Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? - Игорь Кароль

Теперь пора уведомить читателя, каков он, атмосферный озон.

Озон – газ, состоящий из трех атомов кислорода. Его концентрация в атмосферном воздухе сильно меняется с высотой. Но даже в слое 20–30 км над уровнем моря, где концентрация озона максимальна, на миллион молекул воздуха приходится лишь несколько молекул озона. В разных широтных зонах Земли слой озонового максимума располагается на разных уровнях: в полярных районах – на высоте около 20 км, в тропиках – 25–26 км, а в умеренных широтах – между этими уровнями.

Здесь нелишне уточнить, какой смысл вкладывается в понятие «озоновый слой». Употребляя термин «слой», мы обычно подразумеваем часть пространства, заполненную однородным или кажущимся однородным веществом (например, слой снега в поле или на крыше). Однако нигде в атмосфере нет области, содержимое которой составляли бы только молекулы озона! Поэтому озоновый слой правильнее сравнить с золотоносным песком в реке, где среди мириад простых песчинок изредка попадаются золотые крупицы.

Ниже слоя озонового максимума концентрация озона растет с высотой, но при этом она в 10–100 раз меньше своего максимального значения в стратосфере. Вблизи поверхности Земли характерная концентрация озона составляет всего лишь несколько десятков молекул на миллиард молекул воздуха. Таким образом, на тропосферу приходится лишь 10–15 % общего количества молекул озона, а основная их часть сосредоточена в стратосфере. На рис. 22 показаны типичные вертикальные профили концентрации озона для разных широт.

Рис. 22. Среднее вертикальное распределение парциального давления озона в различных районах земного шара: а – январь, б – апрель, в – июль, г – октябрь: 1 – тропики (Бальбоа, Панама, 9° с. ш.); 2 – умеренные широты (Хоэннейссенберг, Германия, 48° с. ш.); 3 – Арктика (Туле, Гренландия, 76,5° с. ш.)

Распределение озона по географическим зонам земного шара также очень неравномерно (рис. 12 цв. вклейки). Для того чтобы сопоставить количество озона в воздухе над разными регионами, обычно используют понятие общее содержание озона (ОСО) – суммарное количество молекул озона в атмосферном столбе с площадью основания 1 см2, а в качестве единицы измерения ОСО – единицу Добсона (1 е. Д. = 2,7·1016 молекул озона/см2). Наибольшее ОСО приходится на северную полярную и южную субполярную зоны, а в экваториальной зоне оно наименьшее. Характерные до 1980-х (т. е. до открытия «озоновых дыр») значения ОСО составляли 300–450 е. Д. для северной полярной области, 280–400 е. Д. для южной субполярной области и умеренных северных широт и 260–280 е. Д. в экваториальной зоне.

Повсюду вне тропиков ОСО сильно изменяется от сезона к сезону: наибольшие его значения приходятся на конец весны – начало лета, а наименьшие – на осенне-зимний период, причем амплитуда сезонных колебаний составляет 30–40 %. Неравномерность распределения озона наблюдается и внутри пояса умеренных широт: область повышенного ОСО располагается над Восточной Сибирью и Дальним Востоком, а пониженного – над Северо-Западом.

Чем же вызваны столь значительные перепады величин ОСО?

Для ответа обратимся к особенностям формирования озонового слоя. Механизм образования озона довольно прост (рис. 13 цв. вклейки). Молекула кислорода О2 разрушается под действием солнечного света (ультрафиолетовой радиации), в результате чего появляется пара атомов кислорода. Эти атомы вступают в реакцию с молекулами кислорода, в результате чего и образуется озон:

О+ О2 → О3

Продуктивность механизма образования озона определяется двумя факторами – наличием солнечного света (т. е. формирование озона всегда происходит в светлую часть суток) и количеством свободных атомов кислорода, благо молекул О2 в атмосфере предостаточно. Локальный источник атомарного кислорода в атмосфере возникает также во время гроз, когда молекулы О2 разрушаются при электрических разрядах. Эффективность обоих этих источников максимальна в тропиках и минимальна у полюсов. Поэтому и основная масса озона образуется в экваториальной зоне, распространяясь затем атмосферными движениями к полюсам.

