— Александр Николаевич, расскажите, пожалуйста, в двух словах о формировании озонового слоя земной атмосферы и факторах, его разрушающих.
— Начну с того, что атмосфера делится на несколько больших слоёв, которые включают тропосферу, стратосферу, мезосферу. Мы живём в нижнем, приземном слое тропосферы. А основной — озоновый слой, примерно 90% общего количества озона находится в стратосфере, на высоте от десяти до 50 километров над поверхностью Земли, и только около 10% содержится в тропосфере. Озоновые дыры — это области с сильно пониженной концентрацией озона в стратосфере. Озон образуется фотохимическим путём в присутствии ультрафиолетового солнечного излучения. И разлагается он тоже химическим путём — в атмосфере протекает много таких реакций. Дело в том, что в атмосфере, помимо озона, кислорода и азота, содержится ещё ряд иных, химически активных примесей. Атмосферная циркуляция приводит к перераспределению озона над поверхностью Земли. В основном озон образуется в тропической стратосфере, где высокая интенсивность ультрафиолетовой солнечной радиации. Из этой области озон атмосферной циркуляцией переносится в другие широты, в том числе в полярные области, где он может накапливаться — там ниже скорость реакций, разрушающих озон. По этой причине количество озона в стратосфере в высоких широтах больше, чем в стратосфере тропиков, где он большей частью образуется.
Озоновые дыры — сезонное явление, которое с середины 80-х годов прошлого века каждую весну наблюдается над Антарктидой, а в отдельные годы — и над Арктикой. Над Антарктидой озон в нижнем слое стратосферы может разрушаться практически полностью.
— Почему так происходит в полярных широтах, если на экваторе солнечная радиация, напротив, приводит к образованию озона в атмосфере?
— В этом случае задействуется специфический механизм, который работает при сочетании нескольких условий. Зимой, во время полярной ночи, в стратосфере развивается сильное западное течение, окружающее полярную область, — стратосферный полярный вихрь. Он препятствует переносу тепла и озона в полярную область, и стратосфера сильно охлаждается. Если температура в нижней стратосфере опускается ниже определённого порогового значения, около -80 °С, то там могут возникать стратосферные полярные облака, состоящие из аэрозольных частиц, образующихся при конденсации паров воды и азотной кислоты.
На частицах этих облаков протекают реакции, приводящие в итоге к накоплению в атмосфере молекулярного хлора, которого в обычных условиях мало. С приходом весны под действием солнечного излучения эти молекулы быстро расщепляются на активные радикалы, атомы хлора, которые разрушают озон.
— Новое климатическое моделирование NASA показало, что крупные вулканические извержения могут значительно повлиять на изменение климата Земли и разрушение озонового слоя. Исследователи отметили, что в этом случае озоновому слою вредит водяной пар, поднявшийся в атмосферу. Он мешает циркуляции в атмосфере, необходимой для перераспределения озона, а также разрушает озон воздействием гидроксильных радикалов. Можно ли говорить о том, что глобальное потепление тоже разрушает озоновый слой? Ведь парниковый эффект тоже сопровождается ростом концентрации водяного пара в атмосфере.
— Водяной пар преимущественно находится в тропосфере в ограниченном количестве — если относительная влажность превышает 100%, он конденсируется и выпадает в виде осадков. Но более тёплая атмосфера содержит при 100%-ной влажности больше водяного пара, чем более холодная. Поэтому может оказаться, что количество водяного пара в тропосфере, то есть абсолютная влажность, при потеплении будет возрастать. Водяной пар частично проникает из тропосферы в стратосферу, особенно в тропиках, где развита сильная конвекция. Если поток водяного пара в стратосферу при глобальном потеплении не будет ослабевать из-за изменения циркуляции, то его содержание в стратосфере может возрасти.
Озон образуется в атмосфере в результате реакции атомарного кислорода (О) и молекулярного кислорода (O₂) при наличии ультрафиолетового излучения. Разрушение озона происходит под действием ультрафиолетового излучения и, главным образом, в реакциях с другими химически активными примесями, такими как окислы азота, водородсодержащие радикалы, хлорные радикалы.
В стратосфере из водяного пара под действием ультрафиолетового излучения образуются активные водородсодержащие радикалы: атомарный водород Н и гидроксил ОН. По этой причине скорость химического разрушения стратосферного озона при глобальном потеплении может в принципе возрасти. Если при глобальном потеплении произойдёт ослабление стратосферной циркуляции, переносящей озон из тропиков в средние и высокие широты, то это послужит дополнительным негативным фактором для озонового слоя.
— Влияет ли истощение озонового слоя на процесс глобального потепления?
— При поглощении озоном ультрафиолетовой солнечной радиации часть поглощённой энергии превращается в тепло, и, таким образом, озон влияет на температуру стратосферы. Крупномасштабная циркуляция в атмосфере определяется контрастом температуры. Поэтому изменение нагревания за счёт озона влияет на циркуляцию стратосферы. Между стратосферой и тропосферой имеется взаимодействие. Некоторые данные наблюдений и численное моделирование говорят о том, что изменения содержания стратосферного озона, вероятно, влияют на процессы в нижней тропосфере. Но говорить уверенно об их влиянии на глобальное изменение климата мы пока не можем.
— В последние годы тема озоновых дыр выпала из фокуса внимания общественности и экологов, её место заняла тема глобального потепления. Считается, что в целом человечеству удалось затормозить разрушение озонового слоя атмосферы через исполнение Монреальского протокола. Однако представленная на сайте NASA статистика по годам начиная с 1979 года не свидетельствует о заметном росте концентрации озона в атмосфере. Например, в сентябре 1999 года максимальная площадь озоновой дыры над Антарктидой составляла почти 26 млн кв. км, а осенью 2021 года — порядка 25 млн. Что это означает, почему, несмотря на все усилия правительств, до сих пор нет явного прогресса?
