Как поживаешь, антарктическая озоновая дыра?

Андрей Киселев, Игорь Кароль

О существовании озоновой дыры люди узнали 30 лет назад, в 1985 г. Впрочем, для многих это открытие осталось почти незамеченным; интерес и беспокойство пришли позже, когда своей «дырой», помимо далекой от нас Антарктиды, обзавелась и Арктика. Специалисты сразу оценили потенциальную угрозу и начали интенсивно изучать доселе невиданный природный феномен. Вскоре было установлено, что появление озоновой дыры в конце зимы и начале весны над Антарктикой вызвано совокупным действием трех факторов: блокированием воздухообмена между полярными и средними южными широтами (явление циркумполярного вихря), а также разрушением озона, которое происходит двумя путями — на поверхности кристаллов облаков, возникающих в нижней стратосфере при особо низких (порядка ?85° ... ?75°С) температурах, и в химических реакциях с участием атомов хлора и брома. Содержание хлорных и бромных соединений в атмосфере в ту пору стремительно нарастало в результате повсеместного использования фреонов в качестве хладагентов, распылителей, пенообразователей, растворителей и т. п. Будучи нетоксичными, непожароопасными и химически пассивными, эти рукотворные химикаты, попадая в атмосферу, благополучно достигали стратосферы, где разрушались под действием солнечного света, при этом щедро обогащая ее теми самыми атомами хлора и брома [1]. Таким образом, возникновение озоновой дыры вызвано как естественными, так и антропогенными причинами. В этой ситуации резонно было направить усилия на нейтрализацию результатов «деяний рук человеческих». Уже в 1987 г. был принят и вскоре введен в действие Монреальский протокол, нацеленный на постепенное сокращение, а в дальнейшем и прекращение выпуска и применения озоноразрушающих веществ. Одним из его пунктов стал запрет использования развитыми экономическими державами пяти фреонов первого поколения — фреонов-11 (CFCl₃), -12 (CF₂Cl₂), -113 (C₂F₃Cl₃), -114 (C₂F₄Cl₂), -115 (C₂F₅Cl) с 1 января 1996 г.

Прошло 20 лет. Согласно проведенным модельным расчетам, наибольший эффект от принятых монреальских ограничений ожидается в полярных областях Земли, а срок восстановления озонового слоя — середина XXI в.¹ Конечно, до 2050 г. еще есть время, но любопытно посмотреть, что происходит с антарктической озоновой дырой сегодня, ведь 20 лет — это тоже немало.

Фреоны 20 лет спустя

В логической цепочке «причина — следствие», на наш взгляд, все же целесообразнее начать с причины. Итак, фреоны первого поколения. Два десятилетия назад их поток в атмосферу не иссяк в одночасье (ведь на большинство стран табу на их производство и использование не распространялось), но значительно сократился. Благодаря регулярному мониторингу сегодня можно видеть, как изменялись концентрации фреонов в тропосфере за последние годы. Концентрации фреонов-11 (его время жизни в атмосфере ? ? 45 лет) и -113 (? ? 85 лет) монотонно убывали в течение всего рассмотренного периода: их падение к 2015 г. (относительно уровней 1996 г.) составило 13,4 и 14,1% соответственно.

Концентрация же фреона-12 (? ? 100 лет) продолжала расти вплоть до 2004 г. и только затем начала снижаться, поэтому ее современное уменьшение относительно 1996 г. — скорее символическое (всего 1,9%). Тем не менее с 2004 г. концентрация фреона-12 снизилась на 4,5%. Заметим, что одновременно с изъятием из обращения фреонов первого поколения произошла их замена на химикаты, менее опасные для озонового слоя. К таковым относится, в частности, «неподсудный» фреон-22 (CHF₂Cl, ? ? 12 лет): его концентрация за период с 1996-го по 2015 г. возросла на 93%, т. е. почти удвоилась.

Изменение концентраций фреонов (вверху) и суммарного хлора в тропосфере. 1 трлн^?1 соответствует одной молекуле на 10¹² молекул воздуха. Изображение: esrl.noaa.gov

Таким образом, суммарное количество хлора в тропосфере формируется в условиях снижения концентраций соединений, содержащих несколько его атомов. При этом растет содержание их заменителей, как правило, с меньшим количеством атомов хлора и более коротким временем жизни. В результате с 1996 г. наблюдалась тенденция к снижению содержания суммарного (включающего, кроме перечисленных, и другие химикаты, например «антропогенный» метилхлороформ (CH₃CCl₃, ? ? 6 лет) и «естественный» метилхлорид (CH₃Cl, ? ? 1 год)) хлора в тропосфере. Общее снижение за это время составило 10,0%.

