси азота вступает в реакцию с атомным кислородом. При этом образуется молекула окиси азота и молекулярный кислород. Далее молекула окиси азота вступает в реакцию с молекулой озона. В результате озон разрушается, образуется молекула двуокиси азота и молекула кислорода. Таким образом, молекулы двуокиси азота играют роль катализаторов в реакциях разрушения озона.

Под действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, а также при воздействии высокоэнергичных заряженных частиц (электронов) молекулы азота (которого в атмосфере очень много) разрываются на атомы. Атомный азот тут же взаимодействует с молекулярным кислородом и образует окись азота и атомный кислород. Оба этих вещества опасны для озона.

Окислы азота исчезают в стратосфере при их соединении с молекулами гидроксила. В результате образуется соляная кислота. Эта реакция проходит только в присутствии третьего тела, которое должно принять на себя избыток энергии. Таким образом, в реакциях с образованием азотной кислоты выходят из игры не только окислы азота, но и гидроксил. Те и другие являются активными разрушителями озона. Правда, азотная кислота является своего рода резервуаром для образования окислов азота. Дело в том, что под действием солнечного излучения из молекулы азотной кислоты вновь образуются окислы азота. В среднем молекула азотной кислоты от своего образования до разрушения существует примерно один месяц. Поэтому изменчивость ее количества меньше, чем короткоживущих окиси и двуокиси азота.

Любопытно, что чем дальше от экватора (по направлению к полюсам), тем азотной кислоты в стратосфере больше. Этот рост весьма ощутим. Уже на широте 40о ее примерно в пять раз больше, чем на экваторе. Откуда берется этот избыток молекул азотной кислоты? Полагают, что они рождаются из окислов азота при их переносе от экватора в высокие широты. На высотах 20–25 км намеренно максимальное количество азотной кислоты. Иногда измерения выявляют несколько высот с максимальным количеством азотной кислоты.

Окислы хлора активно разрушают озон. Реакций с участием хлора в стратосфере имеется несколько десятков. Очень быстро взаимодействует с озоном атомный хлор. При этом образуется моноокись хлора ClO и молекулярный кислород. Далее ClO соединяется или с атомным кислородом, или же с окисью азота NO. В каждом случае высвобождается атомный хлор.

Откуда берутся атомы хлора в стратосфере? В стратосферу попадают соединения хлора, из которых и образуется атомный хлор. В одних случаях это происходит при разрыве молекул этих соединений солнечным излучением, а в других эти соединения вступают в реакции с другими (например, хлористый водород вступает в реакцию с гидроксилом) соединениями, и освобождается атомный хлор. Одновременно с образованием атомного хлора происходит его исчезновение. Он вступает в реакции с различными веществами (НО2, Н2О2, СН4, HNO3), и образуется хлористый водород.

Хлористый водород является своего рода резервуаром для образования атомного хлора, разрушающего озон. Под действием солнечного излучения хлористый водород распадается на атомы, и высвобождается атомный хлор. Атомный хлор высвобождается также при взаимодействии хлористого водорода с гидроксилом.

Хлористый водород хорошо растворяется в воде. Поэтому в тропосфере он эффективно вымывается осадками (почти полностью). В итоге из тропосферы в стратосферу через их общую границу — тропопаузу переносится очень небольшое количество хлористого водорода (всего примерно 60 тысяч тонн в год).

Значительное количество хлористого водорода выбрасывается в стратосферу после крупных вулканических извержений. Продукты извержения вулканов достигают высоты 18–20 км. Большие извержения вулканов происходят примерно один раз в три года. Так, в марте 1963 года произошло извержение вулкана Агунг. В результате в стратосферу попало почти 1,5 миллиона тонн хлористого водорода. В октябре 1947 года во время извержения вулкана Фуэго было выброшено в стратосферу примерно 260 тысяч тонн хлористого водорода. Специалисты оценили, что в среднем за год в стратосферу вводится от извержения вулканов примерно 1/3 миллиона тонн хлористого водорода.

Объемное отношение смеси хлористого водорода очень быстро увеличивается с ростом высоты. На высоте 25–30 км его примерно в десять раз больше, чем на нижней границе стратосферы — тропопаузе. Дальнейший рост хлористого водорода выше 30 км прекращается. Отношение смеси хлористого водорода выше этого уровня даже постепенно уменьшается.

Выбросы серы в атмосферу увеличиваются с каждым годом. На рис. 57 показано, как увеличивалось количество выбросов серы на всей Земле (в миллионах тонн в год) с 1860 года. Серная кислота образуется из двуокиси серы SO2.

Рис. 57. Увеличение количества выбросов серы на всей Земле (млн т/год) после 1860 г.

(По данным: 1 — Cullis and Hirschler; 2 — Katz; 3 — Ronson and Robbins.

Большие количества серной кислоты (1,% — 2,0 мг/л) в 1980–1982 годы наблюдались на востоке Северной Америки, на большей части Европы, в центральной части СССР, по обе стороны от Урала, на Дальнем Востоке, над Восточным Китаем, Японией, Тайванем и Филиппинами, в восточной части Южной Америки. Серная кислота эффективно выпадает с дождем и снегом. Тем не менее она распространяется в атмосфере в глобальных масштабах.

Особенно важна роль СО2. Этот газ создает в атмосфере парниковый эффект. Чем больше будет в атмосфере СО2, тем быстрее будет происходить потепление климата. Увеличение СО2 обусловлено прежде всего сжиганием ископаемого горючего. Примерно 80 % всей энергии на Земле получается именно таким путем.

Предындустриальный уровень отношения смеси СО2 составлял примерно 275 × 10-6. Увеличение СО2 с 1957 по 1985 год показано на рис. 58. Прогнозируется увеличение вдвое количества СО2 в земной поверхности во второй половине XXI столетия.

Рис. 58. Изменение концентрации СО2 (в миллионных долях по объему) с 1957 по 1985 год.

 

ФРЕОНЫ И ОЗОН

Фреоны — это собирательное название целой группы химических веществ. Название происходит от английского слова «frigor», что означает холод. Как известно, фреоны используются в холодильниках. Мы дадим здесь побольше фактического материала, различных характеристик фреонов, поскольку этот вопрос интересует не только любознательных читателей, но и практиков.

Фреоны появились на свет еще в 20-е годы. До этого в холодильных установках и кондиционерах использовали аммиак и сернистый газ. Но работать с ними было очень сложно. Во-первых, они сильно токсичны. Во-вторых, вызывают активную коррозию металлов. Аммиак к тому же и опасен. Поэтому, естественно, начались поиски других веществ. Такие вещества были найдены. Они не горючи, малотоксичны и не обладают неприятным запахом. Долгие годы все было хорошо, пока специалисты по химии атмосферы не пришли к мысли, что избыток фреонов в атмосфере (в том числе и в стратосфере) может вызывать разрушение озонного слоя. Эти опасения оказались настолько убедительно аргументированными, что в США еще с 1958 года начали сворачивать технологии с применением фреонов. Но об этом несколько позднее. Вначале приведем количественные сведения о фреонах, включая некоторые справочные данные.

Фреоны — это химические вещества, производные от метана, этана и циклобутана. В этих соединениях содержится хлор или фтор или оба этих элемента. Таким образом, фреоны являются хлорфторпроизводными указанных выше химических соединений. Технологические названия различных фреонов отличаются от их химических названий. Существует обоснованная системы их обозначений, в которой учтены основные свойства каждого типа фреонов и их химическое строение. Обозначают их буквой F (в отечественной литературе — буквой Ф), к которой добавляется двух- или трехзначное число. Числа отражают химическое строение данного типа фреона. Последняя цифра (число единиц) означает, сколько в молекуле содержится атомов фтора. Предпоследняя цифра означает количество атомов водорода (но увеличенное на один атом). Предпоследняя цифра — это число десятков. Третья с конца цифра, то есть число сотен, означает, сколько в данном химическом соединении имеется атомов углерода. Но здесь число атомов уменьшено на единицу. Кроме буквы F (Ф) и указанных цифр добавляются и буквы. Буквы «а», «в» и «с» добавляются к цифрам в том случае, если химические вещества представляют собой несимметричные изомеры. Если же вещества являются бромпроизводными, то добавляется буква «в», после которой записывается число, равное количеству атомов брома в соединении.

Хотя фреоны малотоксичны, все же при высокой концентрации их токсичность опасна. Разные фреоны обладают различной токсичностью. По классификации, действующей в США, все фреоны, в зависимости от токсичности, поделены на 6 классов. Фреоны классов 1-й и 2-й наиболее токсичны. К 3-му классу отнесены фреоны Ф-10 и Ф-20. Если их объемная концентрация достигает 2–2,5 %, то уже через час наступают тяжелые поражения или даже возможно наступление смерти. Фреоны 4-го класса менее токсичны. К этому классу относятся фреоны Ф-30 и Ф-160. При такой же объемной концентрации (2–2,5 %) вредное их действие проявляется только через 2 часа. Фреоны более высоких классов менее токсичны. Так, фреоны Ф-11, Ф-113, Ф-142, Ф-143, Ф-170, Ф-22 отнесены к 5-му классу. Если их объемная концентрация достигает 20 %, их токсичность проявляется только спустя 2 часа после начала их действия на человека. Наименее токсичные фреоны (Ф-12, Ф-13, Ф-23, Ф-115) отнесены к классу 6-му. Эти фреоны даже при концентрации больше 20 % в течение двух часов не вызывают токсичного действия.

У нас используются другие нормативы на вредность фреонов. Допустимыми концентрациями в воздухе считаются следующие. Для фреона Ф-11 это 200 мг/м3, для Ф-12 — 6000, для Ф-22 — 300 мг/м3. Допустимая концентрация в воздухе для фреона Ф-253 составляет всего 1 мг/м3, поскольку он очень токсичен. Наименее токсичен фреон Ф-С 318. Это октафторциклобутан. Для него допустимая концентрация в воздухе не ограничена, то есть не нормируется.

Как известно, фреоны используются не только в холодильных установках, но и в качестве распылителя (пропеллента) в аэрозольных упаковках. Здесь также все начиналось не с фреонов. Вначале, в 30-е годы, для этих целей использовали пропан в сжиженном состоянии или же смесь пропана с бутаном. Но эти газы очень огнеопасны, поэтому производство аэрозольных упаковок (баллонов) на их основе вскоре было прекращено. С открытием фреонов они стали успешно и во все больших количествах использоваться для этих целей. Использование фреона (Ф-12) в США для производства аэрозольных упаковок для уничтожения насекомых началось с 1941 года. Затем это новшество быстро распространилось на весь мир. Приведем перечень веществ, которые выпускаются в аэрозольной упаковке. Это: лаки, краски, освежители воздуха, полирующие и чистящие составы, инсектициды, репелленты, парфюмерно-косметические товары (лаки, шампуни, брильянтины, кремы, духи, одеколоны), технические продукты для промышленного использования — смазки для пресс-форм, эмульсии для охлаждения режущего инструмента, медицинские препараты, пищевые продукты (кремы, сбивные сливки, сиропы, соусы, заправки для салатов и многое другое). Фреоны также используют для приготовления вспенивающего средства при производстве пенопластов.

В 70-е годы производство аэрозольных упаковок достигло очень большой величины. Оно базировалось главным образом на фреонах Ф-11, Ф-12 и Ф-22. Поэтому производство этих фреонов, начиная с 40-х и 50-х годов, постепенно увеличивалось вплоть до 1973 года. В 1973 году выпуск этих типов фреонов составил 90 % общего производства фреонов.

Больше половины производимых фреонов используется в качестве распылителей в аэрозольных упаковках.

Поскольку большинство производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно без преувеличения сказать, что мировая промышленность по производству фреонов работает почти полностью на загрязнение атмосферы. Это, естественно, подтверждается измерениями на разных высотах в атмосфере.

Фреоны достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу, поскольку атмосферный газ находится в непрерывном турбулентном перемешивании. Кроме турбулентности фреон переносится вверх и упорядоченными вертикальными потоками воздуха. В стратосфере фреоны под действием ультрафиолетового излучения разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и участвуют в разложении молекул озона. Разложение фреонов происходит именно в стратосфере, а не внизу, в тропосфере, потому что для этого нужно достаточно энергичное ультрафиолетовое излучение, которое в тропосферу не доходит. Энергия излучения (квантов или фотонов) определяется длиной волны. Для того, чтобы фотоны были способны вырвать хлор из молекулы хлорфторметана, длина их волны должна быть не больше 500 нм. Но фреоны эффективно поглощают только излучение с длинами волн меньше 200 нм. В стратосфере мало поглощается солнечное излучение с длинами волн от 170 до 210 нм. Это-то излучение и освобождает хлор из фреонов. ClO, как и чистый хлор, является активным по отношению к озону. Таким образом, из одной, первоначальной молекулы фреона образуются два активных атома хлора.

Интенсивность солнечного излучения зависит от зенитного угла Солнца. Поскольку ультрафиолетовое излучение поглощается в атмосфере, то его интенсивность зависит и от высоты над поверхностью Земли. Таким образом, эффективность разрушения фреонов ультрафиолетовым солнечным излучением зависит как от зенитного угла Солнца, так и от высоты.

Когда речь идет о фреонах, которые подняты в стратосферу и там разлагаются с выделением активного хлора, то последствия этого более чем очевидны — активный хлор незамедлительно приступает к разрушению озона. Но как определить, какая доля фреонов, выброшенных в приземный слой атмосфер, поднимется в стратосферу? Конечно, часть его застревает по пути и там разлагается. Если бы фреон попадал в стратосферу и в ней не разлагался, то там происходило бы его колоссальное накопление. Но этого не наблюдается. Возникает вопрос: в каких реакциях фреон разлагается в тропосфере? Как уже говорилось, разложение его ультрафиолетовым излучением (как в стратосфере) практически исключается, поскольку нужное для этого излучение в тропосферу не проникает.

Специалистами рассматривались разные возможности для удаления фреона из тропосферы. Предполагалось, что он может хорошо растворяться в воде и таким образом с осадками (водяными каплями) вымываться из тропосферы. И действительно, в водах Мирового океана был обнаружен фреон в значительных количествах. Но оказалось, что связывается водой только фреон Ф-22. То есть он перестает быть фреоном и при испарении воды не попадает в атмосферу. Другие типы фреонов не подвержены гидролизу. Поэтому имеет место их фреоноворот: они из атмосферы попадают в воду, а затем из воды в атмосферу. Вот почему их пребывание в воде не решает проблемы, поскольку оно бывает только временным. Конечно, водяной пар — это не единственная примесь атмосферы, которая может оказывать влияние на судьбу фреонов. Таких составляющих атмосферы, несомненно, много. Плохо только, что мы пока что не в состоянии определить, какие из них эффективно взаимодействуют с фреонами. Специалисты сходятся на том, что с фреонами должны взаимодействовать различные заряженные атомы и молекулы. Для краткости их называют аэроионами («аэро» — воздух). Конечно, нельзя говорить об аэроионах вообще. Каждый из них имеет свои характеристики, одни из них взаимодействуют с фреонами, а другие нет. Из взаимодействующих одни выделяются высокой эффективностью этого взаимодействия, а другие — низкой. Поэтому сказать, что фреоны могут исчезать в реакциях с аэроионами — значит не сказать ничего. Конечно, данный механизм разложения фреонов в тропосфере обсуждается специалистами очень активно. Но, к сожалению, возможности этих обсуждений весьма ограничены отсутствием необходимой информации как о составе аэроионов, так и о скоростях (а точнее, константах) их реакций с фреонами.

Можно не сомневаться, что возможностей для разложения фреона в тропосфере очень много. Например, было установлено, что если фреон находится не сам по себе, а на поверхности частиц песка, то он может разлагаться и менее энергичным ультрафиолетовым излучением, когда он свободен. То есть в этом случае фреон может разлагаться тем ультрафиолетовым излучением, которое достигает поверхности Земли (с длиной волны больше 300 нм). Если это так, то возможности разложения фреонов имеются не только на поверхности Земли, где распространен песок, но и в атмосфере, поскольку в атмосфере находится большое количество почвенных аэрозольных частиц. Мировые пустыни (например, в Северной Африке) поставляют в атмосферу большое количество кварцевых частиц. По-видимому, сейчас еще рано говорить о том, какое количество фреонов погибает в тропосфере, не дойдя до стратосферы. Тем не менее некоторые предварительные оценки, проведенные специалистами (конечно, при большом числе предположений), имеются. Согласно им таким путем может погибать даже половина всех фреонов. Но другая половина все же остается и попадает в стратосферу. А может, в тропосфере исчезает не 50 % фреонов, а все 90 или 99 %? Отрицать сейчас такую возможность никто аргументированно не может.

Мы уже говорили о том, что озон используется специалистами в качестве трассера, что-то вроде меченого атома, наблюдая за перемещением которого можно определить, куда и как быстро двигалась вся воздушная масса, к которой вынужден двигаться озон. В 1971 году специалисты высказали идею, что таким трассером может служить не только озон, но и сами фреоны: достаточно аккуратно замерять их изменение в разных местах земного шара, и таким путем можно получать картину глобальной циркуляции атмосферы. Поскольку фреоны выбрасываются в атмосферу главным образом в северном полушарии, то в наиболее явном виде эта идея может использоваться для определения с помощью фреонов циркуляции атмосферного газа из северного полушария в южное. С 1973 года проводятся измерения количества фреонов в атмосфере как на стационарных, постоянно действующих станциях, так и на станциях с эпизодическим режимом работы.

Естественно, для проведения измерения фреонов в атмосфере необходимо было разработать соответствующие методы и создать необходимые приборы. Методы должны базироваться на тех процессах, в которых участвуют фреоны. Это прежде всего процессы поглощения света с определенной длиной волны. Так, фреоны поглощают инфракрасное излучение с длинами волн в диапазоне от 9 до 12 мкм. Измеряя интенсивность этого излучения (исходящего от Солнца), можно получать информацию о количестве фреонов на всем пути прохождения излучения. Как уже было сказано раньше, при этом получается общее содержание поглощающего вещества (в данном случае фреонов) во всем столбе атмосферы с единичным поперечным сечением. На этом же принципе можно проводить и измерения фреонов в приземном слое воздуха. Но при этом в методику измерений вводятся дополнительные элементы. В частности, заставляют поглощающийся луч света проходить многократно через воздух с определенным количеством фреона. Это устройство называется многоходовой кюветой. Имеются и другие технические возможности.

