Озоновая дыра: почему она появилась и куда теперь исчезает
Озоновая дыра звучит так, будто в небе действительно появилось отверстие, через которое космическое излучение льётся на Землю, словно дождь сквозь прохудившуюся крышу. На самом деле никакой физической дыры там нет. Атмосфера не разорвана, воздух не вытекает в космос, а спутники не рискуют провалиться внутрь. Речь идёт о сильном сезонном уменьшении концентрации озона в стратосфере, особенно над Антарктидой.
Озон — это молекула из трёх атомов кислорода, обозначаемая формулой O₃. В нижних слоях атмосферы он считается загрязнителем: раздражает лёгкие, повреждает растения и входит в состав городского смога. Но на высоте примерно 15–35 километров тот же газ становится полезным. Он поглощает значительную часть опасного ультрафиолетового излучения Солнца, прежде всего UV-B и почти весь UV-C. Получается атмосферный парадокс: озон возле земли — неприятный сосед, а озон высоко над головой — весьма полезный телохранитель.
Главными виновниками истощения озонового слоя стали созданные человеком хлорфторуглероды, известные как ХФУ или фреоны, а также галоны и некоторые другие соединения хлора и брома. Их десятилетиями использовали в холодильниках, кондиционерах, аэрозольных баллончиках, растворителях, огнетушителях и производстве пенопластов.
Долгое время фреоны казались почти идеальными веществами. Они были устойчивыми, негорючими, относительно нетоксичными и удобными в промышленности. Проблема заключалась именно в их устойчивости. Эти газы не разрушались в нижних слоях атмосферы и постепенно поднимались в стратосферу, где солнечный ультрафиолет высвобождал из них атомы хлора.
Один атом хлора способен многократно участвовать в реакциях разрушения озона, поскольку после каждой реакции восстанавливается и снова отправляется на химическую охоту. Он действует не как одноразовый снаряд, а скорее как очень эффективный серийный вредитель.
Антарктида создаёт для такого процесса почти идеальные условия. Зимой над континентом формируется устойчивый полярный вихрь, изолирующий холодный воздух. Температура в стратосфере может опускаться ниже −78 °C, что приводит к появлению полярных стратосферных облаков. На поверхности их ледяных частиц относительно безопасные соединения хлора превращаются в химически активные формы.
В течение полярной ночи всё это словно готовится за кулисами. Весной возвращается солнечный свет, запускаются фотохимические реакции, и озон начинает разрушаться с впечатляющей скоростью. Поэтому дыра обычно увеличивается в августе и сентябре, достигает максимума в сентябре или октябре, а затем уменьшается. Полярный вихрь распадается, и воздух над Антарктидой смешивается с воздушными массами из более низких широт.
Вулканические извержения, изменения температуры стратосферы, солнечная активность и атмосферная циркуляция действительно могут влиять на количество озона. Особенно интересным оказался подводный вулкан Хунга-Тонга — Хунга-Хаапай, извергнувшийся в январе 2022 года. Он выбросил в стратосферу необычно большое количество водяного пара, что изменило химические реакции и способствовало дополнительным потерям озона в отдельных слоях атмосферы.
Однако вулканы не объясняют долгосрочное глобальное истощение озонового слоя во второй половине XX века. Они могут усиливать или ослаблять отдельные сезоны, но основная причина антарктической озоновой дыры установлена достаточно надёжно: это созданные человеком соединения хлора и брома.
Популярный аргумент о том, что вулканы выбрасывают гораздо больше хлора, чем люди, звучит убедительно лишь до тех пор, пока не учитывается химия. Большая часть вулканического хлора быстро растворяется в воде и вымывается осадками. Устойчивые промышленные газы ведут себя иначе: они способны годами путешествовать по атмосфере и в конце концов достигать стратосферы.
Чем меньше озона находится в стратосфере, тем больше UV-B достигает поверхности Земли. Это повышает риск рака кожи, включая меланому, увеличивает вероятность катаракты и может ослаблять некоторые иммунные реакции. Наиболее уязвимы люди со светлой кожей, дети, работники на открытом воздухе и жители регионов с высоким уровнем ультрафиолетового излучения.
Последствия не ограничиваются человеком. Сильный ультрафиолет повреждает листья, замедляет рост некоторых сельскохозяйственных культур, влияет на фитопланктон и личинки морских организмов. Фитопланктон находится у основания многих пищевых цепей и участвует в поглощении углекислого газа, поэтому его состояние имеет значение далеко за пределами школьного урока биологии.
При этом озоновая дыра обычно не висит прямо над Европой, Азией или Северной Америкой. Она формируется главным образом над Антарктидой. Иногда обеднённые озоном воздушные массы перемещаются к южным районам Австралии, Новой Зеландии, Чили и Аргентины, временно повышая там уровень ультрафиолетового излучения.