Возможно, кто-то из читателей удивится, почему мы столько внимания уделяем тропосфере, тогда как основной удар озону наносится хлорсодержащими соединениями выше, в стратосфере. Этому есть причины. Во-первых, поскольку выбросы фреонов идут от земной поверхности, тропосфера служит своеобразной транзитной зоной на их пути в стратосферу. Во-вторых, контроль за уровнями фреонов в тропосфере налажен значительно лучше, чем в стратосфере. Поэтому получить столь же полную информацию о стратосферном содержании фреонов весьма проблематично.

На основе измерений 2002–2011 гг. [3] определены характерные пространственные распределения концентраций фреонов-11 и -12, содержание которых в атмосфере значительно больше, чем остальных. Оказалось, что стратосферные концентрации обоих фреонов убывают по мере удаления от экватора к полюсам и с ростом высоты. Анализ этих данных показывает, что в слое 15–20 км скорость снижения концентраций фреонов составляет 20–30 трлн^?1 / 10 лет [3]. Немного более интенсивное падение отмечается в Арктике, а в средних южных широтах на высоте 25 км значительно уменьшается концентрация фреона-12 (79 трлн^?1 / 10 лет). К сожалению, эти данные не охватывают Антарктиду. Тем не менее, нет оснований полагать, что южной полярной области присущи тенденции, принципиально отличные от тех, что имеют место севернее.

Пространственные распределения концентрации в (трлн^?1) фреона-11 в марте 2011 г. (слева) и фреона-12 в сентябре 2008 г. [2], рассчитанные по данным измерений 2002–2011 гг. [3]. Отрицательные широты соответствуют южному полушарию

Таким образом, можно констатировать повсеместное убывание содержания в атмосфере всех попавших под монреальский запрет фреонов. Однако, ввиду их атмосферного «долгожительства», концентрации по-прежнему остаются весьма высокими. И все же хлорная нагрузка на озоносферу постепенно ослабевает.

Хроника сезонного озонодефицита

Теперь обратимся к другой составляющей логической цепочки — следствию, т. е. к антарктической озоновой дыре. «Озоновый бум» второй половины 1980-х оставил на ледовом континенте наследство в виде целого ряда измерительных станций, по сей день исправно поставляющих информацию о текущем состоянии озонового слоя.

Обычно состояние озоновой дыры характеризуют площадью, которую она охватывает, и ее «глубиной», представляющей собой минимальное значение общего содержания озона (ОСО). Интересно проследить, как менялась площадь озоновой дыры от года к году в течение двух последних десятилетий.

Минимальное и максимальное значения площади в 2002 и 2006 гг. достигали 12 и 26,6 млн км² соответственно, то есть отличались практически вдвое, однако ниже отметки 20 млн км² площадь озоновой дыры опускалась всего четырежды. Средняя же за весь двадцатилетний период площадь равна 22,5 млн км², а это, между прочим, в 1,6 раза больше площади самой Антарктиды! И главное, нет никаких оснований говорить о тенденции к уменьшению: в 2015 г. озоновая дыра занимала наибольшую площадь за последние девять лет — 25,6 млн км².

Средняя за период с 7 сентября по 13 октября каждого года площадь озоновой дыры. Изображение: ozonewatch.gsfc.nasa.gov/meteorology

Другими словами, озоновая дыра по-прежнему «широка», да и «глубока» тоже — ведь так называемой климатической нормой считается величина ОСО, равная 220 е. Д.² Минимальные значения ОСО подвержены значительным межгодовым колебаниям (например, только в последние 10 лет разброс составил 98,2–139,1 е. Д.), на их фоне положительный тренд с ростом 9,7% за 10 лет выглядит не слишком впечатляюще. Если рассмотреть аналогичный тренд только за последнее десятилетие, то выяснится, что минимальные значения ОСО стали расти вдвое быстрее (21,2% за 10 лет). Вроде бы тенденция к их увеличению очевидна, но... Статистический анализ показывает, что эти тренды (в отличие от тех, о которых пойдет речь далее) на сегодняшний день, увы, незначимы. Так что делать какие-то обобщения и выводы еще рано.