Измеряют количество фреонов и другими методами. В частности, применяется для этого классический способ — на основании анализа проб атмосферного воздуха. Но метод хроматографии, успешно применяемый для определения количества других составляющих атмосферы, которых больше, чем фреонов, здесь работает на пределе. Этот метод имеет чувствительность до 10-11-10-12. Здесь речь идет не об абсолютной величине концентрации данной составляющей атмосферы (например, фреонов), а об объемном (по отношению к озону). Так вот, количество фреонов в незагрязненной атмосфере таково, что его объемное отношение смеси находится в пределах 10-10 — 10-11. Другими словами, чтобы измерения были достоверными, необходимо повышать чувствительность измерительного прибора. Специалисты достигают этого разными путями. Одни проводят измерения газовым хроматографом в сочетании с масс-спектрометром. Масс-спектрометр позволяет сортировать, различать частицы по массам. Эта дополнительная информация и используется для повышения разрешения газового хроматографа. Другие специалисты до проведения измерений в отработанных пробах воздуха проверяют их криогенное обогащение. При этом отношение смеси увеличивается в известное число раз. Поэтому измерять его можно более уверенно. Таким путем чувствительность прибора (газового хроматографа) увеличивается примерно в 10 раз. Это крайне необходимо там, где отношение смеси фреонов малое, например в стратосфере.

Что дают измерения фоновых концентраций, которые содержатся в атмосфере? Прежде всего надо отметить, что имеется очень большой разброс данных, то есть результаты измерений очень сильно отличаются в разное время. Сильная изменчивость содержания фреонов также затрудняет анализ получаемых данных. Трудно отличить, где различие в данных вызвано реальным колебанием в концентрации фреонов в разные моменты времени, а где это обусловлено самим процессом измерений.

Можно говорить о тенденции увеличения количества фреонов в атмосфере. Уверенно регистрируются поступления фреонов в данную местность (на данную станцию) с воздушными массами из тех районов, где их больше поступает в атмосферу. Так, если к месту измерения поступают воздушные массы из густонаселенных районов и индустриальных населенных пунктов, то регистрируется большее количество фреонов. Например, в Ирландии на станции Адригола, где измеряется фоновая концентрация фреонов, часто регистрируется следующая картина. Если воздушные массы поступают из Западной Европы, то концентрация фреона Ф-11 в среднем на треть выше, нежели в том случае, когда воздушные массы поступают на станцию из Атлантики. Нет худа без добра. В таких случаях можно по концентрации фреонов делать заключение о том, откуда приходят в данную местность воздушные массы. Так делается, например, в Англии. Здесь по величине концентрации фреона Ф-11 (по ее повышению) делают заключение, что воздушные массы пришли сюда из Западной Европы.

Сильная изменчивость концентрации фреонов наблюдалась и на других станциях. Так, в течение второй половины 1973 года концентрация фреона Ф-11 менялась на 79 % на станции Мыс Барроу (Аляска), на все 134 % за этот же период на мысе Мататула (Самоа), на 78 % на Гавайских островах (станция Мауна-Лоа).

В тех местах, где фреоны непосредственно выбрасываются в атмосферу, то есть в промышленных центрах и крупных городах, концентрация фреонов значительно превышает фоновую. В крупных городах Европы это превышение может быть 50-кратным (это касается фреонов Ф-11 и Ф-12).

Конечно, концентрация фреонов в районах их источников меняется очень сильно ото дня ко дню. Это зависит от характера атмосферной циркуляции. Так, подход холодных воздушных масс действует положительно на концентрацию фреона: прохождение холодного фронта способно уменьшить в данном месте концентрацию фреонов в два раза.

 

ВЫСОТНЫЕ САМОЛЕТЫ И ОЗОН

Высокая температура достигается в камерах сгорания турбореактивных двигателей высотных самолетов. Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скорость образования окислов азота тем больше, чем выше температура, то есть чем больше мощность двигателя.

Важна не только мощность двигателя самолета, но и высота, на которой он летает и выпускает разрушающие озон окислы азота. Так, в тех двигателях, которые установлены на таких самолетах, как «Боинг-707», «Боинг-727», ДС-8, ДС-9, «Трайдент», «Каравелла», ВАС-111, на 1 кг израсходованного топлива образуется от 4 до 5,5 г окиси азота NO. Самолеты с более мощными двигателями выделяют больше окиси азота (в расчете на 1 кг топлива). Так, широкофюзеляжные самолеты типа «Локхид-1011», ДС-10, А-300 в своих двигателях образуют по 10–11 г окиси азота на 1 кг топлива. Двигатели «Олимпус-593», которые установлены на самолетах «Конкорд», побивают все рекорды. У них выделяется 18 г окиси азота на 1 кг топлива. По этой причине полеты этого сверхзвукового англо-французского самолета в США были ограничены.

Специалисты считают, что выделение окиси азота в турбореактивных двигателях может быть уменьшено в несколько раз (до 2 г/кг). Общее количество окиси азота, которое выбрасывается в атмосферу в год, оценивается в 1 миллиард тонн. Примерно треть этого количества выбрасывается самолетами выше среднего уровня тропопаузы (11 км).

Ранее был опубликован прогноз выделения окиси азота на разных высотах и расходуемого самолетами топлива на 1990 год. Мы не располагаем сейчас данными о мировом распределении, которое на самом деле имеет место. Поэтому приводим таблицу с данными этого прогноза. Они дадут читателю представление о масштабе этих выбросов.

Что касается самолетов, то наиболее вредными для озона являются выбросы военных самолетов, количество которых исчисляется десятками тысяч. Они летают преимущественно на высотах озонного слоя.

Ракеты-носители, поднимающие многоразовый корабль «Шаттл», выбрасывают в атмосферу 187 тонн хлора и его соединений, которые также вредны для озона. Одна же молекула хлора способна уничтожить до ста тысяч молекул озона. Кроме того, часть вредных для озона выбросов попадает в стратосферу сверху, поскольку «Шаттл» поднимается до высоты 52,1 км. На этих же высотах «Шаттл» выбрасывает примерно 180 тонн окислов алюминия и других аэрозолей, а также около 7 тонн оксидов азота. Оценки, выполненные специалистами, показывают, что при одном только запуске «Шаттл» способен уничтожить около 0,3 % общего содержания озона во всей земной атмосфере. Если же таких запусков в продолжение года будет 60, то будет уничтожено 18 % всего стратосферного озона. Оценки специалистов показали, что в смысле сохранения озона выгоднее использовать для вывода грузов на орбиту мощные ракеты.

На вооружении большинства стран мира имеются боевые твердотопливные ракеты. В состав их топлива входит окислитель — перхлорат аммония. Когда он сгорает, выделяются вещества, содержащие хлор. Рассчитано, что каждая тонна груза на этих ракетах сопровождается потерями озона в 9 миллионов тонн. Естественно, что запуски таких ракет надо запретить. Запуски мелких и средних ракет также нежелательны, поскольку они более вредны (на единицу выводимого груза), чем мощные ракеты. Естественно, что необходимо ограничивать число пусков ракет безопасным пределом.

 

МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ И ОЗОН

Озон в стратосфере может уменьшаться и за счет того, что в стратосферу попадает закись азота N2O, которая образуется при денитрификации связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхнем слое океанов и морей. За последние десятилетия очень резко возросло количество минеральных удобрений, вносимых в почву. В 1956 году оно составляло 3,5 миллиона тонн. В 1974 году оно увеличилось до 40 миллионов тонн. Через 10 лет, то есть в 2000 году, это количество прогнозируется равным 200 миллионов тонн. Процесс денитрификации самым прямым образом связан с количеством связанного азота в почве. Таким образом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почву минеральных удобрений будет в такой же мере увеличиваться и количество образованной закиси азота N2O. Далее, из закиси азота образуются окислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.

Как видно, схема очень простая. Но рассчитать, сколько конкретно озона будет разрушено именно таким путем, очень непросто. Ведь не вся образующая закись азота поднимается в стратосферу и образует там окислы азота. Часть закиси азота N2O бактериями снова разлагается с образованием молекулярного азота. Но какова скорость этого процесса, чем она определяется? Видимо, она зависит от условий, в частности от типа почвы, влажности и т. д. Исследования, проведенные американскими специалистами в штате Айова, показали, что в этих почвах почвенные бактерии восстанавливают закись азота до молекулярного азота очень даже быстро. Но на других почвах (в Австралии) процесс идет по-иному. Здесь явно прослеживается роль увлажненности почвы. Процесс восстановления закиси азота до молекулярного азота эффективен только при сильном переувлажнении. Кроме того, этот процесс достаточно эффективен только в том случае, когда в почве содержится очень большое количество закиси азота. Конечно, этот вопрос очень непрост: играет роль не только влажность, но и кислотность почвы, а также наличие в почве тех или иных микроорганизмов. Влияют на процесс денитрификации и другие факторы. Об этом свидетельствует то, что концентрация закиси азота N2O изменяется со временем суток. Значит, имеются процессы, в которых разлагается закись азота и которые зависят от времени суток. Они являются мощными стоками для закиси азота.

 

РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНА ПРИ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВАХ

При ядерных взрывах выделяется очень много энергии в виде тепла. Это энергия огненного шара. В сильно нагретой атмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие при нормальных условиях или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона, его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этих преобразованиях окислы азота. Среди них наиболее опасной для озона (наиболее прожорливой) является окись азота NO. При повышении температуры атмосферы до 6000 К молекулярный кислород в атмосфере практически выгорает полностью. При нормальных условиях он составляет примерно 1/5 воздушной массы по весу, при температуре в 6000 К его остается всего 0,004 %. Кстати, количество молекулярного азота меняется всего на 5 %. Количество инертных газов, например аргона, не меняется. Если при нормальных условиях окиси азота в воздухе практически нет, то при температуре 6000 К она составляет примерно 1,5 %. В приземном воздухе почти отсутствует атомный кислород. При высокой температуре практически весь молекулярный кислород превращается в атомный. Его по весу становится примерно 20 %.

Почему для оценок мы взяли температуру, равную 6000 К? Потому, что именно такая температура устанавливается через несколько секунд после ядерного взрыва. При температуре в 6000 К устанавливается равновесие состояние между различными химическими составляющими воздуха. Дальше идет медленное охлаждение атмосферного газа. Кстати, видимая часть Солнца, то есть фотосфера, также имеет температуру 6000 К.

Медленное остывание огненного шара происходит только в его центральных частях. В его пограничных частях (на периферии) охлаждение происходит быстро, поскольку воздух в остальной части атмосферы, за пределами огненного шара, холодный. При быстром охлаждении предварительно сильно нагретого воздуха равновесное состояние не успевает устанавливаться. Поэтому образованная окись азота сохраняется. Сохраняются и другие химические вещества, возникшие при высокой температуре. Чем быстрее охлаждается воздух, тем больше сохраняется в нем высокотемпературных составляющих (тех, что образовались при высокой температуре). Собственно, их возникновение связано не только с огненным шаром ядерного взрыва, но и с взрывной ударной волной, в которой происходит нагрев из-за сильного сжатия газа. Естественно, после сильного сжатия газа в ударной волне ядерного взрыва происходит его быстрое расширение. Эффект его такой же — высокотемпературные продукты, в том числе окись азота, остаются в воздухе.

При ядерном взрыве примерно 1/3 энергии содержится в возникшем при этом излучении. Остальные 2/3 энергии делятся примерно поровну между энергией огненного шара и энергией ударной волны. Излучение ядерного взрыва также приводит к образованию окиси азота. Это происходит прежде всего потому, что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакцию с другими составляющими воздуха и образуют окислы азота.

Возникает естественный вопрос: насколько важен этот источник окислов азота в атмосфере. Приведем некоторые оценочные цифры. В 1962 году, который в этом плане считают «рекордным», было произведено ядерных взрывов общей мощностью в 213,5 мегатонны (Мт). За этот год в атмосфере только в результате ядерных взрывов образовалось больше 1 миллиона тонн окислов азота. К этому количеству надо добавить то, которое образовывалось во все другие годы, хотя мощность ядерных взрывов была меньше. Так, за период с 1952 по 1971 год в результате ядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 миллионов тонн окислов азота. Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадают на разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химические реакции с участием озона, приводя к его разрушению.

И хотя договор о запрещении ядерных взрывов в атмосфере был подписан в 1963 году, последствия ядерных испытаний сказываются до сих пор. Кроме того, в результате подземных взрывов продукты, разрушающие озон, пусть в меньших количествах, поступают в атмосферу и продолжают вступать в реакции, уничтожающие озон.

 

СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА И ОЗОН

Закись азота обнаруживается и в дымовых газах электростанций. Собственно, о том, что окись и двуокись азота присутствуют в продуктах сгорания, было известно давно. Но эти высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно, загрязняют атмосферу, способствуют образованию в ней смога, но довольно быстро удаляются из тропосферы. Закись же азота, как уже говорилось, опасна для озона.

Масштаб этого явления очень значителен. Таким путем в атмосфере ежегодно образуется примерно 3 миллиона тонн закиси азота! Эта цифра говорит о том, что этот источник разрушения озона существенный. Правда, надо всегда иметь в виду, что приводимые цифры расчетные. И даже если они более-менее верные, не ясно до конца, куда девается вся закись азота из тропосферы, то есть как долго она там живет, какая ее часть успевает за время жизни подняться в стратосферу и принять участие в разрушении озона.

Время жизни закиси азота в тропосфере точно не известно. Его оценивают и в 8 лет, и в 200 лет. Ясно, что чем дольше существует закись азота, тем больше у нее времени добраться до озонного слоя в стратосфере и принять участие в его разрушении. Но поскольку расчетные оценки, опирающиеся на время жизни закиси азота, будут различаться в 25 раз, то желательно основываться не только на расчетах, но и на наблюдениях.

В тропосфере и стратосфере проходят сотни химических реакций, которые прямо или косвенно оказывают влияние на содержание озона. Поэтому определить, какой вклад в разрушение озона вносит именно данное химическое соединение, — дело очень сложное. Одно дело — установить, что данное вещество может оказывать влияние на процесс разрушения озона, и совсем другое дело определить его конкретный количественный вклад в это разрушение. Последнее сделать трудно потому, что нет полной информации о всех химических соединениях, которые участвуют в этих реакциях, об условиях, при которых протекают эти реакции, и о константах этих реакций. Поэтому при любых расчетах реальную ситуацию приходится упрощать (причем сильно!), и мы никогда не можем быть уверенными, что вместе с водой не выплескиваем и ребенка. Поэтому очень нужен контроль расчетных данных. Таким контролем могут служить только данные наблюдений, то есть сама действительность. Данные каких наблюдений для этого пригодны?

Так, мы не можем наблюдать изменения количества озона, которое обусловлено выбросом в атмосферу дыма электростанций. Лучше в этом плане обстоит дело с такими воздействиями, которые значительно меняются во времени. Тогда можно следить за тем, будет ли так же меняться во времени количество озона. Количество ядерных взрывов в разные годы было разным. Если они оказывают влияние на разрушение озона, то это должно бы наблюдаться. Что имеется на самом деле?

Как уже говорилось, наиболее рекордными по общей мощности взрывов были годы 1961-й и 1962-й. В результате ядерных взрывов в 1961 году в стратосферу поступило дополнительно 600 тысяч тонн окислов азота, а в 1962 году — все 1 100 тонн. Считается, что естественным путем в стратосфере в течение одного года образуется примерно 1 600 тысяч тонн окислов азота. Таким образом, в 1962 году только в результате ядерных взрывов в стратосферу было введено почти столько же окислов азота, сколько их образуется там естественным путем. Раз окислы азота приводят в конце концов к разрушению озона, то естественно было бы ожидать, что после ядерных взрывов 1962 года стратосферного озона останется намного меньше, чем это было до взрывов. Но, как это ни парадоксально, никакого уменьшения озона, которое последовало бы после ядерных взрывов 1962 года, не было обнаружено. Мало того, изменения свидетельствовали об обратном, количество озона в этот период не только не уменьшилось, но даже увеличилось.

Для такой проверки использовались и два французских ядерных взрыва. Один из них, мощностью 1 Мт, был проведен 30 мая 1970 года. Второй, мощностью 2 Мт, был осуществлен 4 июля 1970 года. Общее содержание озона как до указанных взрывов, так и после их проведения, измерялось с помощью аппаратуры, установленной на спутнике «Нимбус-IV». Результат наблюдений оказался тем же — уменьшения общего содержания озона не наблюдалось.

После этого у читателя должен возникнуть естественный вопрос: зачем описывать возможный механизм разрушения озона (ядерные взрывы), если на самом деле наблюдения показывают, что такой механизм «не работает»? Но вопрос на самом деле не так прост, как это кажется на первый взгляд. Если даже при теперешних условиях в стратосфере этот источник разрушения озона по какой-то причине малоэффективен, тем не менее он может оказаться важным при возможных других условиях. Мы своей деятельностью меняем тропосферу и стратосферу непрерывно, внося в нее миллионы тонн новых веществ. Тем самым меняются и те реакции между химическими соединениями, которые там происходят. Поэтому в любой день количество может перейти в качество — могут создаться такие условия, при которых каждый из механизмов разрушения озона, которые были описаны выше, может стать определяющим, роковым для озона. Поэтому ни один из описанных выше источников веществ, которые приводят к разрушению озона в стратосфере, не следует сбрасывать со счетов. При каждом анализе состояния дел с озоном все эти источники должны непременно учитываться.

 

ОЗОННАЯ ДЫРА НАД АНТАРКТИКОЙ

О значительном уменьшении общего содержания озона над Антарктикой впервые было сообщено в 1985 году Британской антарктической службой на основании анализа данных озонометрической станции Хэлли-Бей (76о южной широты). Уменьшение озона наблюдалось этой службой и на Аргентинских островах (65о южной широты).

