Ученые выдвинули новую гипотезу возникновения Антарктической озоновой дыры

Ученые Сибирского федерального университета проанализировали состояние содержание озона в Северном полушарии по спутниковым данным и выдвинули новую гипотезу возникновения Антарктической озоновой дыры. Результаты исследования опубликованы в «Журнале Сибирского федерального университета».

untitled

Антарктическая озоновая дыра

Озновый слой — часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км, в котором под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца кислород (О2) ионизируется приобретая третий атом кислорода и получается озон (О3). Атмосферный озон образует над поверхностью Земли сферический слой, задерживающий ультрафиолетовое излучение. Известно, что оно губительно для белков и нуклеиновых кислот, уменьшение концентрации озона в атмосфере представляет опасность для всей жизни на Земле.

0_1cff56_3a80ab25_XLКоличество озона в вертикальном атмосферном столбе в конкретной точке измеряется по поглощению и рассеянию солнечной радиации в УФ-диапазоне. В качестве единицы измерения общего содержания озона (ОСО) используется единица Добсона (е.Д.). 100 е.Д. соответствуют толщине озонового слоя в 1 мм, а в среднем по планете ОСО составляет около 300 е.Д.
Содержание озона в стратосфере меняется в течение года. В большом количестве он образуется в стратосфере тропических и средних широт за счет фотохимических реакций. Весной озон из тропиков переносится в сторону средних и высоких широт. Поэтому, например, в Южном полушарии годовой максимум озона наблюдается в октябре-ноябре.

В период с января по июль концентрация озона здесь минимальна, так как с декабря по апрель средние и высокие широты хорошо освещаются Солнцем. Это способствует разрушению озона при фотохимических реакциях, катализаторами которых могут выступать различные соединения в атмосфере.
Глобальный интерес к озоновой проблеме возник во второй половине двадцатого века. Ученые обнаружили долговременную тенденцию к уменьшению суммарного озона и к сезонному – в октябре-ноябре – появлению знаменитой Антарктической озоновой дыры (АОД).
Это привело к гипотезе об антропогенном разрушении озоносферы. В 1973 году американские химики в лабораторном эксперименте обнаружили, что продукты распада хлорфторуглеродов (фреонов) могут разрушать озон. Этим результатом и объяснили процесс возникновения АОД.
В 1987 году ведущие мировые державы подписали Монреальский протокол: договор о прекращении производства и использования фреонов, наиболее известных людям, как хладагенты холодильников. Это привело к глобальной замене холодильников и кондиционеров. В 2016 году выяснилось, что новые хладагенты тоже являются парниковыми газами, после чего последовали поправка к протоколу и новый запрет.

Еще до подписания протокола были известны данные, основанные на спутниковом наблюдении озонового слоя и показывающие, что озоновая дыра в Антарктике – естественное образование. Победила, однако, антропогенная химическая теория разрушения озона. Но она не смогла разрешить вопрос о том, почему озоновая аномалия в свое время «появилась» в Южном полушарии, хотя фреоны вырабатывались преимущественно в Северном.
Причем теории и математические модели химиков невозможно проверить экспериментально в условиях Антарктики. При подписании Монреальского протокола было заявлено, что озоновая дыра в Антарктике полностью исчезнет уже к 2010 году, но она появляется ежегодно, и по сей день. Так, в 2017 году её размеры достигли 22 млн. кв. км, что типично для последних 25 лет.
Ответить на ряд вопросов, связанных с проблемой образования озоновых дыр, удалось с помощью нового метода слежения за движениями воздушных потоков, предложенного красноярскими исследователями. На основе анализа физических явлений в атмосфере они разработали собственная модель формирования озоновой аномалии в Южном полушарии.