Среднее за период с 21 сентября по 16 октября каждого года минимальное значение ОСО в озоновой дыре. Красным показан линейный тренд. Изображение: ozonewatch.gsfc.nasa.gov/meteorology

А вот тесную связь между состоянием озоновой дыры и температурой антарктической стратосферы данные измерений подтверждают со всей определенностью, а именно: минимум ОСО и температура совпадают по фазе, а площадь озоновой дыры и температура находятся в противофазе. Сей факт подтверждается очень высокими коэффициентами корреляции, равными 0,892 и ?0,933 соответственно. Таким образом, естественно-природные механизмы формирования озоновой дыры продолжают исправно и эффективно действовать. А что же антропогенный фактор?

Связь между состоянием озоновой дыры и температурой антарктической стратосферы. Слева — средние за период с 7 сентября по 13 октября каждого года температура и площадь озоновой дыры. Справа — средние за период с 21 сентября по 16 октября температура и минимум ОСО. Температура определялась на уровне 70 гПа (около 18 км). Изображение: ozonewatch.gsfc.nasa.gov/meteorology

Существует еще одна, на наш взгляд, более показательная характеристика озоновой дыры: дефицит озона внутри нее. Некоторые интернет-ресурсы предоставляют соответствующие ежедневные данные за весь период существования «дыры». Если за появление минимальных значений ОСО во многом ответственны сверхнизкие температуры, имеющие место лишь в течение недолгого периода³, то хлорная нагрузка на озоносферу работает на протяжении всего зимне-весеннего сезона, и, значит, дефицит озона позволяет полнее оценить стратосферную хлорно-озоновую зависимость. Далее мы воспользуемся данными, приведенными на интернет-сервисе TEMIS (Tropospheric Emission Monitoring Internet Service).

Ежедневный дефицит озона определяется как разность между 220 е. Д. (т. е. климатической нормой) и реальным для этого дня значением ОСО. Естественно, рассматриваются лишь те дни, когда ОСО не превосходит 220 е. Д. Далее полученные на разных станциях величины суммируются. Результаты показывают, что за 20 лет дефицит озона сократился на 14,7%. Однако, очевидно, абсолютное значение дефицита озона зависит от размера «дыры», который изменялся от года к году в широких пределах. Поэтому целесообразно одновременно оценить удельный дефицит озона, т. е. дефицит, приходящийся на 1 км² «дыры». В этом случае оказывается, что дефицит озона сокращается значительно интенсивнее (на 26,5% за два десятилетия). Наличие статистической значимости у этих трендов позволяет утверждать, что «процесс пошел»...

Дефицит озона на всей площади озоновой дыры (вверху) и в пересчете на 1 км² (внизу) за весь период ее существования. Красным показан линейный тренд. Изображение: TEMIS

Согласно «графику»?

Еще не стерлась из памяти ожесточенная полемика вокруг Монреальского протокола, причем сомнению подвергалась не только целесообразность подписания этого документа, но и истинность положенных в его основу физико-химических механизмов, породивших озоновую дыру. К сожалению, эта полемика сразу сошла с «научных рельсов» и перешла в политико-экономическую плоскость. Генеральный секретарь ООН (1997–2006) Кофи Аннан заявил, что «возможно, единственным очень успешным международным соглашением можно считать Монреальский протокол». Его российские оппоненты увидели в принятии протокола попытку удушения «мировым империализмом» отечественной холодильной промышленности и атаку на ее конкурентоспособность, хотя трудно не согласиться с замечанием Б. Жукова: «...Нужно обладать очень богатым воображением, чтобы представить европейские и американские моллы, заставленные рядами холодильников „Ока“ и „ЗИЛ“»⁴. Однако весомость всякого мнения зависит от того, насколько оно подкреплено фактами, посему вернемся к современным реалиям. Как можно оценить то, что происходило с антарктической озоновой дырой в течение двух последних десятилетий? И в какой степени эти факты соответствуют делавшимся ранее прогнозам?

