Открытие озоновой дыры над Антарктидой

Невидимая защита Земли

Озон состоит из трех атомов кислорода. Вблизи поверхности земли этот газ может быть вредным загрязнителем воздуха, но выше, в стратосфере, он выполняет жизненно важную роль: поглощает значительную часть солнечного ультрафиолетового излучения. Особенно важна защита от ультрафиолета типа B, повреждающего ДНК живых организмов и повышающего риск рака кожи и катаракты.

Большая часть атмосферного озона находится на высотах примерно от 15 до 35 километров, хотя его распределение меняется в зависимости от широты и сезона. Если весь озон над определенным участком поверхности собрать в единый слой при нормальном давлении, его толщина составила бы всего несколько миллиметров. Именно поэтому сравнительно небольшие изменения химического состава стратосферы могут иметь значение для биосферы.

Озон непрерывно образуется и разрушается. Солнечный свет расщепляет молекулы обычного кислорода, освобожденные атомы соединяются с другими молекулами кислорода, образуя озон. Другие реакции вновь превращают его в кислород. Долгое время ученые считали этот естественный цикл относительно устойчивым, хотя его точные механизмы еще изучались.

За количеством озона следили наземными приборами - спектрофотометрами Добсона. Они измеряли, как атмосфера поглощает солнечное излучение на разных длинах волн, и позволяли определить содержание озона во всем столбе воздуха. Результаты выражались в единицах Добсона. Обычные значения часто составляют около 300 единиц, но заметно различаются по месту и времени. Позднее область со значениями ниже 220 единиц стали условно называть озоновой дырой. Это не буквальное отверстие в атмосфере: озон там сохраняется, но его намного меньше обычного.

Предупреждения задолго до открытия

Еще в 1970-е годы возникли опасения, что человеческая деятельность способна нарушить атмосферную химию. Обсуждалось, например, воздействие высотной авиации на озон из-за выбросов соединений азота. Нидерландский химик Пауль Крутцен внес важный вклад в исследование реакций, разрушающих озон при участии оксидов азота.

В 1974 году химики Марио Молина и Фрэнк Шервуд Роуленд опубликовали исследование о хлорфторуглеродах - веществах, которые часто называют фреонами или CFC. Их массово применяли в холодильниках, кондиционерах, аэрозольных баллончиках, при производстве пенопластов и в промышленной очистке.

Они казались удобными и безопасными: не воспламенялись, были сравнительно нетоксичны при обычном использовании и почти не вступали в реакции в нижних слоях атмосферы. Но именно устойчивость позволяла этим веществам годами сохраняться в воздухе и постепенно достигать стратосферы. Там сильное ультрафиолетовое излучение разрушало их молекулы, высвобождая атомы хлора. Хлор участвовал в цепных реакциях, способных уничтожать множество молекул озона.

Вывод Молины и Роуленда вызвал научные и общественные споры. Производители хлорфторуглеродов оспаривали масштаб угрозы, а многие специалисты ожидали постепенного и сравнительно небольшого истощения озона. Некоторые государства ограничили использование CFC в аэрозолях еще до 1985 года, но в холодильной технике и промышленности производство продолжалось.

Ключевым ограничением тогдашних моделей было недостаточное понимание особенностей полярной стратосферы. Ученые опасались глобальных изменений, но еще не предвидели резкого сезонного падения концентрации озона именно над Антарктидой.

Долгие измерения на краю света

Британская антарктическая программа начала систематические наблюдения за озоном на станции «Халли» в 1950-е годы, в эпоху Международного геофизического года 1957-1958. Станция находилась в суровых условиях на шельфовом леднике Бранта, вдали от крупных населенных пунктов и источников промышленного загрязнения.

Исследователи работали в мороз, среди сильных ветров и долгой полярной ночи. Наблюдения требовали постоянной калибровки приборов и многолетней дисциплины: один сезон измерений сам по себе не позволял отличить необычное явление от естественных колебаний.

Джозеф Фарман, возглавлявший исследования в области физики атмосферы, придавал большое значение продолжению этого ряда наблюдений. Его коллеги Брайан Гардинер и Джонатан Шенклин обрабатывали результаты, сопоставляя новые измерения со значениями прошлых десятилетий.

Изменения проявлялись не сразу. В первой половине наблюдаемого периода весенние значения озона были относительно стабильными. Но начиная с конца 1970-х годов данные за антарктическую весну - сентябрь и октябрь - начали отклоняться от привычной картины. Каждой весной озона становилось меньше.

Шенклин позднее рассказывал, что первоначально не ожидал обнаружить явление глобального значения. Проверяя накопленные измерения, он сопоставил свежие результаты с прежними сезонами и увидел устойчивое падение. Ученые проверяли показания, поскольку резкое изменение могло означать неисправность прибора. Однако сходные результаты получали и по данным станции «Фарадей».