Озон разрушается в результате его фотолиза (разложения под действием фотонов света) ультрафиолетовым и видимым излучением, а также в реакции с атомарным кислородом. Однако основной вклад вносят катализаторы – гидроксил ОН-, монооксид азота NО, атомы хлора (Cl) и брома (Br), металлы и др. Схема гибели озона в каталитических циклах тоже проста (вместо Х можно подставить любой из перечисленных катализаторов):

Нетрудно видеть (см. строку под чертой), что в результате действия пары каталитических реакций разрушаются только молекулы озона, в то время как катализатор изменениям не подвержен и может продолжать свое «черное дело» до тех пор, пока не будет разрушен или связан в какой-либо другой реакции.

Так, один атом хлора может поспособствовать гибели до ста тысяч молекул озона.

Во второй половине ХХ века концентрации газов-катализаторов росли вследствие усиления их антропогенных источников, а концентрация О2, а с ней и атомов кислорода, оставалась неизменной. Следовательно, в стратосфере складывалась ситуация, когда скорость образования озона оставалась почти неизменной, в то время как интенсивность разрушения озона увеличивалась год от года, приводя к его истощению.

Фотохимия тропосферы более сложна, она критически зависит от количества находящихся в ней оксидов азота. Оценки свидетельствуют, а измерения подтверждают, что в загрязненной тропосфере хорошо освещаемых Солнцем географических областей процессы образования озона превалируют над процессами его разрушения, и концентрация озона перманентно увеличивается. На первый взгляд рост содержания озона заслуживает положительной оценки, так как при этом увеличивается ОСО, а значит, потенциальный риск пострадать от опасной ультрафиолетовой радиации сокращается. Но это лишь на первый взгляд…

Озон – чрезвычайно ядовитый газ. Для иллюстрации следующий факт: в Германии предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе принята равной ПДК хлора, успешно использовавшегося в годы Первой мировой войны в качестве боевого отравляющего вещества.

В нашей стране также введены ПДК озона в воздухе (Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. СПб., 1998), согласно которым максимальная разовая ПДК не должна превышать 0,16 мг/м3, а среднесуточная – 0,03 мг/м3.

Кроме того, озон является сильным окислителем. Его молекула, распадаясь при контакте с объектами живой и неживой природы, выделяет атом кислорода, окисляющий гораздо активнее, чем молекула кислорода, вещества клеток живых организмов и неорганические материалы.

В условиях крупных промышленных центров и регионов, атмосфера над которыми буквально насыщена тысячами органических и неорганических газов-загрязнителей, создаются благоприятные условия для образования озона (классический пример: смог в присутствии высокой влажности – лондонский и при ее отсутствии – лос-анджелесский). Именно там, по сравнению с сельской или неосвоенной человеком местностью, химическое воздействие озона на материалы – самое интенсивное, особенно в сочетании с другими окислителями. Так, коррозия металлов и строительных материалов происходит сильнее при совместном действии озона и сернистого газа во влажном воздухе. Отмечено прямое воздействие озона на органические материалы: ткани, пластмассы, резину, краски, особенно масляные (список можно продолжать).

Увеличение концентрации озона в тропосфере отражается и на региональном климате, неслучайно в Четвертом Докладе Межправительственной группы экспертов по изменению климата эффекты стратосферного и тропосферного озона обсуждаются раздельно (см. таблицу 4 на с. 148).

Отметим еще одну важную особенность: так как озон не поступает в атмосферу извне, его общая масса полностью зависит от химических процессов в атмосфере. Масса, но не распределение озона в пространстве, определяемое главным образом циркуляцией атмосферы. Убедиться в справедливости последнего утверждения легко: вблизи полюсов озон не производится в течение продолжительного времени – длящейся почти полгода полярной ночи. Этого времени с лихвой достаточно, чтобы весь произведенный ранее, при свете полярного дня, озон был разрушен в химических реакциях, и, следовательно, к моменту окончания ночи в полярных областях концентрация озона должна равняться нулю. Однако регулярно проводимые наблюдения не подтверждают этого. Причина такого расхождения теории с реальностью кроется в существовании постоянного атмосферного воздухообмена от экватора к полюсам и обратно, называемого меридиональной циркуляцией. Поэтому богатые озоном тропические стратосферные воздушные массы перемещаются к полюсам и в значительной степени компенсируют там «ночной» дефицит озона. Динамическими процессами, на сей раз меньшего – регионального – масштаба, объясняется и разница в ОСО над российскими Дальним Востоком и Северо-Западом.