— Общество проявляет внимание к тому, о чём ему рассказывают СМИ. Возможно, смена глобальной экологической повестки с озоновых дыр на проблему глобального потепления была обусловлена не только объективными научными причинами, но и политическими, экономическими мотивами. Очевидно, что такие международные соглашения, как Киотский, Парижский, Монреальский протоколы, — все они затрагивают политико-экономическую сферу.
В чём опасность хлорфторсодержащих веществ, известных под названием «фреоны»? Их время жизни в нижней атмосфере большое. Поэтому они успевают проникнуть в стратосферу, где становятся под влиянием ультрафиолетового солнечного излучения источником активных хлорных радикалов, способных разрушать озон.
Благодаря Монреальскому протоколу рост концентрации этих веществ в атмосфере замедлился или концентрация даже начала снижаться — с разными веществами ситуация разная. Но их содержание пока ещё довольно высокое.
Кроме того, не следует забывать о решающей роли атмосферной циркуляции — именно она создаёт условия для реализации того механизма разрушения озона, который происходит в области озоновых дыр.
Атмосфера — очень изменчивая среда, условия в ней сильно меняются год от года. Поэтому медленные изменения, которые характеризуют постепенное восстановление озонового слоя, трудно выявить на фоне этой сильной межгодовой изменчивости. Для этого нужно накопить большой наблюдательный материал, на протяжении многих лет. Однако уже имеются экспериментальные свидетельства, ещё не вполне уверенные, что уменьшение содержания стратосферного озона замедлилось, а в ограниченных областях начался его слабый рост. Расчёты с использованием численных моделей предполагают, что восстановление озонового слоя до состояния, предшествующего периоду озоновых дыр, произойдёт через несколько десятков лет.
— Каждый месяц публикуются озоновые карты — по ним видно, что распределение озона постоянно меняется, хотя есть и основные проблемные зоны, такие как Арктика. Часто ли такие дыры возникают над густонаселённой местностью? И если да, то насколько это опасно для людей?
— В Антарктике люди практически не живут, и там повышение уровня ультрафиолетового излучения угрожает в основном животным и морской биоте, если они к этому воздействию чувствительны. Однако в результате ослабления полярного вихря весной стратосферный воздух с малым содержанием озона из антарктической области может смещаться на населённые районы, вплоть до Австралии.
Что касается Арктики, здесь ситуация иная, поскольку в арктической зоне живёт немало людей — это и Скандинавия, и наше побережье — Мурманск, Архангельск и т. п. К счастью, озоновые аномалии в Арктике проявляются слабее и реже, чем над Антарктикой.
К слову, в тропиках, где живёт множество людей, общее содержание озона всегда небольшое. Кроме того, там солнце стоит высоко, в отличие от полярных регионов. Правда, живущие там люди больше приспособлены переносить воздействие ультрафиолета, у них обычно более тёмная кожа, чем у жителей средних и высоких широт.
— Бывает, что общепринятые научные теории со временем пересматриваются. Есть ли сегодня основания для пересмотра подхода, согласно которому главная причина образования озоновых дыр — выброс в атмосферу фреонов?
— Есть несколько семейств веществ, разрушающих озон в атмосфере. Это водородосодержащие, азотсодержащие, бром- и хлорсодержащие вещества. Однако их воздействие на озон различно. Например, скорости реакций озона с бромом и хлорсодержащими радикалами высокие, но эффективность их влияния на озон в обычных условиях невелика, потому что они в обычных условиях быстро превращаются в химически инертные вещества, не взаимодействующие с озоном. Поэтому большую роль играет наличие условий для протекания реакций. Например, благоприятные условия для разрушения озона хлорными радикалами возникают в зимне-весенний период в полярных областях.
Есть механизмы, детали которых не вполне изучены и понятны учёным, — например, реакции, которые протекают на аэрозольных частицах полярных облаков. В малоисследованных областях ещё могут таиться неожиданности и открытия.
— Химическая промышленность развивается. Появились ли за прошедшие десятилетия новые вещества, которые не включены в Монреальский протокол, но выбрасываются в атмосферу и разрушают озоновый слой?
— После подписания Монреальского протокола стали переходить на заменители попавших под ограничение веществ. Впоследствии подписывались дополнения к протоколу, расширяющие список веществ, разрушающих озон. Однако среди заменителей есть такие, которые обладают другими нежелательными свойствами. Например, некоторые из них оказались сильными парниковыми газами. Увеличение их концентрации в атмосфере способно ускорить глобальное потепление.
И процесс поиска соединений, которые можно применять в промышленном производстве, но которые не разрушали бы озон и не приводили к парниковому эффекту, продолжается.
— Какой можно сделать долгосрочный прогноз: человечество всё же справилось с проблемой озоновых дыр или это слишком оптимистичная оценка?
— Выполнение решений Монреальского протокола, сокращение промышленных выбросов фреонов позволило стабилизировать ситуацию, привело к постепенному снижению концентрации таких веществ в атмосфере.
А если говорить в целом, то главная проблема — не столько в выбросе каких-то отдельных веществ, сколько в идеологии и мировоззрении общества. В обществе потребления проблемы будут возникать одна за другой: и разрушение озонового слоя, и глобальное потепление… Идеологию потребления постепенно навязали почти всему миру, и, конечно, в результате страдает окружающая среда.