К 1984 году октябрьское содержание озона над «Халли» составляло примерно две трети от типичных значений предыдущих десятилетий. Наблюдения указывали не на случайный сбой и не на обычную погоду, а на значительное изменение состояния атмосферы.

Публикация 1985 года

16 мая 1985 года в журнале Nature появилась работа Джозефа Фармана, Брайана Гардинера и Джонатана Шенклина. Авторы сообщили о больших весенних потерях озона над Антарктидой и предложили возможное объяснение, связанное с химией соединений хлора и азота в условиях чрезвычайно низких температур.

Новость оказалась неожиданной для научного сообщества. Предсказания, которыми пользовались до того времени, предполагали гораздо менее драматические изменения. Более того, речь шла об области, где практически не было источников местного промышленного загрязнения.

Открытие не означало, что ученые непосредственно в 1985 году окончательно доказали весь механизм разрушения озона. На первых порах обсуждались разные гипотезы: атмосферная циркуляция, химические реакции и возможные особенности солнечной активности. Но серия наземных измерений надежно показала сам факт аномального сезонного истощения.

Особое значение имело то, что открытие опиралось на десятилетия обычных наблюдений. Данные были собраны не в ходе специально организованной экспедиции по поиску катастрофы, а благодаря регулярной работе небольшой группы, сохранявшей долгий непрерывный ряд измерений.

Почему спутники не заметили раньше

К началу 1980-х годов озон измеряли не только с поверхности: американские спутники уже имели приборы для наблюдений за его распределением. Поэтому открытие британцев породило вопрос о том, почему большие потери озона первыми описали наземные исследователи.

Спутниковые данные были сложными для обработки, особенно в полярных условиях. В отдельных методах обработки очень низкие значения могли рассматриваться как ненадежные, поскольку выходили за границы ожидаемого диапазона. Кроме того, приборы имели ограничения по освещенности и геометрии наблюдений.

Популярный пересказ иногда сводит историю к утверждению, будто компьютеры NASA автоматически удаляли все данные об озоновой дыре. Это слишком упрощает ситуацию. Спутниковые измерения существовали, но их правильное толкование требовало пересмотра процедур обработки и понимания масштаба происходящего.

В 1986 году исследователи NASA проанализировали данные приборов TOMS и SBUV и подтвердили, что речь идет не о небольшом локальном отклонении вокруг отдельной станции, а о масштабном сезонном явлении над Антарктидой. Спутниковые карты сделали его пространственные размеры наглядными.

Как образуется озоновая дыра

Главная причина связана с накоплением в стратосфере хлора и брома из произведенных человеком долгоживущих соединений. Однако для возникновения особенно глубокого антарктического истощения важны специфические погодные условия.

Во время полярной зимы над Антарктидой формируется устойчивый вихрь холодного воздуха, ограничивающий обмен с более теплыми широтами. В нижней стратосфере температура опускается настолько, что возникают полярные стратосферные облака. На поверхности их частиц химические соединения хлора переходят в формы, которые затем легко участвуют в разрушении озона.

Когда после полярной ночи возвращается солнечный свет, запускаются быстрые фотохимические реакции. Активные соединения хлора и брома разрушают озон, причем один атом или радикал может многократно участвовать в этом процессе. Поэтому последствия становятся особенно заметными в антарктическую весну.

По мере сезонного потепления и разрушения полярного вихря обмен воздухом усиливается, а область с крайне низким содержанием озона обычно уменьшается. Следующей весной цикл может повторяться. Размер и глубина озоновой дыры различаются по годам из-за погоды, но многолетнее ухудшение было обусловлено накоплением озоноразрушающих веществ.

Важную роль в проверке химического объяснения сыграла американская исследовательница Сьюзен Соломон. В 1986 году она предложила подробное объяснение роли полярных стратосферных облаков, а полевые измерения следующих лет подтвердили высокую активность соединений хлора в области разрушения озона.

От научного открытия к договору

Открытие совпало с началом международных переговоров об охране озонового слоя. В марте 1985 года, еще до публикации британской работы, государства приняли Венскую конвенцию, создавшую рамки для научного сотрудничества и будущих мер регулирования. Она не вводила строгих количественных ограничений на производство CFC.

После сообщения об антарктической озоновой дыре давление в пользу конкретных мер усилилось. Правительства столкнулись с проблемой веществ, применявшихся во множестве отраслей. Переход на заменители требовал вложений, изменения технологий производства холодильного оборудования, аэрозолей и других товаров.

16 сентября 1987 года был подписан Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Первоначально он предусматривал поэтапное ограничение производства и потребления определенных соединений. Позднейшие поправки усиливали обязательства, расширяли перечень веществ и вводили финансовую поддержку развивающимся странам.