Допускаем, что кому-то по прочтении могло показаться, что в эти годы озоновая дыра жила по своим, одной ей известным законам, напрочь не замечая нашей фреонозапретительной суеты. Действительно, поведение озоновой дыры сегодня во многом определяется тем, сколь низка в сентябре-октябре антарктическая стратосферная температура, которая, впрочем, тоже зависит от эволюции ОСО. Этот фактор остается главенствующим на протяжении ряда лет. Главенствующим, но все-таки не единственным, ведь сверхнизкие температуры в стратосфере Антарктиды наверняка имели место и ранее, задолго до появления озоновой дыры. Резкий рост содержания хлора в атмосфере в 1970–1980-х годах сыграл роль своеобразного спускового механизма, давшего старт обсуждаемому на этих страницах антарктическому феномену. Нынешняя эволюция озоновой дыры происходит на фоне все еще высоких концентраций стратосферного хлора, снижение которых до «додырочного» уровня должно занять несколько десятилетий. Пока же хлорная нагрузка на атмосферу, как своеобразный «серый кардинал», оказывает значительное влияние на формирование озоновой дыры, при этом довольствуясь внешне неприметной ролью второго плана.

Среднее содержание озона над Южным полушарием в сентябре 2015 г. Изображение: ozonewatch.gsfc.nasa.gov

Застало ли врасплох теоретиков наблюдаемое в последние десятилетия поведение озоновой дыры? Если обсуждать общие тенденции, а не нюансы, можно утверждать: нет, не застало. По опубликованным в 2006 г. оценкам П. Ньюмена (P. Newman) с соавторами, площадь озоновой дыры должна медленно сокращаться в 2001–2017 гг., но статистически значимым это сокращение станет не ранее 2024 г. [4]. Эти выводы согласуются с мнением специалистов Национального аэрокосмического агентства США (NASA): «Позитивные изменения в озоновом слое проявятся не раньше 2020 г.». Да и темпы восстановления озонового слоя над Антарктидой в 1995–2015 гг., по модельным прогнозам, ожидались минимальные (для большинства моделей они лежат в пределах десятка процентов)⁵. Итак, есть основания считать, что эволюция озоновой дыры, по крайней мере пока, в целом соответствует предначертанному теоретиками графику. В дальнейшем, согласно тому же графику, восстановление озонового слоя над Антарктидой должно ускориться вследствие нелинейности происходящих в атмосфере многочисленных фотохимических превращений, в том числе с участием хлорных соединений и озона. А будет ли выдержан этот график на практике, мы скоро узнаем.

«Каждое деяние имеет долговременные последствия»⁶, — эту мысль П. Коэльо подтверждает история существования озоновой дыры. Человек сравнительно быстро создал предпосылки для ее возникновения, на исправление сложившейся ситуации природе нужно гораздо больше времени... Очень хочется, чтобы этот урок не прошел для нас даром.

Литература
1. Кароль И. Л., Киселев А. А. Парадоксы климата. М., 2013.
2. Clarmann T. von. Chlorine in the stratosphere // Atmosphera. 2013. V. 26. № 3. P. 415–458.
3. Kellmann S., Clarmann T. von, Stiller G. P. et al. Global CFC-11 (CCl₃F) and CFC-12 (CCl₂F₂) measurements with the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS): retrieval, climatologies and trends // Atmospheric Chemistry and Physics. 2012. V. 12. P. 11857–11875. DOI: 10.5194/acp-12-11857-2012.
4. Newman P. A., Nash E. R., Kawa S. R. et al. When will the Antarctic ozone hole recover? // Geophysical Research Letters. 2006. V. 33. L12814. DOI: 10.1029/2005GL025232.

¹ Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2010. WMO Global Ozone Research and Monitoring Project. Report № 52. Chapter 3: Future Ozone and Its Impact on Surface UV (PDF, 5 Мб).

² Одна единица Добсона (е. Д.) соответствует 2,69 · 10¹⁶ молекул озона в столбе атмосферы с основанием в 1 см² поверхности Земли.

³ Согласно цитируемому здесь ресурсу, характерное время существования максимальных площадей озоновой дыры и минимальных значений ОСО составляет примерно один месяц (с 7 сентября по 13 октября и с 21 сентября по 16 октября соответственно).

⁴ Жуков Б. Протоколы монреальских мудрецов // Телеграф «Вокруг света». 10.10.2007.

⁵ Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2010. WMO Global Ozone Research and Monitoring Project. Report № 52. Chapter 3: Future Ozone and Its Impact on Surface UV (PDF, 5 Мб).

⁶ Коэльо П. Книга воина света. М., 2009.