Американские исследователи измеряли количество озона и другие характеристики атмосферы над Антарктикой с помощью аппаратуры, установленной на их озонометрической станции Мак-Мердо. Одновременно проводились измерения приборами, установленными на специальных самолетах, базировавшихся в Пунта-Агенас (Чили) и проводящих полеты над Антарктикой в 1987 году. Аппаратура позволяла измерять не только озон, но и малые примеси в атмосфере, от которых в той или иной мере зависит судьба озона. Это H2O, ClO, OClO, ClONO2, HCl, BrO, HF, NO, NO2, HNO3, NO4, N2O, CH4, CCl4, CH3CCl и фреоны 11 и 12.

Приборы, установленные на самолетах, предназначались также для измерения частиц аэрозолей. Они давали информацию о количестве частиц и их размерах, а также о составе вещества частиц. Таким образом измерялось распределение с высотой аэрозолей и их характеристики. Измерения проводились с помощью лазерной установки, размещенной на самолете, и охватывали высоты от 12 до 28 км.

Измерения проводились в весенние сезоны 1985, 1986 и 1987 годов. Вся эта исследовательская программа была названа «Глобальный тропосферный эксперимент».

С 28 августа по 29 сентября 1987 года было выполнено 13 полетов самолета-лаборатории над Антарктикой. Эксперимент позволил зарегистрировать зарождение озонной дыры. Были получены ее размеры. Исследования показали, что наибольшее уменьшение количества озона имело место на высотах 14–19 км. Здесь же приборы зарегистрировали наибольшее количество аэрозолей (аэрозольные слои). Оказалось, что чем больше имеется аэрозолей на данной высоте, тем меньше там озона. Когда самолет-лаборатория находился ближе к южному полюсу от широты 77о южной широты, он регистрировал уменьшение озона на высотах 14–19 км, равное 50 %. Ниже 14 км изменение озона было несущественным.

На антарктической станции Георг-Форст (70о 46′ южной широты, 11о 50′ восточной долготы) проводились измерения количества озона с мая 1985 по февраль 1987 года. Данные измерений показали, что весной (в сентябре) по мере развития озонной дыры главный максимум озона смещался от уровня с давлением 70 гПа до уровня 25 гПа в конце октября. При этом общее содержание озона уменьшается от 230 до 175 Д.Е. В это же время развивается вторичный максимум озона внизу, где давление равно примерно 100 гПа. По мере усиления нагревания стратосферы во второй половине октября этот вторичный максимум опускается до уровня, где атмосферное давление равно 150 гПа. Минимум озона наблюдался на уровнях с давлением 40–70 гПа. Но по мере усиления нагревания стратосферы (в октябре — ноябре) озонный максимум смещается вниз на уровни с давлением между 100 и 150 гПа. Таким образом, озонная дыра (минимум количества озона) в начале октября охватывает уровни с давлением от 100 до 25 гПа, а в декабре диапазон высот, на которых она наблюдается, расширяется. Но границы этого расширения в разные годы разные. Так, в декабре 1985 года им соответствовало атмосферное давление 200 — 55 гПа, а в декабре 1986 года — 100 — 35 гПа.

Эксперименты подтверждают тесную связь между температурой стратосферы и количеством озона. Охлаждение стратосферы коррелирует с низкими величинами озона в нижней стратосфере. В 1986 году количество озона в весенний период на ст. Георг-Форст было больше, чем в соответствующий период 1985 года. Это объясняется различным температурным режимом антарктической стратосферы весной в указанные годы.

Японские ученые рассчитали влияние температуры стратосферы на направленный вверх адиабатический поток воздуха (с озоном). Дело в том, что при определенных условиях крупномасштабными гравитационными волнами могут создаваться локализованные направленные движения тропосферного воздуха вверх, в нижнюю стратосферу. В результате такого движения образуется минимум температуры и концентрации озона, расположенный в нижней стратосфере в Антарктике. Профили зональных ветров зимой и ранней весной в Антарктике свидетельствуют о наличии там гравитационных волн. Возникают они вследствие неровностей рельефа местности и могут усиливаться в течение одного или двух дней. В результате в нижней стратосфере образуются локальный минимум температуры и направленные вверх потоки воздуха. Очень важно, что вертикальное смещение и горизонтальный масштаб возникающего таким образом температурного минимума могут быть существенно больше размеров орографии, которая вызвала эти гравитационные волны.

Скорость нагревания нижней стратосферы в Антарктике растет зимой, составляя около 0,3оС в день, а поздней зимой и весной — около 1,0оС в день. Таким образом, профили зональных ветров, которые свидетельствуют о наличии гравитационных волн, должны быть тесно связаны и с концентрацией озона. Получалось, что если средняя температура стратосферы равна 240 К, то направленный верх поток появляется на высоте 25 км. При понижении температуры до 210 К этот поток появляется ниже, около 20 км. Это происходит потому, что имеется сильная зависимость адиабатического потока от температуры стратосферы. Чем больше направленный вверх адиабатический поток воздуха (с озоном), тем больше озона переносится вверх, где он быстрее исчезает. Таким образом, чем ниже температура стратосферы, тем выше направленный вверх адиабатический поток (он захватывает более низкие уровни) и тем меньше количество озона. В результате, если от года к году температура стратосферы уменьшается, то должно уменьшаться и количество озона в стратосфере. Именно такая ситуация реализовалась в 80-е годы.

В течение многих лет проводятся измерения количества озона на японской антарктической станции Сева. Анализ этих данных показал, что наибольшее количество озона над станцией сосредоточено в относительно узком слое нижней стратосферы между 16 и 19 км. Только с наступлением лета (ноябрь в южном полушарии) эта область расширяется вверх до 22 км.

Во многих экспериментах измерялось не только количество озона и других малых составляющих атмосферы, но и температуры. Была установлена самая тесная связь между количеством озона в стратосфере и температурой воздуха там же. Оказалось, что характер изменения количества озона тесно связан с тепловым режимом стратосферы над Антарктидой.

В разные годы количество озона меняется по-разному, в соответствии с изменением теплового режима стратосферы. Так, например, в 1979 году в Антарктике имела место относительно ранняя перестройка теплового режима стратосферы, температура повысилась существенно еще до установления летнего режима температуры. Поэтому в октябре 1979 года над станцией Сева наблюдались высокие значения общего содержания озона, порядка 0,39 атм-см. Совсем иначе менялась стратосферная температура в Антарктике в следующем, 1980 году. Рост ее значительно отставал от наблюдаемого в 1979 году в те же календарные сроки. Температура достигла максимальной величины только в конце весеннего сезона. К этому времени достигло максимального значения и количество озона на высоте с атмосферным давлением, равным 50 гПа.

Образование и развитие озонной дыры в Антарктиде наблюдали английские ученые и в 1987 году. Они проводили измерения на своей антарктической станции Хэлли-Бей. Озон измерялся приборами, которые поднимались в стратосферу на шарах-зондах (баллонах). За период с апреля по ноябрь 1987 года было проведено более 60 запусков баллонов. Из них 50 проводили измерения в период развития озонной дыры с августа по октябрь.

Измерение озона в антарктической стратосфере проводилось и на четырех советских озонометрических станциях. На станции Молодежная проводились ракетные измерения высотных профилей концентраций озона одновременно с измерением общего содержания озона наземными озонометрами.

Результаты измерений общего содержания озона на станции Молодежная (68о южной широты, 45о западной долготы) наземным озонометром в период с мая по ноябрь 1987 года подтвердили существование там в весеннее время значительного понижения в общем содержании озона на высотах 14–18 км. Измерения на другой советской озонометрической станции в Антарктиде (Новолазаревская) также показали наличие озонной дыры в весенний сезон. Общее содержание озона понижалось временами до 160 Д.Е.

Были также проанализированы данные измерений озона, проводимых на третьей озонометрической антарктической советской станции — Мирный (67о южной широты, 93о восточной долготы) в период с 1979 по 1986 год. Анализ показал, что в продолжение указанного периода весенние величины общего содержания озона от года к году уменьшались. В весенний для Антарктики месяц октябрь это уменьшение достигало примерно 7 % в год. В летнее время (январь) это уменьшение было меньше, всего около 1 % в год.

Сама озонная дыра, регистрация которой проводилась на станции Мирный, характеризовалась тем, что весной общее содержание озона уменьшилось примерно на 25 %. Это средняя величина за весь период с 1976 по 1985 год. В другие сезоны уменьшение общего содержания озона, измеренное на этой стадии за указанный период, составляло 5 — 10 %. Это примерно соответствует тому, что наблюдали англичане на своей станции Хэлли-Бей, что и позволило им первыми в мире в 1985 году заявить о существовании озонной дыры в Антарктиде. О результатах наблюдений озонной дыры на советской озонометрической станции было очень кратко (в примечании) сообщено только в 1987 году. Почему?

Данные измерений показывают, что накануне образования озонной дыры, в первой декаде августа, нижняя стратосфера была спокойной. Максимальное количество озона наблюдалось на высоте 16,5 км. Оно соответствовало парциальному давлению, равному 170 нбар. В последнюю неделю августа появились первые признаки озонной дыры, то есть понижение количества озона. С 29 августа понижение парциального давления озона прогрессировало вплоть до 11 сентября, когда значительное уменьшение озона охватило нижнюю стратосферу. В последующие 10 суток (с 11 по 21 сентября) существенных изменений в высотном распределении озона приборы не регистрировали. Но после этого спокойного периода с 23 сентября распределение озона по высоте стало существенно изменяться: между уровнями с давлением 120 нбар и 50 нбар появился глубокий одинокий минимум в количестве озона. С 28 по 30 сентября этот минимум не наблюдался. И только с 7 по 13 октября количество озона значительно уменьшилось на всех высотах. Практически до конца октября приборы регистрировали очень низкие величины как горизонтального давления озона, так и отношения смеси. Последующие измерения показали, что минимум озона был ясно виден еще 23 ноября. О том, насколько изменилось количество озона, говорят такие данные измерений. До 28 августа, то есть до начала образования озонной дыры, общее содержание озона находилось в пределах 265–305 м-атм-см. В период от конца сентября до конца октября это значение упало ниже 200 м-атм-см, а в отдельные дни октября даже ниже 150 м-атм-см. Это значит, что количество озона в эти дни уменьшилось вдвое! Приборы измеряли не только общее содержание озона, но и его распределение по высоте. Эти данные измерений показывают, что уменьшение озона происходило главным образом на высотах между 13 и 22 км. В этом слое разрушается около 80 % озона, а на высоте наибольшего понижения разрушается практически весь озон. Отсюда следует очень любопытный вывод. Если в будущем разрушение озона не будет в заметном количестве происходить на других высотах, а только в указанном слое между 13 и 22 км, то общее содержание озона в последующие годы не будет уменьшаться катастрофически сильнее, чем в 1987 году, так как в этом поясе озон уже разрушится почти полностью.

По данным измерений озона на ст. Мак-Мердо (приборы поднимались на шарах-зондах), было проведено сравнение характеристик озонных дыр весной 1986 и 1987 годов. Данные измерений, полученных в 33 полетах шаров-зондов весной 1987 года, показали существенные различия в развитии и заполнении озонных дыр в указанные годы. Так, озонная дыра зарождалась в сентябре, а в октябре высота уровня с пониженным количеством озона постепенно уменьшалась. В 1986 году пониженное количество озона (озонная дыра) наблюдалось на высотах 12–20 км, тогда как в 1987 году дыра расширилась вверх до 23 км. В 1987 году озонная дыра увеличилась не только по высоте. Она, кроме того, стала глубже, то есть дефицит озона стал еще больше. Максимальное понижение количества озона наблюдалось на высоте 18 км. В 1987 году образование озонной дыры происходило более бурно и результативно, всего за 14 дней в сентябре. В 1986 году на образование дыры ушло 25 суток. В 1987 году озонная дыра не только быстрее образовалась, но и дольше существовала. Она заполнилась на 3–4 недели позднее, нежели в 1986 году.

По данным измерений на этой же станции, были сравнены концентрации малых атмосферных составляющих, которые оказывают влияние на количество озона (NO2, OClO, BrO). Измерялся, естественно, и сам озон. Проведенные измерения показали, что наибольшее количество NО2 имеется на высотах вблизи 30 км. С наступлением весны в Антарктике (в продолжение сентября) количество NО2 систематически увеличивается. Это увеличение NО не случайно совпадает с уменьшением количества озона, то есть с формированием и развитием озонной дыры. NО2 увеличивается за счет поступающего в продолжение зимы нечетного азота.

Основное количество OClO находится на тех же высотах, что и озон, то есть вблизи 20 км. Образование OClO происходит под действием солнечного излучения. Поэтому вечером его количество больше, чем утром. Различие между годами 1987-м и 1986-м состояло прежде всего в том, что в 1987 году температура стратосферы была ниже, чем в 1986 году. Поэтому там более эффективно шел процесс образования стратосферных облаков и другие процессы, способствующие уменьшению количества озона. В результате и содержание в столбе OClO в вечерние сумерки весной 1987 года было существенно больше, чем в такое же время 1986 года. Измерения BrO показали, что наибольшее его количество находится вблизи высоты 15 км. Количество BrO зависит от зенитного угла Солнца: чем больше зенитный угол, тем больше BrO.

Измерения озона проводятся с 1962 года на американской станции Южный Полюс. Измерения дают информацию как об общем содержании озона, так и о его распределении по высоте. Были проанализированы данные за весь многолетний период наблюдений. Анализ показал, что степень понижения озона на станции Южный Полюс в весенний сезон 1987 года была беспрецедентно высокой. В октябре 1987 года общее содержание озона составляло всего 141 Д.Е., тогда как средняя величина за период с 1964 по 1979 год равнялась 292 Д.Е. С наступлением лета в 1987 году восстановление озона на станции сильно задержалось по сравнению с предыдущими годами. Поэтому общее содержание озона над станцией Южный Полюс было очень низким (184 Д.Е.). Укажем для сравнения, что за 1964–1974 годы эта величина в среднем составляла 351 Д. Е. Анализ высотных профилей озона показал, что уменьшение озона в 1987 году имело место на высотах 12–22 км. Наибольшее уменьшение наблюдалось на высоте 16 км.

Детальные наблюдения озонных дыр в Антарктике были выполнены с помощью приборов, установленных на спутнике США «Нимбус-VII». Данные этих измерений показали, что понижение озона происходит в нижней стратосфере, на тех уровнях, где имеется максимум концентрации О3. Спутниковые измерения озона показали, что озонная дыра в Антарктике окружена циркумполярным максимумом озона, который приходится на широты 40–60о южной широты. Показано, что в ноябре минимум озона увеличивается и перемещается от полюса на юго-запад Тихого океана или в Южную Атлантику. Это смещение происходит по мере того, как циркумполярный максимум вторгается на полюс.

Исследовалось изменение озона в Антарктике за 1979–1987 годы. Анализ данных наблюдений показал, что характер изменения озона в последние годы (после 1983 года) не такой, как до этого. В период после 1983 года уменьшение озона значительно больше, то есть озонная дыра больше.

Американские исследователи проводили измерения в Антарктике зимой и ранней весной 1987 года озона и других малых составляющих атмосферы (HCl, HF, NO2, HNO3, ClONO2, N2O, CH4) с помощью специального спектром. Данные этих измерений позволили очертить область вокруг Южного полюса, в которой количество озона уменьшено. Оказалось, что эта область совпадает практически в точности с полярным стратосферным вихрем. При переходе через край вихря резко менялось количество не только озона, но и других малых составляющих, оказывающих влияние на разрушение озона. В пределах озонной дыры (или, другими словами, полярного стратосферного вихря) концентрация HCl, NO2 и азотной кислоты была значительно меньше, чем за пределами вихря. Это имеет место потому, что хлорины в продолжение холодной полярной ночи разрушают озон в соответствующих реакциях, выступая в них как катализаторы.

Связь озонной дыры в Антарктике с полярным стратосферным вихрем изучалась многими учеными разных стран как экспериментально, так и теоретически, на различных моделях. Идея этой связи очень наглядна и проста: наличие вихря (воронки) вокруг полюса препятствует поступлению внутрь вихря воздуха, который богат озоном, из средних широт. Таким образом, с одной стороны, озон не образуется длинной полярной ночью под действием солнечного излучения, а с другой — он разрушается благодаря наличию хлорных составляющих (примесей). Распределение хлоринов в арктической стратосфере принципиально отличается от такового в средних широтах. Данные различных измерений показывают, что в то время как суммарное содержание хлора во всех химических формах внутри полярного вихря примерно такое же, как и в средних широтах, неактивные его формы (которые не способствуют разрушению озона) переходят в значительной мере в активные, благодаря которым и разрушается озон. Измерения показали, что в областях пониженного количества озона активного вещества ClO в 10-500 раз больше, чем в обычных условиях (когда нет озонных дыр) и по сравнению со средними широтами. По-видимому, главным виновником озонной дыры является именно ClO, который оказался в стратосфере в результате человеческой деятельности. Полярный стратосферный вихрь только создает для этого соответствующие условия. Эти условия — наличие частичек полярных стратосферных облаков. Благодаря этим частицам хлорные примеси резервуара (неактивные), такие как CClONO2 и HCl, преобразуются в активный ClO.

Измерения с помощью самолета-лаборатории ЕR-2 показали, что в районе озонной дыры (внутри полярного вихря) содержание азота во всех его химических формах очень мало. Полагают, что нитраты находятся в твердой фазе и поэтому выпадают на более низкие уровни.

Что собой представляет полярный стратосферный вихрь?

Зимой над Антарктикой на высотах 10–50 км циркуляция атмосферы такова, что там доминирует высокобароклинный циклон, центр которого находится вблизи полюса. Температура стратосферы уменьшается по направлению к полюсу. Поэтому создаются сильные западные ветры на высотах, соответствующих давлению 100 гПа и выше. Эти западные ветры окружают Антарктику наподобие интенсивного течения. В период от апреля до октября, то есть в зимний сезон, в сердцевине вихря (около Южного полюса) интенсивность ветра очень мала. С другой стороны, здесь очень низкие температуры. Разрушение полярного стратосферного вихря происходит только тогда, когда увеличивается стратосферная температура, то есть примерно за месяц до равноденствия.