Арктическая озоновая дыра тоже возможна, но появляется значительно реже. Стратосфера над Северным полюсом обычно теплее и менее стабильна, чем над Антарктидой. Тем не менее в особенно холодные и устойчивые зимы там может происходить существенное разрушение озона, как наблюдалось весной 2020 года.
В 1987 году страны подписали Монреальский протокол, предусматривавший постепенный отказ от веществ, разрушающих озоновый слой. Он вступил в силу в 1989 году и со временем охватил почти сотню контролируемых химических веществ.
Это редкий пример глобальной экологической политики, которая дала измеримый результат. Производство большинства опасных ХФУ было прекращено, содержание многих озоноразрушающих веществ в атмосфере достигло пика и начало снижаться. По оценкам Всемирной метеорологической организации, при сохранении нынешней политики озоновый слой может вернуться к уровню 1980 года примерно к 2040 году в большинстве регионов мира, к 2045 году над Арктикой и примерно к 2066 году над Антарктидой.
Почему так медленно? Многие фреоны живут в атмосфере от нескольких десятилетий до более чем ста лет. Даже после запрета они продолжают циркулировать и постепенно достигать стратосферы. Атмосфера, к сожалению, не получила уведомление о новых правилах и не обязана очиститься к следующему понедельнику.
Размер дыры при этом сильно меняется год от года. Тёплая стратосфера может сделать её меньше, холодный и устойчивый полярный вихрь — больше. Поэтому один удачный сезон ещё не доказывает полного восстановления, а один плохой не означает провала Монреальского протокола. Важен долгосрочный тренд, и он указывает на постепенное улучшение.
Один из самых устойчивых мифов утверждает, что озоновую дыру вызывает глобальное потепление. Это разные, хотя и связанные процессы. Изменение климата обусловлено прежде всего накоплением парниковых газов, удерживающих тепло в нижней атмосфере. Разрушение озона связано главным образом с присутствием хлора и брома в стратосфере. Однако процессы взаимодействуют: увеличение концентрации парниковых газов может охлаждать стратосферу и менять циркуляцию воздуха, влияя на скорость восстановления озонового слоя.
Другой миф гласит, что проблему выдумали производители новых холодильников, чтобы заставить всех покупать другую технику. На самом деле связь фреонов с разрушением озона была предсказана химиками Марио Молиной и Шервудом Роуландом ещё в 1974 году. Антарктическую дыру обнаружили исследователи Британской антарктической службы Джо Фарман, Брайан Гардинер и Джон Шанклин, опубликовавшие результаты в 1985 году.
Причём спутники к тому времени уже регистрировали чрезвычайно низкие значения озона, но компьютерные программы автоматически отбрасывали их как ошибочные. Показатели казались настолько невероятными, что система решила: ошибаются приборы, а не атмосфера. Это прекрасное напоминание о том, что чрезмерно старательная фильтрация данных иногда способна отфильтровать само открытие.
Ещё один миф состоит в том, что озоновая дыра уже полностью закрылась. Нет, она продолжает появляться каждую антарктическую весну. Просто концентрация озоноразрушающих веществ постепенно снижается, а долгосрочные показатели медленно улучшаются.
Не вполне верно и утверждение, что человечество просто заменило фреоны такими же опасными веществами. Некоторые заменители действительно оказались мощными парниковыми газами. Гидрофторуглероды не разрушают озон напрямую, но способны заметно нагревать климат. Поэтому в 2016 году была принята Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу, предусматривающая постепенное сокращение их использования.
Учёные сегодня спорят не о том, разрушают ли ХФУ озон, а о деталях восстановления. Пока не до конца ясно, как изменение климата повлияет на температуру стратосферы, устойчивость полярных вихрей и перенос озона между широтами. Обсуждается влияние крупных лесных пожаров, вулканических аэрозолей, растущих выбросов закиси азота и возможного нелегального производства запрещённых веществ.
Отдельные вопросы вызывает геоинженерия. Некоторые проекты предлагают распылять частицы серы в стратосфере, чтобы отражать часть солнечного света и охлаждать планету. Однако такие аэрозоли могут создавать дополнительные поверхности для химических реакций с участием хлора и влиять на озоновый слой. Попытка установить кондиционер для всей планеты рискует неожиданно испортить её ультрафиолетовый фильтр.
История озоновой дыры оказалась не рассказом о неизбежной катастрофе, а редким случаем, когда предупреждения учёных были услышаны, промышленность изменила технологии, а государства смогли договориться о совместных действиях. Проблема ещё не исчезла, восстановление займёт десятилетия, а сюрпризы атмосферы никуда не делись. Но защитный слой планеты действительно медленно восстанавливается — это доказательство того, что экологические кризисы иногда можно не только обсуждать, но и решать.