Условия исполнения отличались для государств с разным уровнем промышленного развития. В результате международное сотрудничество не ограничилось запретами: страны обменивались технологиями, а производители искали заменители озоноразрушающих соединений.

В 1995 году Нобелевскую премию по химии получили Пауль Крутцен, Марио Молина и Фрэнк Шервуд Роуленд за исследования атмосферных процессов образования и разрушения озона. Фарман, Гардинер и Шенклин в состав лауреатов не вошли, хотя их наблюдения сыграли решающую роль в выявлении антарктической проблемы.

От фреонов к новым технологиям

Для промышленности отказ от CFC не был простой заменой одного вещества другим. Разные холодильные установки работали при определенных температурах и давлениях, а аэрозольные упаковки и теплоизоляционные материалы рассчитывались под свойства конкретных соединений. Инженерам приходилось учитывать энергоэффективность, безопасность, стоимость и срок службы оборудования.

Отдельную трудность представляли уже выпущенные холодильники и кондиционеры. Даже после прекращения производства новых озоноразрушающих веществ старые системы могли содержать значительные их количества. Утечки во время эксплуатации и неправильной утилизации сохраняли проблему. Поэтому международные меры постепенно стали охватывать сбор, переработку и безопасное уничтожение хладагентов.

Часть новых заменителей практически не разрушала озон, но имела высокий потенциал глобального потепления. Это выявило связь между двумя направлениями экологической политики: защита озонового слоя должна была учитывать и климатические последствия новых технологий. В 2016 году Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу предусмотрела поэтапное сокращение использования некоторых гидрофторуглеродов - веществ, не разрушающих озон, но способствующих изменению климата.

Так развитие науки после 1985 года влияло не только на решения правительств, но и на устройство оборудования в домах, супермаркетах, автомобилях и на промышленных предприятиях.

Последствия для здоровья и экологии

Озоновая дыра не превращает поверхность Антарктиды в зону, полностью лишенную защиты, но при низком содержании озона повышается поток вредного ультрафиолетового излучения. Оно повреждает живые клетки, увеличивает риск отдельных видов рака кожи, катаракты и может воздействовать на рост растений и морские пищевые цепи.

Антарктические экосистемы особенно уязвимы к изменениям условий освещения. В морях Южного океана существенную роль играет фитопланктон - микроскопические организмы, составляющие основу многих пищевых цепей. Повышенное ультрафиолетовое облучение способно влиять на их развитие, хотя конкретные последствия зависят от глубины, сезона и состояния воды.

Сообщения об озоновой дыре иногда смешивали с проблемой глобального потепления. Это разные процессы. Разрушение озона вызывают определенные химические вещества и реакции в стратосфере; изменение климата прежде всего связано с накоплением парниковых газов. Однако явления взаимодействуют: ряд озоноразрушающих соединений одновременно является сильными парниковыми газами, а температура стратосферы влияет на скорость озоновых реакций.

Восстановление озонового слоя

После введения международных ограничений содержание многих озоноразрушающих соединений в атмосфере постепенно начало снижаться. Но поскольку некоторые из них способны сохраняться десятилетиями, мгновенного восстановления не произошло.

Площадь антарктической озоновой дыры по-прежнему меняется от года к году. Холодные зимы и особенности воздушной циркуляции могут временно усиливать разрушение, даже на фоне общего долгосрочного улучшения.

По оценке международной научной группы, опубликованной в 2023 году на основе оценки 2022 года, при соблюдении действующих ограничений общее содержание озона в Антарктиде может приблизиться к уровню 1980 года около 2066 года. Для большей части планеты восстановление ожидается раньше. Это прогноз, а не дата, когда озоновая дыра непременно исчезнет окончательно.

Монреальский протокол считается одним из наиболее результативных международных экологических соглашений. Он позволил резко сократить производство и потребление контролируемых озоноразрушающих веществ. При этом необходимость наблюдений сохранилась: возможны непредвиденные выбросы, нарушения правил и климатические факторы, влияющие на скорость восстановления.

Историческое значение

Открытие 1985 года стало примером того, как многолетние научные измерения способны обнаружить изменение окружающей среды, не предусмотренное прежними моделями. Ученые на удаленной антарктической станции заметили проблему, вызванную промышленными веществами, которые производились и использовались за тысячи километров от места наблюдений.

История озоновой дыры связала фундаментальные исследования атмосферной химии с международной политикой и повседневной промышленностью. Открытие Фармана, Гардинера и Шенклина не создало проблему и не стало первым предупреждением о действии фреонов. Оно дало убедительное доказательство того, что ущерб уже приобрел масштабный характер.

Последовавшие исследования прояснили механизм разрушения озона, а Монреальский протокол предложил путь к его ограничению. В отличие от многих экологических проблем XX века, последствия этой катастрофы начали постепенно устранять благодаря согласованным действиям государств, промышленности и научного сообщества.