Летом (в декабре) в Антарктике на высотах, соответствующих давлению 100 и 50 гПа, температура примерно на 40оС выше, чем зимой. Более того, меняется перепад (градиент) температуры вдоль меридиана: он становится противоположным тому, который был зимой. А это значит, что ветры меняют направление с западного на восточное. То есть летом имеется восточный стратосферный полярный вихрь в отличие от западного зимой. Но имеется и еще одно очень важное, принципиальное различие зимнего и летнего вихрей. Оно заключается в том, что летний восточный вихрь является слабым. Поэтому он не препятствует притоку к полюсу воздушных масс, богатых озоном, из средних широт.

Исследовалась связь между временем распада западного полярного стратосферного вихря и временем начала заполнения озонной дыры в Антарктиде. Было показано, что начало распада полярного вихря самым тесным образом связано с началом заполнения озонной дыры в Антарктике. Анализировались многолетние данные о количестве озона и о циркуляции атмосферы на антарктических станциях Хэлли-Бей и Южный Полюс. В 10 случаях наблюдался ранний распад (около 10 октября) полярного западного стратосферного вихря. В эти годы максимальное в году количество озона на указанных станциях достигалось уже 12 ноября. Количество озона в максимуме достигало в этих случаях примерно 420 м-атм-см. В 17 других случаях полярный стратосферный вихрь распадался только к 8 ноября. Эта затяжка привела к тому, что озон не успевал за оставшееся время достичь таких величин, как в прежних случаях. Количество озона увеличивается после развала полярного вихря только в продолжение последних нескольких дней ноября. Но в этих случаях величина годового максимума значительно меньше и составляет только 375 м-атм-см против 420 м-атм-см при распаде вихря к 10 октября.

Если же полярный стратосферный вихрь распадается в сентябре или первых числах октября, то в полярную стратосферу поступает из средних широт воздух, богатый озоном. Поэтому понижение количества озона (озонная дыра) в этих случаях минимально.

На образование озонной дыры оказывает влияние не только длительное существование западного полярного стратосферного вихря, вследствие чего преграждается путь стратосферного воздуха из средних широт в полярную область. Исчезновение озона в полярную ночь связано с такими малыми газовыми составляющими, как HOCl, Cl2, ClNO2. Эти составляющие образуются из других составляющих, содержащих хлор и азот, которые имеются в стратосферном резервуаре практически всегда. Превращение резервуарных газовых составляющих в более активные (в смысле воздействия на озон) формы идет очень эффективно. Образованные в этих реакциях молекулы HOCl, Cl2, ClNO2 под действием солнечного излучения весной в Антарктике создают атомные соединения хлора, которые принимают участие в химическом цикле распада озона.

Как видно, во всех реакциях образуются молекулы.

Это вещество конденсирует и превращается в лед. Химические реакции на поверхности аэрозолей, то есть гетерогенные реакции, протекают эффективно на высотах 12–22 км. Скорость их зависит от поверхностной концентрации аэрозолей, от частоты столкновений между молекулами газа и аэрозольными поверхностями, HCl и H2O в виде ледяных частиц и, конечно, от вероятности этих реакций при происшедшем одном столкновении.

Количество соединений, образующихся в результате этих реакций, очень сильно зависит от того, сколько имеется в начале NOx (конкретное NO + NO2 + ClNO3 + 2N2O5). Очень важно, что скорость указанных реакций зависит от степени освещенности солнечным излучением во время этих процессов. То, что приведенные выше гетерогенные реакции выбраны правильно, подтверждают расчеты, выполненные по ним для различных условий, измеренных как самолетами-лабораториями DC-8 и ER-2, так и приборами TOMS, установленными на спутнике «Нимбус-7». Как уже говорилось, эти эксперименты проводили американские исследователи в Антарктике в периоды развития озонной дыры.

Согласно выполненным расчетам по приведенным выше гетерогенным химическим реакциям, содержание в столбе HNO3 соответствует отношению смеси, равному примерно 2,5 × 10-12 ниже 18 км на широте 70о южной широты. В полярном стратосферном вихре в том же месте отношение смеси для HNO3 составляет только 1,5 × 10-12. Эти результаты хорошо согласуются с данными измерений на самолетах-лабораториях ER-2.

Расчетное количество HCl (небольшие величины) также хорошо согласуется с данными измерений в том случае, если гетерогенные процессы протекают в продолжение всего сентября. Это условие вполне реальное.

В результате указанных гетерогенных реакций в продолжение августа должно образовываться значительное количество ClNO3, хлористых нитратов. Но для этого надо, чтобы начальные концентрации NОx зимой были примерно равными 2 × 10-12 на высоте 18 км. Но если начальная концентрация NОx зимой в два раза меньше, то хлористых нитратов (ClNO3) с наступлением весны (в августе) образуется пренебрежимо мало. Измерения показывают, что в сентябре имеется на этих высотах большое количество ClNO3. Оно может возникать по двум причинам. Во-первых, ClNO3 может образовываться в результате реакций с NO2, который образовался вследствие фотолиза азотной кислоты. Во-вторых, ClNO3 в сентябре могут быть теми молекулами, которые не превратились в активные хлорины.

Количество ClO сильно зависит от количества HNO3, скорости его фотолиза и, конечно, от других гетерогенных химических реакций с его участием.

Именно в каталитическом цикле с участием хлора (Cl2O2) происходит основное уменьшение концентрации озона (по крайней мере 80 % этого уменьшения).

Таким образом, для уменьшения озона ключевыми являются концентрации HNO2 и NOx. Но понижение количества озона не прямо пропорционально количеству NOx. При тех значениях NOx, которые характерны для условий антарктической зимы, уменьшение количества озона особенно эффективно, процесс распада озона ускоряется.

Выполненные американскими специалистами расчеты, основные результаты которых приведены выше, говорят о том, что приведенные гетерогенные реакции реально отражают процессы во время образования озонной дыры в антарктической стратосфере весной.

Приведенные выше реакции играют решающую роль в процессах, приводящих к распаду озона. Эти реакции протекают на поверхности частиц, составляющих полярные стратосферные облака. Значит, чем больше площадь этой поверхности, то есть чем больше частиц стратосферных облаков, а значит, и самих облаков, тем эффективнее образуется озонная дыра. От чего же зависит эффективность образования полярных стратосферных облаков?

Образование стратосферных облаков зависит прежде всего от температуры стратосферы в данном месте. Они формируются зимой, когда стратосферный воздух над Антарктикой сильно охлаждается из-за отсутствия солнечного излучения. Измерения подтверждают, что стратосферные облака образуются именно на тех высотах, где температура очень низкая. Весной в Антарктике температура атмосферы увеличивается на больших высотах, затем это потепление постепенно распространяется вниз. Значит, по мере развития весны высота, на которой могут образовываться стратосферные облака (там должна быть температура порядка 195 К, не менее), должна понижаться. Спутниковые измерения высоты облаков действительно подтверждают, что в начале весны в Антарктике (сентябрь и начало октября) стратосферные облака наблюдались на высоте 16 км. В последующие дни октября они наблюдались ниже.

Измерения стратосферных облаков приборами, установленными на спутниках, начали проводиться с 1987 года. Было показано, что в 1987 году они наблюдались (в то же самое время весны) выше, чем в 1985 году. Дело в том, что температура стратосферы весной 1987 года была ниже, чем весной 1985 года. Полярные стратосферные облака наиболее эффективно образуются при низких температурах, даже, лучше сказать, при очень низких температурах (около 195 К). Это, собственно, и понятно, поскольку эти облака содержат главным образом лед, образующийся при конденсации HNO3 и H2O. Частицы льда в полярных стратосферных облаках играют важную роль, так как создают очень эффективную среду для образования хлоринов из водородных хлоринов и азотных хлоринов. Изменение теплового режима может приводить к образованию Cl2 и O2, которые под действием солнечного излучения (фотолиз) распадаются на атомы. Далее они эффективно влияют на количество озона. Здесь вырисовывается очень важная для проблемы озона причинно-следственная цепочка: увеличивая количество CO2 в стратосфере, мы уменьшаем ее температуру, а значит, увеличиваем эффективность образования полярных стратосферных облаков. Это в свою очередь приводит в конце концов к уменьшению количества озона в стратосфере.

Японские исследователи анализировали полученные ими данные на станции Сева за период 1980–1985 годов с целью выяснения роли температуры стратосферы в образовании озонной дыры в Антарктике. Изучалось изменение от года к году средней для данной широты температуры средней стратосферы. Выяснилось, что температура средней стратосферы в приполярных районах Антарктики ниже, чем в Арктике, не только весной, но и во все сезоны года. В последние годы прослеживается тенденция уменьшения температуры стратосферы в Антарктике в зимний сезон, причем период этого уменьшения (то есть похолодания) от года к году удлиняется. Это, несомненно, отражается на времени существования весенней арктической озонной дыры и ее глубине, если можно так сказать.

Были проведены специальные исследования связи между образованием стратосферных облаков и увеличением СО2. Они показали, что указанная выше причинно-следственная цепочка, приводящая к понижению концентрации озона, действительно имеет место. Исследования подтверждают, что увеличение концентрации СО2 в стратосфере приводит к понижению там температуры стратосферы до того уровня, при котором эффективно образуются стратосферные полярные облака.

Авторы исследования логично заключают, что если будет продолжаться увеличение СО2, то не только в Антарктике (где температура стратосферы ниже), но и в Арктике будут достигнуты условия столь низких температур, при которых формируются полярные стратосферные облака, а значит, образуются и озонные дыры.

Чтобы выяснить роль аэрозолей в уменьшении количества озона на американской антарктической станции Мак-Мердо проводились измерения аэрозолей различных размеров в 1986 и 1987 годах. Измерения проводились с помощью приборов, установленных на шарах-зондах (баллонах) в весенне-летнее для южного полушария время (август-ноябрь). В 1986 году было осуществлено 6 полетов шаровых зондов, а в 1987 году — 12. Измерялась, естественно, и концентрация озона. Результаты этих экспериментов показывают, что с озонной дырой тесно связаны аэрозоли малых размеров, с радиусом, примерно равным 0,02 мкм. Слой таких частиц действительно наблюдался в трех полетах в октябре 1986 года над озонной дырой. Но любопытно, что в конце августа 1987 года эти частицы не регистрировались. Исследователи делают логичный вывод, что для образования этих частиц требуется солнечное излучение. Которого в августе на этих высотах еще нет, но оно имеется в октябре. Шары-зонды регистрировали также частицы, которые образовывали стратосферные полярные облака.

Для того, чтобы оценить роль не только западных ветров и стратосферных облаков (низких температур), но и малых газовых составляющих (хлорных и азотистых соединений прежде всего), проводились многократные измерения распределения этих составляющих как на разных широтах и долготах (например, вдоль полета самолета-лаборатории), так и по высоте.

Американские исследователи провели специальные одновременные измерения озона и аэрозолей нитратов. Эксперимент был выполнен в шести полетах самолета-лаборатории в период 17–30 августа 1987 года на высотах от 13,5 до 20,3 км в широтном поясе 56–72о южной широты. Данные, полученные в этих экспериментах, подтвердили правильность представления, что пары азотистой кислоты конденсируются в твердые частицы стратосферных облаков с размерами (диаметром) около 1–2 мкм. Благодаря этому NO2 переходит из газообразного состояния (газовой фазы) в твердое. При этом образуется много Clx, поскольку образованное в реакции вещество ClONO2 распадается.

Так, в рамках эксперимента по измерению озона в Антарктике с помощью летательных аппаратов (AAOE — Airborne Antarctie Ozone Experimrnt) в августе и сентябре 1987 года проводились измерения N2O с помощью двух самолетов-лабораторий (ER-2 и DC-8). Самолеты с приборами пролетали выше 20 км. Один из приборов представлял собой спектрометр, использующий излучение, создаваемое лазером. Через каждый километр вдоль траектории полета самолета-лаборатории получали величину концентрации N2O. Что показали эти измерения, проводимые внутри озонной дыры в период ее развития?

Данные измерений, полученные в этом эксперименте, показали, что внутри озонной дыры концентрации N2O значительно меньше, чем за пределами дыры. На широте 69о южной широты на высоте 18 км парциальное давление N2O составило всего 90 × 10-12. Очень важен и другой результат: за все шесть недель, пока не развалился западный полярный стратосферный вихрь, распределение N2O с высотой практически не менялось.

Японские исследователи изучали взаимосвязь между количеством N2O и озоном на своей антарктической станции Сева. Эксперименты проводились с 23 августа по 9 декабря 1983 года, во время развития и заполнения озонной дыры. С помощью специального инфракрасного спектрометра наблюдали инфракрасные солнечные спектры и по ним определяли количество N2O, CH4, CO2 и H2O. Данные измерений за период развития озонной дыры показывают, что до распада полярного западного стратосферного вихря (то есть в сентябре и октябре) количество N2O не увеличивается. Только после разрушения этого вихря в область озонной дыры приходит воздух из средних широт, богатый как озоном, так и N2O.

Проводились также измерения других малых составляющих атмосферы, в частности HCN. Результаты измерений на арктической станции Мак-Мердо в сентябре 1986 и 1987 годов сопоставлялись с аналогичными на широтах 19 и 33о северной широты (станция Мауна-Кеа на Гавайях). Время жизни HCN в стратосфере составляет примерно три года. Поэтому эта примесь атмосферы является хорошим трассером, позволяющим изучать вертикальные и горизонтальные переносы в атмосфере на разных широтах. Именно благодаря большому времени жизни эта составляющая атмосферы распределена по высоте одинаково в Антарктике и тропической зоне. Собственно, это же характерно и для другой малой составляющей атмосферы — ClO.

Наблюдения изменения количества ClO проводились на антарктической станции Мак-Мердо в 1986 и 1987 годах в весенний сезон во время образования весенней озонной дыры. В нормальных условиях больше всего ClO на высоте примерно 35 км. В условиях образования озонной дыры в 1986 и 1987 годах на высоте 20 км концентрация ClO в полдень была в 100 раз больше, чем в нормальных условиях. Таким образом, в особых условиях озонной дыры концентрация ClO имеет два максимума: один «нормальный», на высоте 35 км, и второй — на высоте 19–20 км. Такое высотное распределение называют бимодальным.

Концентрацию ClO на разных высотах измеряют в разных пунктах земного шара в разное время года в продолжение многих лет. Но ни разу не было случая, чтобы высотное распределение ClO имело два максимума, то есть было бимодальным. Такое бимодальное распределение ClO наблюдается только в Антарктике в условиях образования озонной дыры. Обратим внимание на то, что дополнительный максимум ClO находится примерно на тех же высотах, где имеется недостаток озона. Количество ClО на малых высотах очень сильно меняется в зависимости от интенсивности солнечного излучения. Поэтому оно изменяется со временем суток от восхода до захода солнца. Чем выше, тем эта суточная изменчивость ClO меньше. На больших высотах количество ClO меняется после захода солнца медленнее, чем на меньших высотах. Количество ClO в Антарктике в зимне-весеннее время самым тесным образом связано с полярными стратосферными облаками и очень низкими концентрациями NOx. Имеется обратная корреляция между ClO и NO2, то есть чем больше ClO, тем меньше NO2. При уменьшении NO2 уменьшается скорость образования ClONO2. Это имеет место на более низких высотах. В результате количество озона уменьшается.

Таким образом, ниже 22 км происходит накопление ClO и OClO и одновременно создается дефицит NO2. В результате гетерогенных реакций (с участием аэрозолей в их присутствии) и фазовых переходов изменяются и концентрации HCl, ClNO3 и HNO3. Поэтому уменьшается количество озона.

Многочисленные измерения малых составляющих атмосферы, таких как ClO, BrO, NO, H2O, N2O, в пределах антарктической весенней озонной дыры (или, другими словами, в пределах западного полярного стратосферного вихря) свидетельствуют о том, что в этой области химический состав значительно отличается от состава в других регионах, в частности в средних широтах. Это относится и к Н2О, и к хлорным и азотным составляющим.

Правомочным является вопрос, почему озонная дыра наблюдается весной в Антарктике и не наблюдается в Арктике. Как известно, озон в стратосфере образуется под действием солнечного излучения. В смысле солнечного излучения нет каких-либо различий в Арктике и Антарктике. Поэтому причину особого поведения озона в Антарктике надо искать в другом, а именно в самой атмосфере. Как мы уже знаем, на количество озона в приполярной области весной оказывает влияние полярный стратосферный вихрь. Он связан с особым распределением по широте стратосферной температуры.

Дело в том, что нижняя стратосфера южного полушария принципиально отличается от таковой в северном полушарии. Сильная зональная симметрия поверхностных условий в южном полушарии вызывает циркуляцию, которая намного более симметрична, нежели в северном полушарии. Она не разрушается под действием планетарных волн. Поэтому в южном полушарии воздух внутри полярного стратосферного вихря остается очень холодным и изолированным от воздушных масс других широт. Таким образом, особые метеорологические условия Антарктики в конце зимы и в начале весны способствуют образованию озонной дыры. Только «способствуют» потому, что озон разрушается хлорными примесями атмосферы, которые поступают сюда благодаря человеческой деятельности.

В Арктике, в отличие от Антарктики, такого стабильного, долго существующего стратосферного вихря нет. Его нет потому, что нет соответствующего распределения стратосферной температуры, а главное, нет столь низких температур, как в стратосфере Антарктики.

В южном полушарии нагрев атмосферы солнечным излучением играет более важную роль в сезонном изменении температуры и динамики атмосферы, нежели в северном полушарии. Это обусловлено тем, что в северном полушарии температура сохраняется выше этого значения, которое соответствует радиационному равновесию. Это возможно вследствие действия планетарных волн.

