CC BY
59
Взаимодеиствие системы «атмосферный озон — климат»
Многие из нас знакомы с объявлением стюардесс: «Уважаемые пассажиры, мы летим на высоте 9 тыс. м, температура за бортом -40 0С». Действительно, физика атмосферы такова, что температура воздуха падает с ростом высоты. Именно поэтому горные вершины покрыты снегом, даже если они расположены в жарких странах.
Александр Красовский,
доцент кафедры общего землеведения и гидрометеорологии географического факультета Бгу, кандидат физико-математических наук
леонид турышев,
директор национального научно-исследовательского центра мониторинга озоносферы Бгу
Это происходит потому, что при подъеме воздуха он расширяется из-за падения давления. работа по расширению осуществляется за счет уменьшения внутренней энергии — в результате температура падает. однако не многие знают, что если мы будем подниматься еще, то начиная примерно с 11 км температура начнет расти и на высоте 50 км достигнет положительных значений. область ее понижения называется тропосферой, а область нарастания — стратосферой. Почему же в стратосфере температура растет? основной ее «грелкой» является озон — вещество, молекула которого содержит три атома кислорода.
в 1881 г. уолтер хартли исследовал оптические характеристики озона в лабораторных условиях и «на кончике пера» доказал, что ослабле-
ние солнечного излучения в ультрафиолетовой области спектра объясняется наличием озона в верхних слоях атмосферы. зона поглощения озона, определяющая нагрев стратосферы, называется полосой хартли (250—320 нм). Способность озона поглощать ультрафиолетовое излучение (коэффициент поглощения) в области полосы хартли сравнима с поглощательной способностью металлов. Этим объясняется тот факт, что, существуя в атмосфере в ничтожных количествах — в каждых 10 млн молекул воздуха находится в среднем лишь 3 молекулы озона, — он полностью поглощает губительное для всего живого ультрафиолетовое излучение Солнца в той области спектра, где никакой другой атмосферный газ сделать это не в состоянии. в реальной
атмосфере озон непрерывно создается и разрушается, взаимодействуя при этом с молекулами воды либо с гидроксилом («обломком» молекулы воды, возникающим в стратосфере под действием жесткого излучения), окислами азота и галогенов, участвуя в фотохимических реакциях. При этом многие их них обратимы — идут как в прямом, так и в обратном направлении. замкнутые цепочки этих реакций называют циклами. Иа разных высотах доминирующими оказываются различные ответвления цепочек. впервые фотохимическую модель преобразования озона в атмосфере предложил Сидней Чепмен в 1929г. В цикл Чепмена входило всего четыре реакции, однако по тем временам он смог достаточно точно определить расположение озонового слоя
(сегодня фотохимические модели озона включают до 100 реакций). В совокупности фотохимические реакции озоновых циклов и поглощение в полосе хартли обеспечивают, в сочетании с уникальными энергетическими свойствами химической связи, преобразование энергии Солнца в тепловую энергию, создающую «радиационную крышку» на «термодинамической кастрюле» погоды.
вообще говоря, температура с ростом высоты и без наличия озона должна проходить через минимум и затем повышаться. Так происходит на всех планетах, имеющих атмосферу, в том числе и на нашей. однако этот минимум в атмосфере Земли расположен гораздо выше — на высоте 90 км. Таким образом, благодаря озону в ней (и только на земле) существует второй — нижний — минимум температуры (рис. 1). Эта особенность существенно влияет на общую циркуляцию атмосферы и климат.
обнаруженная после озонового слоя область нагрева — стратосфера — длительное время не связывалась учеными с озоном и его превращениями. Считалось, что термодинамически устойчивая стратосфера не может влиять на погоду и климат тропосферы и приземного слоя. Лишь
ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА
в 2003 г. Евросоюз инициировал издание обзора «Взаимодействие озон — климат» [1], где впервые была показана сложная многоступенчатая связь между тропосферными и стратосферными процессами. В конце 2010 г. в очередном аналитическом обзоре ВМО о состоянии озонового слоя появилась глава 4 «Стратосферные изменения и климат», была сделана попытка систематизировать наблюдаемые изменения в обоих слоях атмосферы и проанализировать связь между ними [2]. можно сказать, что мы — свидетели революционных преобразований в научных представлениях о стратосферно-тропосферных связях. Каковы же они сегодня? Прежде всего напомним о закономерностях общей циркуляции атмосферы. Из-за наличия «верхней инверсии» (тропопаузы) восходящие потоки воздуха не могут проникать в стратосферу, так как, поднимаясь, окажутся холоднее, а значит, плотнее окружающего воздуха и по закону Архимеда должны «тонуть».