«Так сложилось, что геофизическая проблема – состояние озонового слоя Земли попала в руки не к геофизикам и метеорологам, а к специалистам по химии атмосферы и до сих пор считается сугубо химической проблемой. К сожалению, почти все исследования феномена АОД направлены на доказательство ее антропогенного происхождения. Для этого предлагаются различные химические и фотохимические реакции, конструируются математические модели. При этом весь значительный объем фактических данных геофизического характера игнорируется», – комментирует один из авторов исследования, профессор Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета Валентин Кашкин.
Согласно альтернативной гипотезе Антарктическая озоновая дыра является естественным образованием, обусловленным динамическими процессами в стратосфере. Для обоснования этой гипотезы, оказалось достаточно использовать данные об общем содержании озона, регистрируемые искусственными спутниками Земли с 1978 года.
Как и другие атмосферные образования, озон имеет облачную структуру. Если сравнивать спутниковые данные, полученные последовательно за два дня, то по перемещению озоновых облаков можно оценить направление и скорость движения масс озона.
Выяснилось, что в начале сентября происходит перенос масс озона от Южного полюса в сторону экватора. Озон движется по винтовой траектории, быстро вращаясь с запада на восток и в итоге скапливаясь в кольце около широты 45°. Происходит перераспределение озона между озоновой дырой и кольцом. Количество озона в кольце вырастает, а ОСО во внутренней части уменьшится, способствуя возникновению Антарктической озоновой дыры.
Что же такое озоновая дыра? Это «углубление» в озоновом слое полярных широт Южного полушария с аномально низкими значениями ОСО. АОД окружена «кольцом» диаметром несколько тысяч км с необычно высоким для Южного полушария содержанием озона (до 450 е.Д.).
Начиная с середины октября, озоновая дыра начинает заполняться озоном, который движется назад из кольца и из тропических широт. Анализ цифровых карт позволил ученым визуально наблюдать перемещение озона от полюса в сторону экватора и обратно, его перемещение в восточном и западном направлении с оценкой скорости перемещения.

Сентябрь и октябрь в Южном полушарии – это время, когда в средние широты начинает поступать озон из тропиков. Ученые обнаружили дополнительное кольцо на 35° ю.ш., связанное с таким переносом озона. Кольцо проходит вблизи широты Буэнос-Айреса и Кейптауна. Наконец, движение озона в сторону полюса формирует третье кольцо на 80° ю.ш.
Ученые из СФУ разработали новую методику анализа так называемых «зональных средних». Это дает возможность более точно прогнозировать общее содержание озона на годы вперед. Таблицы зональных средних доступны в Интернете и формируются так: площадь земного шара от полюса к полюсу разбивается на кольца шириной в 5° с вычислением среднего значения ОСО в каждом из них.
«С использованием анализа зональных средних еще за год до вступления в действие Монреальского протокола сотрудники NASA обнаружили: общее содержание озона за 1979–1982 годы в направлении от 44° ю.ш. к Южному полюсу почти не менялось с августа по ноябрь, а его снижение в сентябре вблизи Южного полюса компенсировалось увеличением в средних широтах.
Такие результаты свидетельствовали, что вариации ОСО вызваны динамическим перераспределением озона, а вовсе не химическими процессами. Однако это подрывало антропогенную теорию истощения озона и возникновения озоновых дыр. Подобный результат тогдашнее научное сообщество в большинстве своем не восприняло – вопрос был, фактически, закрыт.
Но история динамической теории на этом не закончилась: мы смогли ответить на ряд вопросов, связанных с проблемой образования озоновых дыр. В частности, показали на большом объеме данных, что количество озона, попавшее в зону циркумполярного вихря, с точностью не менее 5-7% совпадает с тем количеством, которое ушло из АОД. Эти результаты наш коллектив представил не только журнальными публикациями – мы также обобщили их в монографии, изданной Сибирским федеральным университетом», — заключает Валентин Кашкин.
Источник:http://earth-chronicles.ru/news/2017-12-13-110938

P.S. Admin. Озновый слой — часть стратосферы на высоте от 20 до 25 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), с наибольшим содержанием озона (вещества, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода, O3), образующегося в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца на молекулярный кислород (O2). При этом с наибольшей интенсивностью, именно благодаря процессам диссоциации кислорода, атомы которого затем образуют озон, происходит поглощение ближней (к видимому свету) части ультрафиолета солнечного спектра. Кроме того, диссоциация озона под воздействием ультрафиолетового излучения приводит к поглощению наиболее жёсткой его части.
Около 90 % атмосферного озона находится в стратосфере, главным образом на высоте от 20 до 40 км над поверхностью Земли. Его концентрация в стратосфере составляет от 2 до 8 частей на миллион. Общее количество озона в атмосфере таково, что если бы можно было весь его переместить на уровень моря и сконцентрировать до атмосферного давления при температуре 0 °C, он занял бы слой толщиной всего 3 мм (это соответствует 300 единицам Добсона, или 300×2,69×10^16 молекул озона на квадратный сантиметр поверхности Земли). Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км. Озоновый слой поглощает от 97 до 99 % солнечного излучения в области длин волн от 200 до 315 нм. (Википедия)
Для определения границ озоновой дыры выбран минимальный уровень содержания озона в атмосфере в 220 единиц Добсона.