Раз в Арктике нет полярного устойчивого стратосферного вихря, то и нет препятствия на пути богатого озоном воздуха, который движется от средних широт к полярному региону. Этот воздух и приносит арктической весной долгожданный после зимы озон, и мы наблюдаем в Арктике весенний максимум количества озона в стратосфере. Таким образом, различие в изменении общего содержания озона в продолжение года в Арктике и Антарктике обусловлено разницей в сроках существования, а также интенсивности зимних стратосферных полярных вихрей в южном и северном полушариях.

Таким образом, потепление стратосферы весной в Арктике протекает не так, как в Антарктике. Зимой в Арктике очаг холода с температурами — 60–65оС располагается на высотах 15–30 км. Это по данным канадской станции Резольют-Бей. Летом очаг тепла в стратосфере распространяется сверху вниз, из верхней стратосферы в ее нижние слои. По мере этого распространения очаг тепла постепенно теряет свою интенсивность. Кроме того, он существенным образом деформируется и в нижней стратосфере. На высотах 10–17 км формируются отдельные прослойки с более высокой температурой. От них тепло распространяется к соседним с ними слоям. Это происходит при освещении атмосферы на этих уровнях солнечным излучением. В этих прослойках температура выше потому, что там больше озона, который и аккумулирует энергию солнечного излучения, поглощая ее. Толщина каждой теплой прослойки не более 1–2 км. Превышение температуры в них достигает 3–4оС. Этот эффект выражен наиболее ярко в апреле на высотах 12–14 км.

Последнее десятилетие наблюдается похолодание нижней стратосферы Арктики. Этот процесс наиболее сильно выражен в районе очагов холода. Один из таких очагов холода находится в Канаде, вблизи озонометрической станции Резольют-Бей. Это похолодание отражается в изменении стратосферного озона, о чем свидетельствуют также измерения озона на этой станции.

Хотя станция Резольют-Бей и расположена в очаге холода, температура в Антарктике зимой (ст. Сева) на целых 15–20оС ниже нуля, чем в Резольют-Бей. Летом имеет место обратная ситуация: в антарктической стратосфере летом теплее (примерно на 3–5оС), чем в арктической. Поэтому при переходе от очень низких температур зимой к более высоким температурам, чем в Арктике, в антарктической стратосфере ежедневное увеличение температуры значительно больше, чем в арктической. Это не может не отразиться на общем содержании озона, которое весной в Антарктике в 1,3–2 раза меньше (по данным ст. Сева), чем в Арктике (по данным станции Сева). На фоне этого быстрого роста температуры весной в Антарктике потепление нижней стратосферы в это время малозаметно. Но в Арктике, где весенний рост температуры меньше, это потепление нижней стратосферы четко регистрируется.

 

УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА

И ОЗОН

В видимой области спектра лежит примерно половина всей приходящей к земной поверхности солнечной энергии. Другая половина энергии сосредоточена в излучении со всеми другими длинами волн от радиоволн до гамма-лучей. На ультрафиолетовое излучение, достигающее поверхности Земли, приходится примерно 5 % всей энергии, проникающей через земную атмосферу. Ультрафиолетовое излучение Солнца принято делить в зависимости от длины волны на три участка (диапазона). Диапазон А включает ультрафиолетовое излучение с длинами волн меньше 400 и больше 320 нм. Диапазон В находится в пределах 320–280 нм, а диапазон С включает излучение с длинами волн от 280 до 200 нм. Энергия между диапазонами А и В распределена следующим образом. По измерениям в Великобритании в летний полдень освещенность на незатененной горизонтальной поверхности составляла примерно 40 Вт/м2 в ультрафиолетовом диапазоне А и менее чем 2 Вт/м2 в диапазоне В. Излучение в диапазоне С практически отсутствовало.

Нас интересует, как изменится ультрафиолетовое излучение, которое приходит к земной поверхности и действует на биосистемы (в том числе и на человека), в том случае, если количество озона в стратосфере уменьшится. В этом плане наибольший интерес представляет ультрафиолетовое излучение в диапазоне 320–280 нм (то есть тип В). Именно это излучение частично поглощается озоном, а частично достигает земной поверхности. Чем меньше будет озона в стратосфере, тем больше этого излучения будет проникать к земной поверхности. Что касается ультрафиолетового излучения в диапазоне С, то оно также поглощается озоном. Но тем не менее оно нас интересует мало, поскольку поглощается оно полностью и к земной поверхности вообще не приходит. Это поглощение настолько эффективно, что и в том случае, если количество озона в стратосфере значительно уменьшится, его будет достаточно, чтобы не пропустить к Земле это излучение.

Ультрафиолетовое излучение типа С получается искусственно. При воздействии на кожу и глаза человека оно вызывает неприятные ощущения, но ущерба здоровью практически не приносит. Это происходит потому, что это излучение очень эффективно поглощают верхние отмершие слои кожи и дальше внутрь ткани его не пропускают. На месте облучения остается только покраснение, не представляющее никакой опасности. Не приносят вреда и повторные облучения.

Что касается действия ультрафиолетового излучения на ткани глаз, то оно может вызвать воспаление роговой оболочки. Но поскольку к роговой оболочке его попадает мало (основная часть излучения поглощается покровными тканями глаза), то воспаление кратковременное.

Ультрафиолетовое излучение в диапазоне А озоном не поглощается. Поэтому не возникает проблемы изменения его интенсивности при уменьшении стратосферного озона. Правда, учитывать наличие радиации в диапазоне А необходимо, несмотря на то, что ее интенсивность не зависит от количества озона. Дело в том, что воздействие этого излучения на организм человека (и другие биосистемы) зависит от того, какое по интенсивности излучение имеется в диапазоне В. Другими словами, если будет расти излучение В (из-за уменьшения озона), то и эффективность действия радиации в диапазоне А (при той же интенсивности) может увеличиваться. Справедливости ради надо сказать, что биологическое действие ультрафиолетового излучения диапазона А изучено пока недостаточно. Кстати, если облучение этой радиацией сопровождается действием определенных химических веществ, то оно перестает быть безвредным для здоровья людей. При этом может возникать так называемая световая (фото) аллергия, а также активизированный фотоканцерогенез. Эксперименты показали, что когда мышей с привитыми немеланомными опухолями облучали умеренными дозами в течение 10 недель ультрафиолетом диапазона А, то интенсивность развития опухолей уменьшалась.

Ультрафиолетовое излучение в диапазоне В содержит менее 0,3 % полной солнечной энергии, достигающей земной поверхности. Но это излучение исключительно важно потому, что многие важные биологические молекулы, такие как ДНК, сильно поглощают излучение с длинами волн короче 320 нм. Излучением с этими же длинами волн вызываются и такие заболевания, как кожная эритема и рак кожи. На рис. 60 видно, что солнечный спектр быстро растет с увеличением длины волны именно в диапазоне В. Спектр биологического поглощения и спектр действия увеличиваются с уменьшением длины волны. Это показано на рис. 59.

Рис. 59. Изменение ультрафиолетового излучения Солнца с изменением длины волны (диапазоны УФ — В и УФ — А)

Для рассматриваемой здесь проблемы важно, какое именно излучение действует в каждом конкретном регионе Земли, где находятся биосистемы (люди, растения, животные).

Рис. 60. Интенсивность ультрафиолетового излучения Солнца над земной атмосферой (верхняя кривая) и после ее прохождения (нижняя кривая)

Ясно, что в разных регионах Земли это излучение различно. Оно различно прежде всего потому, что различна освещенность солнечным светом. Если Солнце находится над головой (в зените), то освещенность самая большая, максимальная. Значит, в этом месте и ультрафиолетового излучения больше. Такая ситуация реализуется в тропических поясах Земли и никогда не бывает в полярных районах. Отсюда ясно, что интенсивность ультрафиолетового излучения на разных географических широтах разная: чем дальше от экватора, тем она меньше. Но это еще не все. Если речь идет о диапазоне В, то этому ультрафиолетовому излучению надо по пути от Солнца к земной поверхности пробраться сквозь стратосферный озон. Но, как известно, его на разных широтах разное количество. Это обстоятельство еще больше усугубляет то неравноправие, в котором находятся люди на разных широтах (в смысле приходящего к ним ультрафиолетового излучения). Проиллюстрируем это цифрами.

В северном полушарии в декабре и январе поток ультрафиолетового излучения уменьшается в 10 раз, если мы будем перемещаться от экватора до широты 50о северной широты. Летом эта разница примерно в 5 раз меньше. Ультрафиолетовое излучение диапазона А зависит только от зенитного угла Солнца, поэтому с широтой меняется меньше, чем излучение диапазона В, которое зависит и от количества озона. Именно поэтому интенсивность ультрафиолетового излучения диапазона В меняется с широтой в 3–4 раза сильнее, чем излучение диапазона А.

Имеется еще одно обстоятельство, которое может сильно влиять на интенсивность солнечного излучения (в том числе и ультрафиолетового), достигающего поверхности Земли. Это облачность и наличие в атмосфере различных аэрозолей. Если мы хотим правильно оценить интенсивность ультрафиолетового излучения, приходящего к биосистемам и действующего на них, то надо обязательно учесть и эти факторы, от которых зависит количество поглощенного, рассеянного и прошедшего излучения.

 

ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА

Установлено, что в зависимости от того, насколько сильное излучение действовало на человека, он может либо просто загореть, либо получить солнечный ожог (эритему), либо даже заболеть незлокачественными типами рака кожи (базально-клеточный и чешуйчато-клеточный рак) и меланомой (рак кожи). Это проявляется воздействие ультрафиолетового излучения диапазона В. Это же излучение при облучении глаз может вызвать повреждение роговицы (фотокератит), катаракту или фотоконъюнктивит. Но это еще не все. Это излучение может вызывать также изменения в иммунной системе человека, подавляя ее защитные функции. В результате будет усиливаться фотоканцерогенезис, а также подавляться развитие контактной сверхчувствительности (гиперчувствительности). Защита организма при этом ослаблена, поэтому уменьшается сопротивляемость к развитию заболеваний (различные инфекционные лишаи и т. д.). Степень риска при этом, естественно, увеличивается. Самым опасным для здоровья считается излучение с длинами волн от 300 до 315 нм. Оно находится в пределах диапазона В. Но не все длины волн действуют на данную биосистему одинаково. Это, конечно, зависит от свойств данной биосистемы (животного, растения или человека). Можно каждому конкретному биологическому объекту выдать своего рода паспорт, где было бы указано это распределение (спектр) их чувствительности к ультрафиолетовому излучению с разными длинами волн. Специалисты такую характеристику биосистемы называют «спектром действия».

Ясно, что для того, чтобы сделать заключение о степени вредности излучения с данной длиной волны для данного биологического объекта (в том числе и человека), надо знать его «спектр действия». Зная его и то излучение, которому он подвергается, можно оценить, насколько это излучение опасно для его здоровья или даже жизни. Правда, для такой оценки надо знать не только интенсивность излучения, но и время облучения. Другими словами, надо знать дозу облучения, чтобы по известному «спектру действия» определить степень поражения организма в настоящем и будущем.

Воздействие излучения на живой организм осуществляется через фотохимические реакции, то есть через химические реакции в клетках, которые вызываются воздействующим светом (фото). Чтобы такие реакции осуществились, надо прежде всего, чтобы свет (излучение) поглотился биомолекулой. Электромагнитная энергия излучения, которая поглощается хромофором, затем преобразуется в химическую энергию. Имея избыток энергии, молекула приходит в возбужденное состояние. Имеются различные электронные возбужденные состояния молекулы. Отдельные из них (например, триплетные) являются наиболее долгоживущими. Так, молекула имеет большую вероятность находиться в этом состоянии. Это значит, что становятся более вероятными определенные фотохимические изменения внутри самой возбужденной молекулы. При взаимодействии возбужденной молекулы с другими окружающими ее молекулами ее избыточная энергия передается им и вызывает в них реакции фотосинтеза, в результате которых образуются определенные продукты.

Под влиянием ультрафиолетового облучения во многих ключевых биологических молекулах и структурах происходят фотохимические изменения. Это такие биологические структуры: нуклеиновые кислоты, протеины, липиды, стероиды, меланин и др. Наибольшую опасность излучение представляет для нуклеиновых клеток, цитоплазмы, мембран и др.

После того как под действием излучения произошли биологические изменения, биосистема сразу же начинает производить определенные химические вещества, которые предназначены восстановить нормальное состояние системы.

В результате запущенных химических реакций биологическая система формирует свой отклик на воздействующее излучение (биологический отклик). Конечным результатом всего процесса может быть выход системы из нормального состояния (болезнь или даже смерть). Но это зависит от дозы (при соответствующем спектре действия).

Ультрафиолетовое излучение действует на живые системы прежде всего путем повреждения хранилища клеточной генетической информации, то есть ДНК. Если ДНК нарушены, то это препятствует восстановлению и копированию данных биосистем (в том числе бактерий или культурных клеток животных).

Кольца пирина и пиромидина нуклеиновых кислот, аденин, тимин и цитезин поглощают максимально излучение с длинами волн от 245 до 280 нм. Основная часть ультрафиолетового излучения находится в диапазоне С и поглощается кожей посредством ДНК, а не протеина или других молекул. В ДНК поглощается ультрафиолетовое излучение с разными длинами волн. В то же время именно ДНК играет главную роль в мутагенезисе и в канцерогенезисе. Поэтому роль повреждения ДНК излучением является ключевой. В результате повреждения ДНК происходит блокирование процессов копирования и перевода, которые существенны для функционирования клеток и их деления. Если достигнут определенный порог повреждения ДНК, произойдет гибель клеток.

Ультрафиолетовое излучение вызывает появление связей смежных пирамидинов в клетках ДНК. При этом образуются цикло-бутанобъединенные соединения пирамидина. Их часто называют димерами пирамидина. При этом образуются тимин-тимин, тимин-цитозин и цитозин-цитозин димеры. Каждая из этих структур может существовать в четырех стереоизмерениях. Эти повреждения в организме существенны. Правда, у людей они обычно восстанавливаются. Под действием ультрафиолетового излучения образуются в ДНК и другие фотопродукты, другие димеры. Ими могут быть односвязные объединенные дипирамидины, тиминлипиды и др. Образуются также недимерные продукты, которые включают тимин, глюкель, цитозин гидрат, кросс-связи ДНК — ДНК и др. Не все из этих повреждений способны восстанавливаться. Большинство из них являются жизненно важными.

Последствия облучения ультрафиолетовым излучением изучались как экспериментально, так и по данным медицинской статистики. Воздействие на глаза изучалось на кроликах. Пропускание глаза кролика примерно такое же, что и глаза человека. Было показано, что очень мало ультрафиолетового излучения с длинами волн короче 300 нм проникает к роговой оболочке глаза. Излучение с длинами волн короче 400 нм в малой степени проникает в глаз глубже, чем до хрусталика. Естественно, что большая часть видимого света (400–780 нм) достигает сетчатки глаза. Поэтому он и является видимым. Эти эксперименты свидетельствуют о том, что действие ультрафиолетового излучения на глаза ограничивается роговой оболочкой.

Эксперименты с действием излучения на кожу показывают, что излучения с длинами волн от 250 до 3000 нм (это инфракрасное излучение) проникают в ткань на разную глубину. Оптические свойства кожи изменчивы, они зависят от многих внешних и внутренних факторов. Индивидуальная чувствительность кожи к ультрафиолетовому излучению определяется пигментацией меланина. Меланин предохраняет кожу (ткань) от действия излучения с длинами волн короче 1200 нм (в том числе и от ультрафиолетового).

Известно, что кожа человека имеет способность адаптироваться к ультрафиолетовому облучению. При постепенном увеличении УФ в диапазоне В кожа становится менее чувствительной к загару. Это происходит вследствие утолщения эпидермиса и пигментации. Это же относится к ненормальным реакциям на ультрафиолетовое облучение тех, кто страдает фотодерматозом. Речь идет о кратковременных реакциях. Но возможности адаптации все же ограничены. Кожа не в состоянии справиться с долговременными повреждениями.

Наибольший объем информации был получен при изучении данных медицинской статистики. При этом информация о различных заболеваниях (например, кожи) сопоставлялась с уровнем ультрафиолетового излучения, которое действовало на изучаемые объекты. Правда, не всегда было известно именно ультрафиолетовое изучение, но тем не менее неопределенность при этом не очень велика, поскольку естественные изменения этого излучения Солнца неплохо изучены. При проведении этих исследований ученые пользуются понятием «фактор радиационного усиления». Суть его состоит в следующем. Если общее содержание озона уменьшится на 1 %, то должно произойти радиационное усиление, то есть усиление ультрафиолетового излучения. Это радиационное усиление должно вызвать определенное увеличение канцерогенной эффективности ультрафиолетового излучения, что, естественно, скажется на числе случаев заболеваний, вызванных этим излучением. Поскольку у каждой биосистемы имеется свой «спектр действий», то и «фактор радиационного усиления» для каждой системы (для людей, животных) будет различным.

Повреждающее действие ультрафиолетового излучения определяется дозой облучения, но это не значит, что увеличение дозы в определенное число раз ровно во столько же раз увеличит повреждение организма. Увеличение дозы облучения может быть незначительным, а повреждение организма при этом может оказаться роковым. Специалисты называют такую зависимость одной величины от другой нелинейной (на графике она изображается непрямой линией). Чтобы эту зависимость определить не вообще, а в числах, было введено понятие «фактор биологического усиления». Это понятие нужно потому, что мало знать, как увеличится ультрафиолетовое излучение при уменьшении озона на 1 %. Важно знать, что при этом произойдет с биосистемами, с людьми. А это можно оценить только в том случае, если мы учтем, как каждая доза облучения подействует на биосистему, то есть учтем зависимость повреждающего эффекта излучения от дозы его действия. Ясно, что для каждого заболевания фактор биологического усиления будет своим. Так, по данным эпидемиологических исследований, число заболеваний бази-целлюлярным раком кожи примерно пропорционально квадрату канцерогено-эффективной дозы ультрафиолетового излучения в диапазоне В. Это значит, что если эта доза увеличилась в 2 раза, то заболеваемость возрастет в 22 = 4 раза. Эта закономерность в основном выполняется достаточно хорошо. Поэтому она используется при составлении различных прогнозов и оценок. Какой в этом случае будет фактор биологического усиления? Он равен двум, то есть равен показателю степени в приведенном состоянии. Так, для другого типа рака кожи (спин-целлюлярного) зависимость заболеваемости от дозы более сильная. Если доза увеличилась вдвое, то заболеваемость возрастает в 23 = 8 раз! В этом случае фактор биологического усиления равен трем. Таким образом, надо учитывать как радиационные, так и биологическое усиления. Умножая оба фактора друг на друга, находят обобщенный фактор усиления. Например, для кардинемы основных клеток (бази-целлюлярный рак кожи) обобщенный фактор равен 2 × 2 = 4. Здесь учтено, что фактор радиационного усиления равен 2. Соответственно для кардинемы «чешуйчатых» клеток обобщенный фактор усиления равен 2 × 3 = 6.