В результате воздушные потоки, движущиеся в тропосфере и стратосфере, не смешиваются между собой. Тем не менее в экваториальном поясе, в области мощной циклонической деятельности, воздух поднимается из тропосферы в стратосферу через зону тропопаузы. Вместе с потоком воздуха в стратосферу попадают водяной пар, тропосферные аэрозоли, парниковые и другие активные газы (рис. 2).
Попав в стратосферу, воздух начинает двигаться к полюсу, подворачиваясь на восток в результате действия силы
т
рис. 1. вертикальное распределение относительной концентрации озона и ход температуры в атмосфере
km/[K]
17/380 UpperTTL 15/360 Lower TTL 12/345
Stratospheric Overworld CPT Ь.
OC Ci Г* .............................................к...............................г......
л t ч MCO
У „IV + //#/ ,
Ci: Перистые облака. CRT: Область наименьшейt в тропопаузе. FT: Свободная тропосфера. LMS: Нижний слой стратосферы. BL: Пограничный слой. MCO: Максимальный конвективный отток. TTL: Слой тропической тропопаузы. zo: Слой радиационного нагревания. положение тропопаузы обозначено жирной черной линией.
рис. 2. схема возможных путей динамического переноса короткоживущих и долгоживущих малых составляющих атмосферы в стратосферу тропической зоны
1980 Время
конец XXI века
рис. 3. концептуальная диаграмма изменения состояния озонового слоя в период с 1960 по 2100 г.
Черная ломаная линия — результаты измерений содержания озона в атмосфере за период наблюдений. Красная кривая —усредненное сглаженное состояние количества озона, наблюдаемого в настоящее время и прогнозируемого в будущем. Закрашенная розовым цветом область — разброс различных моделей предсказаний. Уровень отсчета Монреальского протокола 1980 г. показан сплошной горизонтальной линией. Три различных этапа восстановления озона очерчены пунктирными эллипсами
Кориолиса и обгоняя таким образом вращающуюся Землю. В полярных районах происходит антициклоническое опускание воздуха обратно к поверхности.
Вулканические извержения также формируют мощные локальные конвективные потоки, способные преодолеть барьер тропопаузы. извержение вулканов, особенно в тропической зоне, способствует проникновению в стратосферу большого количества аэрозольных и газовых составляющих, влияющих на состояние озонового слоя. Попавшие в стратосферу активные примеси не могут осесть и остаются там на длительный срок. После сильных вулканических извержений количество озона в атмосфере существенно понижается на несколько лет. Это показывает, что озоновый слой — очень уязвимое образование, чутко реагирующее на изменение состава стратосферы. Инертные в обычных условиях озоноразрушающие вещества — хлорфторуглеро-ды (ХФУ) способны преодолевать барьер тропопаузы на любой широте. Попадая в стратосферу и разрушаясь под действием Уф-излучения Солнца, ХФУ выделяют свободный хлор, участвующий в каталитических реакциях разрушения озона. Именно рост производства ХФУ стал причиной резкого сокращения озона в атмосфере во второй половине ХХ в. На рис. 3 показано изменение состояния озонового слоя Земли с 1960 г. по настоящее время и примерный сценарий его развития до конца ХХ| в.
Ученые правильно смоделировали наклон кривой истощения озонового слоя в
№4(98) Апрель 2011 НАУКА И ИННОВАЦИИ 15
прошлом (эллипс 1) и время начала его восстановления (эллипс 2). однако прогноз времени и темпов полного восстановления (эллипс 3) не кажется таким однозначным. Это связано с тем, что динамика, а также химический состав и стратосферы, и тропосферы стремительно меняются.
охарактеризуем основные изменения в состоянии стратосферы. Во-первых, существенное ее похолодание, несмотря на восстановление озона, особенно в полярных районах. Доминирующее в настоящее время объяснение — увеличение концентрации парниковых газов, экранирующих длинноволновое излучение поверхности земли, что подтвердить расчетами пока не удается. В результате увеличения температурного градиента должно было бы происходить ускорение стратосферной циркуляции. Тем не менее экспериментального подтверждения этого факта нет. Более того, новые оценки динамики восстановления антарктической озоновой аномалии предполагают, что это произойдет на 15—25 лет позже, чем по оценкам, выполненным в 2003 г. [1].
Во-вторых, произошло уменьшение количества воды в стратосфере, что для озона, скорее всего, положительная тенденция. однако почему это происходит, пока неясно, ведь восходящие конвективные потоки в тропиках, считавшиеся основными «поставщиками» воды, усилились. Возможно, это связано с тем, что уже почти 20 лет на земле не происходит мощных вулканических извержений, сопровождающихся выбросами в стратосферу.
В то же время количество твердых аэрозолей — крупных частиц, рассеивающих излучение и участвующих в разрушении молекул озона, — увеличилось, а это должно приводить к изменению радиационного баланса по всей глубине атмосферы.
особняком стоит различие в поведении стратосферы Северного и Южного полушарий в полярных районах. Симметричное расположение материка и океана в районе южного полюса позволило создать достаточно надежную модель поведения антарктической «дыры». В Северном полушарии из-за наличия океана в центре полярной зоны и значительного влияния крупных материков, а также существования мощных меридиональных морских течений весенняя озоновая аномалия не стоит на месте, а мигрирует внутри полярного стратосферного вихря. Наиболее часто она «гостит» в районе Скандинавии, периодически посещая и нашу страну. Попытки просчитать динамику озоновых аномалий в Северном полушарии пока успехом не увенчались. Все приведенные выше соображения — неопровержимое доказательство влияния регионального климата на озоновый слой. Существует ли обратная связь? В настоящий момент ученые отвечают на этот вопрос утвердительно. Сложность механизмов взаимодействия системы «атмосферный озон — климат» демонстрирует рис. 4.
Если проследить представленные на нем основные связи, становится ясным, что их взаимодействие определяется изменением температуры воздуха в
зоне тропопаузы и ее высотой. Напомним, что само существование тропопаузы обусловлено наличием озонового слоя в стратосфере, поглощающего часть коротковолновой солнечной радиации и формирующего за счет этого зону локального разогрева с максимумом на высоте ~ 50 км. Кроме того, солнечное излучение поглощается или на поверхности земли, вызывая ее нагрев и следующую за ним адиабатическую вертикальную конвекцию, или в стратосфере.
очевидно, что высота тропопаузы определяется всей совокупностью процессов, протекающих как в тропосфере, так и в стратосфере. увеличение количества энергии в тропосфере приводит к подъему тропопаузы. уменьшение содержания озона также должно сопровождаться подъемом тропопаузы. что первично, а что вторично? Этот вопрос остается открытым.
Таким образом, высота тропопаузы и количество озона — взаимосвязанные и взаимообусловленные характеристики атмосферы.
Рис. 4. Озонообусловленные химико-климатические воздействия
Несмотря на то что процессы радиационного переноса энергии кажутся относительно понятными, реальное их моделирование, обеспечивающее полное соответствие с имеющимися экспериментальными данными, пока затруднено.
основное атмосферное явление, которое может иметь неожиданные последствия для климата, — это охлаждение стратосферы. Есть предположения, что в обозримом будущем в Северном полушарии можно будет наблюдать процессы, аналогичные антарктической «дыре». значит, все не так просто и очевидно, как кажется.
В лекции, прочитанной студентам калифорнийского университета США 1975 г., профессор Гиш утверждал, что наличие озона — убедительное доказательство существования Творца, ибо объяснить рациональным образом сочетание физических и химических свойств этого вещества невозможно. Эта точка зрения разделяется и российскими учеными-химиками в монографии, изданной в 1998 г. [3]. Не претендуя на фундаментальные обобщения, авторы лишь хотели показать на примере озона, насколько в XXI в. актуален афоризм древних мыслителей: «Чем больше я знаю, тем больше убеждаюсь, что ничего не знаю».
Литература
1. Ozone-climate interactions. Air pollution research report No. 81 ISBN 92-8945619-1, EC 2003.
2. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2010. WMO Report No. 52.
3. Лукин B.B., Попович М.П., Ткаченко С.Н. физическая химия озона. — М., 1998.