Эпидемиологические и клинические обследования больных, страдающих злокачественной меланомой, показывают, что чем меньше географическая широта данного места, тем больше там случаев заболевания меланомой. Другими словами, чем больше ультрафиолета, тем больше заболеваемость. Люди со слабой пигментацией кожи чаще заболевают меланомой. Белые люди, которые переселились в тропики, болеют меланомой чаще, чем аборигены. Чаще заболевают меланомой и те, кто имеет генетический дефицит к предохранению повреждений ДНК, вызванных облучением ультрафиолетом.

Случаи заболевания меланомой и смертности от нее сопоставлялись с данными измерений ультрафиолетового излучения. Из этих сопоставлений можно сделать вывод, что если общее содержание озона уменьшится на 1 %, то число случаев заболеваний злокачественной меланомой увеличится примерно на 1–2 %. Другие исследователи сопоставляли случаи смертности от меланомы со спутниковыми данными о потоках ультрафиолетового излучения. Они получили, что 1 % уменьшения общего содержания озона может вызывать увеличение смертности от меланомы примерно на 0,8–1,5 %.

Изучалось влияние ультрафиолетового излучения на меланому на 511 пациентах, страдающих этим заболеванием и проживающих в Западной Австралии. Было показано, что заболевание возникло и развилось у тех лиц, которые дольше находились на солнце, то есть облучались ультрафиолетом. Изучение немеланомного рака кожи в Кувейте показало, что несмотря на то, что аборигены обладают предохранительной пигментацией, примерно 4/5 случаев рака кожи имели место на тех участках кожи (всего 10 %), которые облучались солнечным светом.

Злокачественная меланома является самой опасной формой рака кожи. Примерно одна треть страдающих им живут не более 5 лет. В период с 1950 по 1967 год смертность от злокачественной меланомы составляла примерно 1–2 человека на 100 тысяч человек (в год). Начиная с 1935 года наблюдается устойчивое увеличение заболеваемости злокачественной меланомой. Заболеваемость не просто растет — она удваивается каждые 10 лет!

Большие дозы облучения приводят к формированию опухолей. Меньшие дозы более часто вызывают возникновение немеланомного рака кожи. Это связано с тем, что защитные реакции (загар, гиперплазия эпидермиса) протекают более активно при больших дозах.

Что касается глазных заболеваний, которые возникают под действием облучения ультрафиолетом, то количественно положение такое же. Хорошо известно, что старческая катаракта обусловлена облучением солнечным светом. Это подтверждается и самыми последними эпидемиологическими исследованиями. Было установлено некоторое соотношение между числом случаев заболевания катарактой и продолжительностью облучения глаз солнечным светом. Это соотношение меняется с возрастом. У молодых людей зависимость сильнее. При уменьшении общего содержания озона на 1 % количество случаев катаракты возрастает примерно на 0,26 %. Если это процентное увеличение перевести в абсолютные числа, то получится, что в США появится дополнительно 24 тысячи больных катарактой (учтено, что сейчас их примерно 9,3 миллиона). Естественно, что такой же или примерно такой же рост будет иметь место и в других странах. Некоторые исследователи склонны цифру 0,26 % увеличить до 0,6 %. Очень важно то, что глаз не способен адаптироваться к ультрафиолетовому излучению в диапазоне В. Поэтому любое уменьшение количества стратосферного озона будет, к сожалению, сопровождаться опасными заболеваниями глаз.

Проводились оценки социально-экономических последствий ухудшения здоровья людей из-за уменьшения общего содержания озона. Одна из таких оценок выглядит так. К 2000 году общее содержание озона может уменьшиться на 5 %. Поэтому доза канцерогенного ультрафиолетового излучения диапазона В увеличится к этому сроку на 10 %. Из-за облучения этим (дополнительным) излучением заболеваемость базально-клеточным раком кожи увеличится на 10 × 2 = 20 %. За этот же период заболевания чешуйчато-клеточным раком кожи увеличится на 10 × 3 = 30 %. Специалисты приводят данные, что в США в последнее время имелось примерно 600 тысяч больных, страдающих немеланомными типами рака кожи. Одна пятая из них страдают чешуйчато-клеточным раком кожи, а остальные — базально-клеточным. Проводим соответствующий расчет и получаем, что к 2000 году, если общее содержание озона увеличится на 5 %, число заболеваний людей базально-клеточным раком увеличится примерно на 88 тысяч. Одновременно на 34 тысячи увеличится число больных, страдающих чешуйчато-клеточным раком. Для того, чтобы лечить новые 122 тысячи больных, понадобятся средства. На лечение 95 % всех таких больных потребуется примерно 114 миллионов долларов (в среднем по 1 тыс. долл. на одного больного в год). Лечение остальных 5 % больных примерно в 10 раз более дорогостоящее. Оно обойдется в 60 миллионов долларов. Таким образом, если общее содержание озона уменьшится на 5 %, то это потребует дополнительного финансирования в сумме 174 миллионов долларов на лечение дополнительно возникших больных раком кожи. Конечно, не все потери измеряются этими миллионами… Возникнет и моральный и социальный ущерб: тысячи ранее здоровых людей станут по этой причине больными. Эти оценки проведены применительно к США. Очень грубо их можно распространить на весь мир. Если число новых больных, которые прогнозируются для США, умножить только на три, то их станет уже более 1/3 миллиона! На их лечение понадобится примерно 0,5 миллиарда долларов.

Некоторым читателям может показаться, что оценки, подобные приведенным выше, беспочвенны и даже бесполезны. Но на самом деле это не так. Сейчас организуются дорогостоящие работы по международным и национальным программам, направленным на сохранение озонного слоя Земли. Это не только измерения и исследования, но и перестройка работы промышленности. Приведенные выше оценки вместе с оценками ущерба от всех последствий уменьшения озона позволяют понять, что лучше, пока не поздно, пожертвовать чем-то, чтобы потом не жертвовать всем!

 

УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОЗОНА:

ВЛИЯНИЕ НА РАСТЕНИЯ И РЫБ

Растения, как и другие биосистемы, чувствительны к изменению ультрафиолетового излучения. Исследования этой чувствительности, проведенные с 200 видами растений, показали, что наибольшей чувствительностью обладают горох, бобы, тыква, дыни и капуста. Эксперименты проводились в так называемых «камерах роста». Подобные исследования чувствительности растений к ультрафиолету, которые находятся в естественных, полевых условиях, выявляют несколько меньшую их чувствительность. Было показано также, что различные культуры одного и того же растения обладают сильно различающейся степенью чувствительности к ультрафиолетовому излучению. Отклик растения на это излучение сильно зависит от других действующих на него факторов. Так, если растению не хватает минеральных веществ, то его чувствительность к ультрафиолету значительно возрастает.

В продолжение пяти лет непрерывно проводились исследования влияния ультрафиолетового излучения на соевые культуры. Эксперименты проводились в полевых условиях. Цель эксперимента состояла в том, чтобы определить, как изменится рост и развитие (а главное, урожайность) этой культуры при увеличении ультрафиолетового излучения, которое должно иметь место при уменьшении количества озона в земной атмосфере. Соевые культуры играют важную роль в пищевом рационе во всем мире. В мире выращивается более 50 видов соевых культур. Если урожайность всех их будет уменьшена, то это может очень существенно отрицательно сказаться на производстве данного продукта. При составлении и анализе подобных прогнозов изменения урожайности сельскохозяйственных культур надо иметь в виду одно очень важное обстоятельство. В наше время в каком-либо регионе Земли урожайность меньше, а в другом больше. Хотя от неурожаев могут страдать целые страны (как это было с Эфиопией), но все же у жителей остальных стран имеется возможность выделить часть продуктов для попавшей в беду страны. В случае уменьшения количества озона эта беда постигнет всех нас, и оказать нам помощь будет некому.

Вернемся к опытам с соевыми культурами. Они показали, что урожайность соевых культур может уменьшиться на 1/4 в том случае, если количество озона уменьшится настолько же, то есть на 25 %. Раньше мы чаще говорили о 5 % уменьшения количества озона. Но и 25 % его уменьшения не представляются нереальными в будущем, тем более что в Антарктиде уже зарегистрировано 40 % его уменьшения.

Цель экспериментов, подобных описанным выше, состоит не только в том, чтобы обосновать необходимость сохранения озонного слоя и сворачивания технологий, в результате которых в атмосферу Земли выбрасываются разрушающие его химические вещества, но и в том, чтобы искать пути устранения нависшей опасности. В частности, в случае соевых культур надо уже сейчас выводить путем ее селективного отбора такие сорта этой культуры, которые обладают минимальной чувствительностью к изменению ультрафиолетового излучения. Специалисты считают, что это возможно, поскольку среди десятков соевых культур не все они выявляют высокую чувствительность к изменению облучающего их ультрафиолетового излучения. Но опять же надо иметь в виду, что если сильно уменьшится количество озона, то произойдут изменения не только в ультрафиолетовом излучении. При этом на Земле изменится практически все — от погоды и климата до уровня морей и океанов. Растениям придется обходиться без достаточного количества минеральных веществ, испытывать на себе сильные бури и все то, что принесло нам уменьшение озона. В этих трудных для растений (и не только для них) условиях их чувствительность к изменению ультрафиолетового излучения должна значительно увеличиться. А это уже завершит трагедию.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования тех путей, которыми ультрафиолетовое излучение действует разрушающе (повреждающе) на растения. Как и в случае животных (в том числе и человека), под действием ультрафиолетового излучения диапазона В происходит деструкция ДНК, а также других структур (в частности, хлоропласта), которые участвуют в процессах фотосинтеза. Увеличение ультрафиолетового излучения, которое происходит при уменьшении озона, подействует и на растения, которые растут в воде (морях и океанах). Их называют акватическими. При усилении ультрафиолетового излучения акватические растения угнетаются. Большинство дрейфующих под водой растений (их называют фитопланктоном от слов «фито» — трава, «планктон» — блуждание) основную часть своей жизни погружены в воду очень неглубоко, то есть находятся практически вблизи водной поверхности. Это так называемая эпхотическая зона. По этой причине они эффективно облучаются ультрафиолетовым излучением, которое малым слоем воды поглощается только незначительно. Если же ультрафиолетовое излучение будет усиливаться, то продуктивность фитопланктона будет уменьшаться. К чему это приведет — ясно, поскольку эти растения являются кормом для многих рыб. Рыбы же поставляют 18 % животного протеина, потребляемого во всем мире.

Воздействие усиления ультрафиолетового излучения на рыб будет осуществляться не только через планктон. Личинки многих рыб, находящиеся в эпхотической зоне, будут подвергаться прямому воздействию ультрафиолета. Проводились следующие эксперименты. Изучалось воздействие усиленного на 1/5 ультрафиолетового излучения на анчоусы. Облучение таким усиленным излучением каждый раз продолжалось в течение двух недель. В результате во всем 10-метровом верхнем слое воды все личинки погибли. Эксперименты проводились в апреле и августе. Были получены оценки, согласно которым при 10 %-ном уменьшении озона число ненормальных личинок (у которых произошли повреждения усиленным ультрафиолетовым излучением диапазона В) увеличится на 18 %.

По мере изменения внешних условий животные и растения (и, конечно, человек) меняют свое поведение и даже структуру так, чтобы наиболее полно приспособиться к новым условиям. Это и есть адаптация, без которой невозможно развитие и сама жизнь в меняющихся условиях. Поэтому можно не сомневаться, что при изменившихся условиях — усилении ультрафиолетового излучения за счет уменьшения озона — растения и животные будут сами искать выход из сложного положения, то есть будут стремиться адаптироваться к новым условиям. При этом важно одно, а именно, чтобы эти изменения в условиях не были столь большими, приспособиться к которым растения и животные в силу своего строения и организации не смогут. Так вот, не без оснований можно предположить, что рыбы (и личинки) погрузятся глубже в воду, с тем чтобы находящийся над ними слой воды смог поглотить излишек энергии ультрафиолетового излучения. Но при этом перед ними встанут новые проблемы. Некоторые из них такие. Во-первых, чем глубже, тем труднее плавать и выживать, это требует больших энергетических затрат. Во-вторых, в новых, более глубинных условиях, рыбы вынуждены будут менять и свое строение, свою конституцию. Если бы этого не произошло, то при более сильном погружении рыб на продолжительное время их рост замедлился бы, поскольку на большую глубину проникает меньшая интенсивность ФАР, от которой зависит рост. Было оценено, что если за счет большего погружения в воду рыбы добьются 10 %-го уменьшения облучения ультрафиолетового излучением, то на 2,5–5 % уменьшится и их облучение ФАР, что для них нежелательно, поскольку от ФАР зависит их рост. Конечно, все составляющие части биосферы очень тесно взаимосвязаны. Поэтому нельзя говорить о каких-то изменениях в одной ее части и не учитывать соответствующих изменений в других ее частях. Если количество озона уменьшится, а этого не избежать, то это вызовет одновременно разные изменения во всей биосфере, и не только в ней. Изменятся условия в атмосфере и гидросфере. Сможет ли после этих изменений установиться равновесие, при котором все процессы будут согласованы между собой? Конечно, если говорить о наступлении такого равновесия в принципе, то оно не вызывает сомнений. Важно другое — насколько равновесие в новых условиях наступит быстро, и что еще более важно — в какой мере современная биосфера сохранит свое современное лицо. Если произойдут такие сильные изменения, что равновесие наступит через очень длительное время и при этом на Земле будет совсем иная биосфера (с человеком или даже без него), то наше отношение к этим изменениям должно быть однозначным.

Можно обсуждать отбор некоторых растений и животных, которые бы наиболее безболезненно перенесли грядущие изменения, обусловленные уменьшением озона. Но опять же нельзя забывать, что разнообразие особей нельзя беспредельно уменьшать без последствий. Уменьшение разнообразия может сделать популяцию более чувствительной к изменениям внешних условий, в частности к изменениям температуры воды, к различным болезням и т. д. Что касается водных растений и животных, то изменения в составе сообщества могут изменить содержание протеина или общую величину продукта начальных звеньев пищевой цепочки.

 

ОЗОН, БУДУЩЕЕ ПОТЕПЛЕНИЕ КЛИМАТА

И УРОВЕНЬ МИРОВОГО ОКЕАНА

Совершенно очевидно, что если средняя температура Земли увеличится, то изменятся процессы не только в атмосфере. Во-первых, нагретая вода расширяется. Значит, вода Мирового океана при этом увеличится в объеме. Поэтому уровень Мирового океана должен будет расти. Но это не самое страшное, поскольку расширение воды при нагревании не так уж и велико. Страшнее то, что при потеплении климата начнут таять льды и ледники. А их на Земле много, как по объему, так и по площади занимаемой ими земной поверхности. Так, почти 10 миллионов км2 земной поверхности занимают льды Восточной Антарктиды. Объем этого льда огромен — примерно 26 миллионов км3. Если этот лед вдруг растопить, то поступившая от него вода поднимет средний уровень Мирового океана на 65 м. Здесь имеется в виду лед, покрывающий материк, за исключением периферии, то есть плавающих глыб прибрежного льда. Этот лед занимает общую площадь более 1,5 миллиона км2, а объем его достигает примерно 0,8 миллиона км3. В Западной Антарктиде, включая Антарктический полуостров, содержится значительно меньше льда. Он занимает площадь на земной поверхности, равную примерно 2,5 миллиона км2, а его объем равен 3,4 миллиона км3. Вода из этого льда способна повысить уровень Мирового океана на 8,5 м. Почти такое же количество льда содержит Гренландия (по объему 3 миллиона км3). Гренландский лед, если его растопить, поднимет уровень Мирового океана еще на 7,6 м. Существенно меньше льда содержат ледяные шапки гор и горные ледники. Однако объем льда в них все равно внушительный: 120 тысяч км3. Таяние этого льда вызвало бы повышение уровня Мирового океана на 30–60 см (по оценкам разных исследователей).

Еще меньше льда в местах развития вечной мерзлоты, в морях. Если говорить об источниках воды, которая может поднять уровень Мирового океана, то нельзя пренебрегать и снежным покровом. Объем снега в северном полушарии (в феврале) достигает 2 тысяч км3. Конечно, это несоизмеримо с объемами льда, содержащегося в Антарктиде или Гренландии. Но если уж речь идет о возможном изменении (увеличении) уровня Мирового океана, то и этот источник воды не надо забывать.

Собственно, на практике важно знать не только и не столько изменение уровня Мирового океана, сколько те изменения, которые будут происходить в каждом конкретном месте. Ясно, что в разных местах они будут принципиально отличаться. Помимо той дополнительной воды, которая добавится при глобальном таянии в Мировой океан, начнутся движения самого ледника и изменения водного режима именно в данном регионе.

Мы привели цифры о льдах и возможных последствиях их таяния (повышение уровня Мирового океана), во-первых, для того, чтобы продемонстрировать конкретные последствия глобальных изменений климата, а во-вторых, для того, чтобы на будущее отбить охоту у всяких прожектеров распространять в широких кругах безответственные планы по искусственному растоплению льдов Арктики и т. п.

Если большинство исследователей сходятся на том, что глобальная средняя температура Земли в последующие 100 лет увеличится на несколько градусов, то мы должны представлять себе, что нас (а точнее, наших потомков) ждет и в смысле изменения уровня воды в реках, озерах, морях и океанах. По-видимому, каждому ясно, что увеличивать уровень Мирового океана на 60–70 м принципиально нельзя. Чтобы это понять, достаточно взять карту мира или глобус и «убрать» те места, которые окажутся затопленными. Что останется? К этому надо добавить и те изменения в атмосферных процессах (влажность воздуха, осадки, бури, ураганы, штормы), которые при этом возникнут. Поэтому изменения уровня Мирового океана, измеряемые метрами, — это на самом деле очень плохо, это ужасно. Достаточно сказать, что уровень Мирового океана был на 7 м выше, чем сейчас, на протяжении последнего межледникового периода. Тогда средняя глобальная температура Земли была на 2о выше, чем сейчас. В Антарктиде летние температуры были больше теперешних на 6 — 10оС. За более продолжительное время проходили более значительные изменения уровня Мирового океана. Так, на основании анализа ископаемых было получено, что за последние 100 млн лет уровень Мирового океана изменялся на 300 м! Кстати, если эти изменения считать равномерными, то они давали бы повышение уровня Мирового океана на 1 мм в течение одного столетия.

Таким образом, изменения уровня Мирового океана происходят в результате изменения условий на Солнце, в околоземном пространстве, то есть по естественным причинам. Но на фоне этих естественных изменений мы должны ожидать в ближайшие 100 лет довольно существенных изменений, обусловленных увеличением средней поверхностной температуры Земли, которое вызвано деятельностью человека. Анализ большого числа данных позволяет сделать заключение, что начиная с 1934 года уровень Мирового океана стал повышаться быстрее, чем до этого момента.

В 1983 году было установлено, что за предшествующие 50 лет уровень Мирового океана повышался каждый год на 2,0–2,5 мм. До этого скорость повышения была меньше. В прошедшем столетии температура поверхности Земли увеличилась всего на 0,4оС. Поэтому скорость повышения уровня Мирового океана была меньше, всего 0,4–0,5 мм в год. За все прошлое столетие уровень Мирового океана поднялся на 10–15 см. Это произошло из-за увеличения поверхностной температуры Земли на 0,4оС.

Специалисты сходятся на том, что к 2050–2060 годам поверхностная температура Земли повысится примерно на 4оС. По некоторым оценкам, к 2100 году она может повыситься на все 7оС. Если это произойдет, то только за счет теплового расширения воды ее уровень в Мировом океане к 2100 году может подняться почти на 1 м (точнее, на 83 см).

В результате потепления будут таять ледники. За счет этого уровень Мирового океана повысится еще на 25 см к концу будущего столетия.

Разные исследователи получают несколько отличающиеся цифры. Но все они примерно совпадают с приведенными выше, полученными для случая потепления климата к концу следующего столетия на 4,5оС. Если эту температуру увеличить до 7,0оС, то уровень Мирового океана (только за счет таяния ледников) повысится на 38 см.

При повышении поверхностной температуры Земли, естественно, будут таять льды Гренландии и Арктики. К концу будущего столетия уровень Мирового океана в результате этого может повыситься на 2–3 м. Правда, некоторые считают эти значения сильно завышенными. Во всяком случае, речь идет не о миллиметрах или сантиметрах, а о метрах. Большая точность нам сейчас не нужна.

За неимением места мы не будем детально рассматривать всю проблему, к каким изменениям приведет повышение уровня Мирового океана в разных регионах Земли. Укажем только на некоторые моменты.

Если уровень Мирового океана повысится на 1–2 м, то произойдет затопление заселенных и плодородных земель, ускорится эрозия берегов, усилится береговое затопление, возникнет угроза структуре берега и увеличится соленость воды в устьях рек и водоносных слоев.

Понятно, к каким материальным потерям это приведет. Американские специалисты оценили, что если уровень Мирового океана поднимется к концу будущего столетия на 4,6–7,6 м, то это нанесет их стране ущерб, исчисляемый суммой в 100–150 биллионов долларов.

На международных совещаниях по проблеме стратосферного озона обсуждалась проблема изменения условий из-за будущего потепления в таких странах, как Египет и Мьянма, которые из-за повышения уровня Мирового океана в значительной мере могут оказаться затопленными. Применительно к условиям нашей страны результаты таких исследований не публиковались и на совещания различного уровня не представлялись.

Специалисты обеспокоены тем, что растаявшие льды Западной Антарктики приведут к увеличению уровня Мирового океана на все 6 м. Многие утешаются тем, что это может затянуться на три-пять столетий. Но нельзя быть полностью уверенными, что это не произойдет раньше, даже в будущем столетии. Поскольку равновесные условия нарушены, то процесс может развиться значительно быстрее, чем мы сейчас себе представляем. Недаром большинство специалистов, которые математическими методами пытаются рассчитывать будущее, выбирают разные «сценарии», как менее, так и более драматичные.

Путем таких расчетов было получено, например, что если к 2100 году уровень Мирового океана поднимется на 2 м (не на 6 м!), то будет залито 50–80 % прибрежных плодородных земель США. Или примерно 1/5 всей земли Мьянмы окажется под водой. В Египте большинство населения проживает в долине реки Нил. Здесь ситуация столь же трагическая — примерно пятая часть этих земель будет залита водой.

 

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ И НАГРЕВАНИЕ ЗЕМЛИ

Если в атмосфере будет увеличиваться концентрация СО2, СН4, N2О и фреонов, то нарушится радиационный баланс Земли. Этот баланс состоит в том, что Земля должна получать столько же энергии, сколько она излучает в окружающее пространство. Указанные вещества затрудняют отток энергии Земли в космическое пространство. Поэтому, если их количество увеличится, то баланс энергии Земли нарушится и ее температура повысится.

Мы привыкли к значительным и резким изменениям температуры воздуха. Можно ли допустить большие изменения температуры поверхности Земли?

На рис. 61 показано, как менялась глобальная средняя температура Земли: а) за последнее столетие, б) за последнее тысячелетие и в) за последние 25 тысяч лет. На рис. 62 показано, как менялась температура Земли за последние 150 тысяч лет. Из обоих рисунков видно, что глобальная средняя температура Земли менялась не более чем на 5оС. Указанные изменения температуры Земли были связаны с изменением количества СО2 в земной атмосфере. За предыдущую историю Земли количество (отношение смеси) СО2 в атмосфере изменялось в пределах 50 — 100 ррмv. Такие изменения СО2 вследствие парникового эффекта и дадут изменение температуры Земли примерно на 4–5оС.

Рис. 61. Изменение поверхностной температуры Земли за период от 30 тысяч лет до н. э. и до 1980 года.

За последнее столетие (после 1880 года) температура Земли повысилась на 0,6оС. Наибольший рост температуры Земли произошел в последние 25 лет. В настоящее время скорость роста температуры Земли примерно в 10 раз больше, чем за период с 1850 по 1960 год. Это обусловлено изменением состава земной атмосферы, увеличением количества СО2, N20, СН4, фреонов и других газов, которые обладают парниковым эффектом. Очень важно своевременно предсказать грядущие изменения температуры Земли и те последствия, к которым это приведет. Это можно сделать в том случае, если известно, как будет меняться состав атмосферы в будущем, а конкретнее — насколько в атмосфере Земли будет увеличиваться количество газов, обладающих парниковыми свойствами. Ведущее место среди этих газов занимает СО2.

Конечно, мы не можем точно знать, как будет меняться количество СО2 и других газов-примесей в атмосфере. Но мы можем рассмотреть различные варианты, которые могут реализоваться в будущем на Земле. Ученые, проводившие такие расчеты, называют эти варианты сценариями.

Рис. 62. Изменение поверхностной температуры Земли за последние 150 тысяч лет.

В настоящее время подобных расчетов выполнено много. Мы приведем только результаты некоторых из них для того, чтобы дать представление о пределах возможных изменений. Расчеты будут соответствовать реальным результатам в том случае, если мы правильно учтем те выбросы в атмосферу, которые произойдут в последующие годы. Конечно, наперед знать этого точно никто не может. Это зависит от экономических, социальных и политических факторов. Тем не менее можно выбрать различные сценарии (варианты). В этих расчетах очень важно, что выброшенные в атмосферу вещества могут там находиться очень долго (50 — 150 лет). Поэтому, если даже сейчас полностью будут прекращены все выбросы в атмосферу (что, конечно, нереально), то уже имеющиеся в атмосфере выбросы еще много десятилетий будут делать свое черное дело. Все это, естественно, необходимо учитывать при проведении расчетов.

Проиллюстрируем это на примере фреонов 11,12, 113, окис-лов азота и др. Эти вещества разлагаются только в стратосфере под действием солнечного излучения. Если даже эти вещества перестанут выбрасываться в нижнюю атмосферу, они еще долго будут поступать в стратосферу из тропосферного резервуара. Если выбросы Ф-12 останутся на уровне 1985 года, то концентрация Ф-12 в стратосфере будет продолжать увеличиваться еще в течение более чем 100 лет.

Если же представить себе невероятное: что в какой-то момент выбросы фреонов в атмосферу уменьшатся на 85 %, то есть почти прекратятся, то после этого момента еще в течение более 100 лет концентрации фреонов в атмосфере будет сохраняться на прежнем уровне.

Концентрации СО2, СН4, N20 и фреонов Ф-11 и Ф-12 в атмосфере увеличиваются непрерывно со скоростями в пределах от 0,2 до 5,0 % в год. Реально концентрации СО2, СН4 и N20 увеличиваются непрерывно со скоростями соответственно 0,5, 1,0 и 0,2 % в год в течение ста последующих лет.

Что касается фреонов, то можно рассматривать 2 варианта: 1) количество выбросов фреонов остается неизменным, 2) количество выбросов фреонов Ф-11 и Ф-12 увеличивается на 1,5 и 3,0 % в год.

Расчеты, выполненные при этих условиях, показали, что если выброс фреонов не увеличивать, то примерно только через 70 лет после данного момента количество озона начнет постепенно восстанавливаться (по сравнению с сегодняшним его уровнем). Таким образом, если сейчас выброс в атмосферу фреонов «затормозить», то только через 70 лет озона станет столько же, сколько его имеется сейчас. Дело в том, что в течение примерно 30 лет количество озона еще будет продолжать уменьшаться, и только в последующие 30–40 лет он начнет восстанавливаться. Если же выбросы фреонов будут увеличиваться на 1,5 % в год, то за последующие 70 лет количество озона уменьшится чуть более чем на 3 %. Если же количество выбросов фреонов будет увеличиваться со скоростью 3 % в год, то уже через 70 лет количество озона уменьшится примерно на 10 %.

Расчеты показывают, что очень важно общее действие всех веществ, а не только фреонов. От всех них зависит скорость химических реакций, которые в конце концов приводят к разрушению озона. Выше мы говорили о полном содержании озона в столбе атмосферы от поверхности Земли до тропосферы. Но высотное распределение температуры, а значит, и изменение климата будет зависеть от высотного распределения озона. Если предположить, что количество фреонов 11 и 12 будет увеличиваться со скоростью 1,5 % в год, а количество газов СО2, СН4 и N2О будет увеличиваться, как было сказано выше, то высотное распределение озона будет меняться во времени так, как это показано на рис. 63. Видно, что в средней и верхней стратосфере его количество должно существенно уменьшиться в последующие 100 лет. Это вызвано увеличением на этих высотах количества фреонов 11 и 12. Заметно также, что в тропосфере количество озона не только не уменьшается, но даже увеличивается. Это связано с увеличением концентрации метана СН4.

Были проведены расчеты парникового эффекта различных малых составляющих атмосферы: СО2, фреонов, СН4, N2О, О3. Результаты показаны на рис. 64. Вырисовывается зависимость потепления климата от содержания СО2. Все остальные малые составляющие атмосферы, взятые вместе, дают примерно такой же эффект. В октябре 1985 года в Австрии было проведено совещание по обсуждению изменения климата на Земле вследствие парникового эффекта. В нем приняли участие более 100 видных ученых разных стран. Они пришли к выводу, что примерно к 2030 году произойдут такие изменения в количестве парниковых газов, которые эквивалентны удвоению количества СО2. Это значит, что поверхностная температура Земли увеличится на 3+1,5оС. Было рассчитано, как различные газы (СО2, О3, фреоны, Н2О, СН4, N20) влияют на повышение температуры Земли вследствие парникового эффекта. В наше время вклад СО2 в потепление примерно такой же, как вклад всех других газов (включая озон). Но в будущем столетии эффект нагрева во многом будет определяться озоном и другими газами, и только примерно на 30 % СО2.

Рис. 63. Рассчитанные изменения количества озона спустя 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100 лет.

Очень любопытны результаты расчета увеличения температуры Земли для различных скоростей увеличения количества СО2. В сценарии А принято, что количество СО2 удвоится к 2020 году. В сценарии В считалось, что это произойдет на 40 лет позднее. Считалось, что кроме СО2 в атмосфере имеются N2O, СН4, Ф-11, Ф-12. Полагалось, что в последующие 25 лет увеличение выброса в атмосферу этих газов резко уменьшится. В сценарии А полагалось, что выброс указанных газов все время увеличивается.

Рис. 64. Изменения количества различных соединений (CO2, N2O, СН4, Ф-11, Ф-12) после 1960 года.

Сценарий А. СО2 увеличивается со скоростью 1,5 % в год. CCl3F (время жизни равно 75 годам) увеличивается со скоростью 3 % в год. CCl2F2 (время жизни равно 150 годам) увеличивается с такой же скоростью (3 % в год). СН4 увеличивалось с 1958 по 1970 год со скоростью 0,6 % в год, в 1970-е годы — со скоростью 1 % в год, в 1980-е годы — со скоростью 1,6 % в год. N2O увеличивался в 1958 году со скоростью 0,1 % в год, в 1980 году — со скоростью 0,2 % в год. Этот газ в 2000 году будет увеличиваться со скоростью 0,4 % в год и в 2030 году — со скоростью 0,9 % в год. В сценарии В считалось, что СО2 увеличивается со скоростями: в 1990 году — 1 %, в 2000 году — 0,5 % и в 2010 году — 0 % (то есть не растет). CClO3F и CCl2F2 увеличиваются со скоростями: 2 % в 1990 году, 13% в 2000 году и 0,5 % в 2010 году. N2O увеличивается со скоростями от 3,5 % в год (в 1980-е годы) до 2,5 % в 1990 году, 1,5 % в 2000 году и 0,5 % в 2010 году. В данном сценарии считалось, что количество других газов-примесей не увеличивается во времени. Ограничением выбросов можно ограничить рост температуры Земли. В противном случае (сценарий А) этот рост температуры Земли катастрофически большой.

 

ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА В БУДУЩЕМ

Количество озона в атмосфере зависит от очень многих условий. Это и естественные условия в атмосфере, обусловленные главным образом солнечной энергией, и условия, которые создаются в атмосфере в результате деятельности человека. Очень трудно сейчас предсказать в точности, как будет меняться количество озона. Для этого надо правильно предсказать как солнечную активность, изменения в атмосфере в ближайшие десятилетия, так и последствия деятельности человека. Ни один из этих факторов неизвестен нам настолько хорошо, чтобы мы могли уверенно прогнозировать его на будущее. Тем не менее имеет смысл оценить, как может меняться озон в зависимости от изменения указанных факторов. На первом этапе исследований допустимо проанализировать влияние этих факторов по отдельности. Правда, если мы интересуемся реальной картиной, то должны проанализировать одновременное действие всех указанных факторов, от которых зависит количество озона. Это можно проиллюстрировать на таком примере. Если температура стратосферы в высоких широтах (в Арктике и Антарктике) остается не ниже некоторой критической величины, то разрушение озона идет там не очень быстро. Но при тех же условиях, то есть при тех же промышленных выбросах, но при более низкой стратосферной температуре, озон будет разрушаться катастрофически быстро, а на определенных уровнях он разрушится полностью. Так образовалась озонная дыра в Антарктиде.

Таким образом, важно не просто знать, как действуют на разрушение озона отдельные (естественные и антропогенные) факторы порознь, но и то, как они действуют все вместе, в комплексе. Чтобы получить правильный результат, недостаточно арифметически сложить результаты действия всех факторов по отдельности. При их одновременном действии реализуются особые ситуации, которые не возникают при действии каждого из факторов по отдельности. Надо сказать, что сейчас мы еще не в состоянии проводить расчеты, в которых были бы учтены все факторы, действующие разрушающе на озон. Мы еще многого не знаем о составе атмосферы, о тех реакциях, в которые вступают между собой разные составляющие атмосферы, о скоростях этих реакций, о динамике атмосферы и о многом другом, что необходимо для строгого проведения таких расчетов. Это все надо помнить при анализе тех результатов, которые получаются при таких расчетах. Надо помнить, что точность этих результатов невелика, хотя это и не так страшно. Более важно то, что они могут не отражать существа дела, если не учитывают какие-либо принципиально важные процессы или условия. После таких, на наш взгляд, крайне необходимых замечаний, приведем некоторые результаты расчетов изменения озона в будущем. В этих расчетах основной упор делался на антропогенные факторы, которые должны оказывать влияние на количество озона в атмосфере.

Расчеты количества озона проводились для следующих условий. Считалось, что количество (точнее, отношение смеси) N2O от года к году увеличивается на 0,25 %. За исходный момент взят 1980 год, когда отношение смеси N2O было равно 305 × 10-12. Считались два варианта для изменения количества метана СН4. В одном из них полагалось, что количество метана останется в будущем на уровне 1980 года. Это, конечно, нереально. Тем не менее результат такого расчета представляет определенный интерес. В 1980 году количество (отношение смеси) метана составляло 1,70 × 10-15. В другом варианте предполагалось, что количество метана увеличивается от года к году со скоростью 1,0 %.

К разряду основных веществ, которые прямо или косвенно участвуют в разрушении озона, относятся соединения, содержащие хлор. Это СН3Cl, CCl4, CH3CCl3, фреоны: 11(CFCl3), 12(CF2Cl2), 22(CHClF2), 113(C2Cl3F2). Эти вещества являются основными источниками тех хлорных соединений, которые в стратосфере разрушают озон. Все указанные вещества, содержащие хлор, забрасываются в атмосферу в результате работы промышленных установок. Время жизни указанных веществ от 50 до 100 лет. Только у СН3ССl3 оно равно 10 годам.

Во всех вариантах (сценариях) считалось, что количество СН3Сl сохраняется от года к году постоянным. В 1960 году отношение смеси СН3Cl составляло 0,6 × 10-12, а CCl4 — 0,1 × 10-12. Отношение смеси хлорных соединений в стратосфере равнялось 1 × 10-12.

Были проведены расчеты для четырех различных сценариев.

Сценарий А. Считалось, что хлорсодержащие вещества сохраняются на уровне 1980 года, а именно (цифры обозначают отношение смеси 1 × 10-12): CFCl3 (265), CF2Cl2 (485), CHClF2 (82), CH3CCl3 (504), CCl4 (60), CH3Cl (0, 6).

Сценарий Б. Все указанные хлорсодержащие вещества увеличиваются на 3 % в год начиная с 1980 года.

В расчетах принималось, что N2O увеличивается ежегодно на 0,25 %. Это основано на экспериментальных данных за 1976–1980 годы, когда наблюдалось увеличение на 0,2 % в год. Время жизни N2O равно примерно 150 годам в нижней атмосфере. Выше, в стратосфере N2O видоизменяется, частично превращаясь в NOx.

Роль N2O в разрушении озона очень важна и потому, что в зависимости от концентрации N2O разрушение озона хлорными соединениями идет с разными скоростями.

В данных расчетах принято, что количество метана за период с 1960 по 1980 год увеличивалось ежегодно на 1,1 %. После 1980 года принято увеличение метана равным 1,0 % в год.

Ниже стратосферы, в тропосфере, метан участвует в таких химических реакциях, в результате которых количество озона увеличивается. В стратосфере метан тесно связан с Cl, ClO и HCl, которые разрушают озон. Поэтому можно считать, что в стратосфере метан способствует разрушению озона.

Состав атмосферы (включая указанные вещества, участвующие прямо или косвенно в разрушении озона) зависит не только от высоты, но и от широты. Поэтому и разрушение, а значит, и количество озона должно зависеть от широты.

При одних условиях главными разрушителями озона являются соединения, содержащие азот (нитраты), а при других условиях — вещества, содержащие хлор. Анализ показал, что в тех условиях, которые реализуются в атмосфере экваториальной зоны, более эффективно разрушают озон нитраты. По мере удаления от экватора, то есть при увеличении широты, эта эффективность уменьшается. Что касается веществ, содержащих хлор, то их роль в разрушении озона возрастает по мере удаления от экватора к полюсам. Таким образом, та и другая группы веществ имеют свои широтные зоны, в пределах которых они разрушают озон наиболее эффективно. К этому надо добавить, что NОх вступает в реакции с веществами, содержащими хлор, которые в конце концов способствуют разрушению озона. Поэтому не следует рассматривать действие этих двух групп соединений отдельно друг от друга.

Расчеты показывают, что на первом этапе разрушения озона наиболее важную роль в этом будут играть хлорные соединения. Поскольку их эффективность больше в высоких широтах, то на первом этапе озон будет разрушаться более эффективно в высоких широтах обоих полушарий. Впоследствии процесс разрушения озона захватит и средние и даже низкие широты. Естественно, что необходимо учитывать разрушающее действие как хлорных, так и азотных соединений.

Какие же изменения озона следуют из данных расчетов? Наиболее эффективно озон разрушается хлорными соединениями на высотах 30–40 км. Данные измерений за период с 1970 по 1980 год свидетельствуют о том, что на этих высотах количество озона ежегодно уменьшалось примерно на 0,2–0,3 %. Эти изменения показаны на рис. 65 (треугольники). Там же (кривая 1) показаны рассчитанные изменения озона при условии неизменности температуры. Кривой 2 показаны изменения озона с учетом изменения температуры (которые взяты из других расчетов). Кривой 3 показаны изменения озона в зависимости от высоты (атмосферного давления), которые были рассчитаны при учете только высотных изменений свойств атмосферы, то есть по одномерной модели.

Рис. 65. Высотное изменение озона (отклонение от среднего, в %), измеренное за период с 1970 по 1980 год (треугольники).

Из приведенных на рис. 74 результатов расчетов и их сопоставления с данными измерения озона можно сделать вывод, что расчеты в первом приближении удовлетворительно отражают наблюдаемое высотное изменение озона. Видно, что расчеты без учета температурных изменений плохо отражают реальное высотное распределение изменения озона.

Это своего рода проверка, апробация модели. Можно считать, что модель более или менее удовлетворительна. Значит, по ней можно считать то изменение озона, которое будет происходить в будущем.

Расчеты по данной модели показывают, что в средней и верхней стратосфере максимум уменьшения озона в 1980 году составляет 15 %, в 2000 году — 40 %, а в 2020 году — все 65 %. В нижней стратосфере в низких и средних широтах количество озона увеличивается. Это происходит под действием проникающего ультрафиолетового излучения Солнца.

В тропосфере в тропических широтах количество озона увеличивается в результате увеличения количества метана.

В низких широтах количество озона в столбе (на всех высотах) меняется мало. Но меняется существенно его распределение по высоте. А это приведет к изменению теплового баланса в атмосфере и в конце концов к изменению климата.

На рис. 66 показано уменьшение количества озона на разных широтах (0, 20, 40, 60 и 80о северной широты) вплоть до 2030 года.

Рис. 66. Уменьшение количества озона на разных широтах (0, 20, 40, 60 и 80° северной широты) до 2030 года.

Расчеты выполнены по условиям сценария А, согласно которому увеличивается от года к году количество как N2O, так и СН4. Расчеты выполнены для условий весны в северном полушарии. Это сделано потому, что именно в весенний сезон наибольшее изменение (уменьшение) озона имеет место в высоких широтах. Именно в это время года в Антарктиде образуется озонная дыра.

Согласно расчетам к 2030 году на 60о северной широты количество озона уменьшится на 8,3 %, а на 40о северной широты — на 3,8 %. Количество озона вокруг всей Земли к этому времени уменьшится примерно на 2 %.

Следует иметь в виду, что с течением времени (десятилетий) будет происходить не только разрушение озона. Одновременно будет изменяться и состав атмосферы. В новых условиях начнут протекать новые химические реакции с участием соединений хлора, в которых будет разрушаться озон. Таких реакций будет очень много. Поэтому примерно через 40 лет (то есть к 2020–2030 годам) разрушение озона будет происходить еще более эффективно.

Важно представлять, какие изменения в количестве озона производят по отдельности различные озоноразрушающие вещества (Clx, CH4, N2O, CO2) (рис. 67). Расчеты проведены при следующих предположениях: концентрации СО2, СН4 и N20 непрерывно увеличиваются на 0,5, 1,0 и 0,2 % в год соответственно. Увеличение фреонов Ф-11 и Ф-12 принято разное (0,0, 1,5 и 3,0 %). То есть рассчитывались три варианта для фреонов.

Рис. 67. Вклад различных веществ в разрушение озона.

Результаты расчетов показали, что если количество фреонов увеличивается на 1,5 % ежегодно, то в ближайшие 70 лет общее содержание озона уменьшится на 3 %. Если же количество фреонов будет увеличиваться от года к году быстрее, со скоростью 3 % в год, то за эти же 70 лет содержание озона уменьшится на 10 %. Затем произойдет его резкое, катастрофическое уменьшение. Это показано на рис. 68.

Рис. 68. Изменения количества озона (в %), рассчитанные при различных условиях.

Более подробно процессы рождения и исчезновения озона нами рассмотрены в монографии «Озонные дыры: мифы и реальность» («Мысль», 1993).

 

ЗАЩИТА ОЗОННОГО СЛОЯ

В защиту озонного слоя была принята Международная Венская конвенция, к которой присоединилась и наша страна. В ней, в частности, сказано следующее (приводим выборочно):

Стороны настоящей Конвенции, сознавая потенциально пагубное воздействие изменения состояния озонного слоя на здоровье человека и окружающую cреду, ссылаясь на соответствующие положения Декларации Конференции Организации Объединенных Наций по проблемам окружающей человека cреды и, в частности, на принцип 21, который предусматривает, что «в соответствии с Уставом Организации Объединенных Наций и принципами международного права государства имеют суверенное право разрабатывать свои собственные ресурсы согласно своей политике в области окружающей cреды и несут ответственность за обеспечение того, чтобы деятельность в рамках их юрисдикции или контроля не наносила ущерба окружающей среде других государств или районов за пределами действия национальной юрисдикции».

Принимая во внимание обстоятельства и особые потребности развивающихся стран, учитывая работу и исследования, проводимые как в международных, так и в национальных организациях и, в частности, Всемирный план действий по озонному слою Программы Организации Объединенных Наций по окружающей среде, учитывая также предупредительные меры по защите озонного слоя, уже принятые на национальном и международном уровнях, сознавая, что меры по охране озонного слоя от изменений в результате деятельности человека требуют международного сотрудничества и действий на международном уровне и должны основываться на соответствующих научно-технических соображениях, сознавая также необходимость проведения дальнейших исследований и систематических наблюдений для получения дополнительных научных сведений об озонном слое и о возможных отрицательных последствиях изменения его состояния.

Исполненные решимости защитить здоровье людей и окружающую среду от неблагоприятного воздействия изменений состояния озонного слоя, договорились о следующем:

Статья 2

Общие обязательства

1. Стороны принимают надлежащие меры в соответствии с положениями настоящей Конвенции и тех действующих протоколов, участниками которых они являются, для защиты здоровья человека и окружающей среды от неблагоприятных последствий, которые являются или могут являться результатом человеческой деятельности, изменяющей или способной изменить состояние озонного слоя.

2. С этой целью стороны в соответствии с имеющимися в их распоряжении средствами и со своими возможностями:

а) сотрудничают посредством систематических наблюдений, исследований и обмена информацией, для того чтобы глубже познать и оценить воздействие деятельности человека на озонный слой и последствия изменения состояния озонного слоя для здоровья человека и окружающей среды;

б) принимают надлежащие законодательные или административные меры и сотрудничают в согласовании соответствующих программ и мероприятий для контролирования, ограничения, сокращения или предотвращения деятельности человека, подпадающей под их юрисдикцию или контроль, если будет обнаружено, что эта деятельность оказывает или может оказать неблагоприятное влияние, изменяя или создавая возможность изменения состояния озонного слоя;

в) сотрудничают в разработке согласованных мер, процедур и стандартов для выполнения настоящей Конвенции в целях принятия протоколов и приложений;

г) сотрудничают с компетентными международными органами в целях эффективного выполнения настоящей Конвенции и протоколов, участниками которых они являются.

3. Положения настоящей Конвенции никаким образом не затрагивают права Сторон принимать в соответствии с международным правом внутригосударственные меры в дополнение к мерам, предусмотренным в пунктах 1 и 2 выше; они не затрагивают также дополнительных внутригосударственных мер, уже принятых Сторонами, при условии, что такие меры совместимы с их обязательствами в рамках настоящей комиссии.

Статья 3

Исследования и систематические наблюдения

1. Стороны обязуются в соответствующем порядке организовать исследования и научные оценки и сотрудничать непосредственно или через компетентные международные органы в их проведении по следующим вопросам:

а) физические и химические процессы, которые могут влиять на озонный слой;

б) влияние на здоровье человека и другие биологические исследования, вызываемые изменениями состояния озонного слоя, особенно изменениями ультрафиолетового солнечного излучения, влияющего на живые организмы (УФ-В);

в) влияние изменений состояния озонного слоя на климат;

г) воздействие любых изменений состояния озонного слоя и любого последующего изменения интенсивности излучения УФ-В на природные и искусственные материалы, используемые человеком;

д) вещества, практика работы, процессы и виды деятельности, которые могут влиять на озонный слой, и их кумулятивное воздействие;

е) альтернативные вещества и технологии;

ж) соответствующие социально-экономические вопросы;

а также по другим вопросам, подробно рассматриваемым в приложениях I и II.

2. Стороны обязуются сами или через компетентные международные органы с полным учетом национального законодательства и такого рода деятельности, проводимой как на национальном, так и на международном уровнях, содействовать проведению или проводить совместные или взаимодополняющие программы систематических наблюдений за состоянием озонного слоя и другими соответствующими параметрами, как это предусмотрено в приложении I.

3. Стороны обязуются сотрудничать непосредственно или через компетентные международные органы в обеспечении сбора, проверки и регулярной и своевременной передачи исследовательских данных через соответствующие международные центры данных.

Статья 4

Сотрудничество в правовой и научно-технической областях

1. Стороны содействуют и благоприятствуют обмену научно-технической, социально-экономической, коммерческой и правовой информацией, имеющей отношение к настоящей Конвенции, в соответствии с более подробными положениями, содержащимися в приложении II. Такая информация предоставляется органам, о которых договорятся Стороны. Любой такой орган, получающий информацию, которую поставляющая сторона считает конфиденциальной, гарантирует неразглашение такой информации и обобщает ее таким образом, чтобы сохранить ее конфиденциальный характер до того, как она будет предоставлена в распоряжение всех Сторон.

2. Стороны сотрудничают в соответствии с их национальными законами, нормами и практикой и с учетом, в частности, потребностей развивающихся стран в содействии, непосредственно или через компетентные международные органы, развитию и передаче технологии и знаний. Такое сотрудничество осуществляется, в частности, путем:

а) облегчения приобретения альтернативных технологий другими Сторонами;

б) предоставления им информации об альтернативных технологиях и оборудовании и соответствующих инструкций или руководств;

в) поставки необходимого оборудования и аппаратуры для проведения исследований и систематических наблюдений;

г) подготовки необходимых научно-технических кадров.

Статья 12

Подписание

1. Настоящая Конвенция открыта для подписания в Федеральном министерстве Иностранных дел Австрийской Республики в Вене с 22 марта 1985 года по 21 сентября 1985 года и в центральных учреждениях Организаций Объединенных Наций в Нью-Йорке с 22 сентября 1985 года по 21 марта 1986 года.

Статья 13

Ратификация, принятие или одобрение

1. Настоящая Конвенция и любой протокол подлежат ратификации, принятию или одобрению государствами и региональными организациями экономической интеграции. Документы о ратификации, принятии или одобрении сдаются на хранение Депозитарию.

Статья 17

Вступление в силу

1. Настоящая Конвенция вступает в силу на девяностый день со дня сдачи на хранение двадцатого документа о ратификации, принятии, одобрении или присоединении.

2. Совершено в Вене 22.03.85 г.

Приложение I

Исследования и систематические наблюдения

1. Стороны Конвенции признают, что главными научными проблемами являются:

а) изменение озонного слоя, которое может иметь результатом изменение интенсивности солнечного ультрафиолетового излучения, влияющего на живые организмы (УФ-В) и достигающего поверхности Земли, и возможные последствия для здоровья человека, организмов, экосистем и материалов, используемых человеком;

б) изменение вертикального профиля озона, которое может нарушить температурную структуру атмосферы, и возможные последствия для погоды и климата.

2. Стороны Конвенции в соответствии со статьей 3 сотрудничают в проведении исследований и систематических наблюдений и формулировании рекомендаций дальнейших исследований и в наблюдениях в таких областях, как:

а) исследование физики и химии атмосферы;

б) комплексное теоретическое моделирование: дальнейшая разработка моделей, рассматривающих взаимодействие радиационных, динамических и химических процессов;

в) полевые измерения;

г) разработка приборов;

д) исследование влияния изменений озонного слоя на здоровье человека, биосферу и процессы фоторазложения;

е) связь видимого и ультрафиолетового солнечного облучения человека, а) с развитием как немеланомного, так и меланомного рака кожи, б) воздействием на иммунную систему;

ж) воздействие излучения УФ-В в зависимости от длины волны, а) на сельскохозяйственные культуры, леса и другие экосистемы суши и б) на пищевую цепочку водных экосистем и рыболовство, а также возможное торможение выделения кислорода морским фитопланктоном;

з) механизмы воздействия излучения УФ-В на биологические вещества, виды и экосистемы, включая связь между дозой, мощностью дозы и реакцией; фоторепорация, адаптация и защита;

и) выявление возможного взаимодействия зон с различной длиной волны путем изучения биологических спектров действия и спектральной реакции на полихроматическое облучение;

к) воздействие излучение УФ-В на чувствительность и активность биологических видов, играющих важную роль в балансе биосферы; на такие первичные природные процессы, как фотосинтез и биосинтез;

л) воздействие излучения УФ-В на фоторазложение загрязняющих веществ, сельскохозяйственных химикатов и других материалов.

Исследование воздействия на климат:

а) теоретическое исследование и наблюдение за радиационным эффектом озона и других микроэлементов и влиянием на климатические параметры, такие, как температура поверхности суши и океанов, характер осадков, обмен между тропосферой и стратосферой;

б) исследование влияния таких изменений климата на различные виды человеческой деятельности.

Систематические наблюдения за:

а) состоянием озонного слоя (пространственная и временная изменчивость общего содержания и вертикального профиля озона) путем окончательного введения в строй глобальной системы наблюдения за озонным слоем, базирующейся на интеграции спутниковых и наземных систем наблюдения;

б) тропосферной и стратосферной концентрацией исходных газов на содержание в них HOX, NOX и ClOX, а также углеродистых соединений;

в) температурой от земной поверхности до мезосферы с использованием как наземных, так и спутниковых систем;

г) волновым составом потока солнечной радиации, достигающего земной атмосферы, и за тепловым излучением, покидающим ее, с использованием данных со спутников;

д) волновым составом потока солнечной радиации, достигающего земной поверхности в ультрафиолетовой части спектра и влияющего на живые организмы (УФ-В);

е) свойствами с распределением аэрозолей в слое от земной поверхности до мезосферы с использованием наземных, самолетных и спутниковых систем наблюдений;

ж) переменными, имеющими большое значение для климатологии, на основе осуществления программ высококачественных метеорологических поверхностных измерений;

з) микроэлементами, температурой, потоком солнечной радиации и аэрозолями, используя более совершенные методы анализа глобальных данных.