На главную / Экология / В. Б. Кашкин, Т. В. Рублева, Р. Г Хлебопрос . Проблемы озонового щита планеты

В. Б. Кашкин, Т. В. Рублева, Р. Г Хлебопрос . Проблемы озонового щита планеты

| Печать |

Сибирский федеральный университет 
Красноярский научный центр СО РАН
В работе рассмотрены современные проблемы, касающиеся озонового щита планеты, исследована глобальная динамика стратосферного озона по спутниковым данным в Северном и Южном полушарии. Проведен анализ пространственно-временных изменений Антарктической озоновой дыры за период 1978-2007 г.г. Предложена и обоснована новая гипотезы о причинах возникновения Антарктической озоновой дыры. Исследовано взаимное влияние циркумполярного вихря и озоновой дыры в Южном полушарии. Обсуждены проблема вариаций общего содержания озона (ОСО) в Северном полушарии и проблема «минидыр». С помощью метода сингулярного спектрального анализа исследованы временные ряды ОСО, найдены тренды ОСО в средних широтах обоих полушарий. Установлено, что до введения запрета на производство озоноразрушающих веществ в средних широтах Северного полушария озоновый слой истощался на 3,4 % в расчете на 10 лет, Южного – на 3,7%. После введения запрета в Северном полушарии наблюдается истощение на 2,9%, в Южном – на 3,0%. V.B. Kashkin, T.V. Rubleva, R.G. Khlebopros
The Problems of Ozone Shield of the Earth Siberian Federal University
International scientific centre for organism extreme states research (ISCOESR)
Attached Presidium of KSC SB RAS
The modern problems of the Earth ozone layer are discussed. The global dynamics of stratospheric ozone at the North and South hemispheres and the Antarctic ozone hole is analyzed using 1978-2007 satellite data. A new hypothesis of origin of the Antarctic ozone hole is proposed. The interdependence of the South circumpolar vortex and the Antarctic ozone hole is discussed. An approach to the problem of the North hemisphere ozone miniholes is described. The accurate trends of total ozone at middle latitudes of the both hemispheres are found using singular spectral analysis. It was revealed that the ozone depletion was 3.4% per decade at middle latitudes of the North hemisphere and 3.7% at middle latitudes of the South hemisphere before ozone destruction substances manufacturing prohibition. It became 2.9% and 3.0% after prohibition. Озон (О3) представляет собой сравнительно редкую молекулярную форму кислорода, состоящую из трех атомов. Хотя озона в современной атмосфере немного – не более одной трехмиллионной от остальных газов – роль его чрезвычайно велика: он задерживает жесткое ультрафиолетовое излучение (коротковолновую часть солнечного спектра), разрушающее белки и нуклеиновые кислоты. Поэтому до появления фотосинтеза и, соответственно, свободного кислорода и озонового слоя в атмосфере жизнь могла существовать только в воде. Необходимо отметить, что стратосферный озон – важный климатический фактор, определяющий краткосрочные и локальные изменения погоды. Поглощая солнечное излучение и передавая энергию другим газам, озон нагревает стратосферу и тем самым регулирует характер планетарных тепловых и циркулярных процессов во всей атмосфере. Неустойчивые молекулы озона в естественных условиях образуются и распадаются под действием различных факторов живой и неживой природы, причем в ходе длительной эволюции этот процесс пришел к некоторому динамическому равновесию. Скорость реакций деструкции озона зависит от катализаторов, в роли которых могут выступать как естественные атмосферные оксиды, так и вещества, попадающие в атмосферу в результате природных катаклизмов (например, мощных извержений вулканов). Однако во второй половине прошлого века было обнаружено, что катализаторами реакций разрушения озона могут также служить вещества промышленного происхождения. Атмосферный озон образует сферический слой толщиной около 90 км над поверхностью Земли, причем озон в нем распределен неравномерно. Больше всего этого газа сосредоточено на высоте 26–27 км в тропиках, на высоте 20–21 км – в средних широтах и на высоте 15–17 км – в полярных областях. Общее содержание озона (ОСО) – количество озона в вертикальном атмосферном столбе в конкретной точке, измеряется по поглощению и рассеянию солнечной радиации в ультрафиолетовом диапазоне. В качестве единицы измерения используется единица Добсона (е.Д.), соответствующая толщине слоя газообразного озона в вертикальном столбе атмосферы при нормальных давлении (760 мм рт. ст.) и температуре (0°С). 100 е.Д. соответствуют толщине озонового слоя в 1 мм. Величина содержания озона в атмосфере испытывает суточные, сезонные, годовые и многолетние колебания. При среднем глобальном ОСО в 290 е.Д. толщина озонового слоя изменяется в широких пределах – от 90 до 600 е.Д. За содержанием озона в атмосфере следит мировая сеть из около полутораста наземных озонометрических станций, очень неравномерно распределенных по территории суши. Поэтому такая сеть практически не может регистрировать аномалии в глобальном распределении озона, даже если их линейный размер достигает тысячи километров. Более детальные данные об озоне, охватывающие почти весь земной шар, получают с помощью оптической аппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли. Эти данные получают ежедневно, они доступны на сайте NASA [1]. «Дыра» над Антарктидой Заметную убыль озонового слоя над Антарктидой – озоновую дыру – впервые обнаружили еще в 1957 г., в Международный геофизический год (1957-1959 гг.). Прямыми инструментальными методами измерений были получены данные аномально низких значений ОСО [2].Так, измерения Добсона на станции Нalley-Bay (Великобритания) с координатами (75°S, 26°W), показали, что антарктической весной наблюдалось уменьшение ОСО, которое впоследствии восстанавливалось. По измерениям ОСО на станции Дюмон-Дюрвиль (66,7°S, 140°E) оказалось, что 18.10.1957 г. общее содержание озона составило 120 ед.Д., при среднемесячном значении ОСО 250-300 ед.Д. Уменьшение количества озона в весенний период (сентябрь–ноябрь) наблюдали также российские исследователи, начиная с 1974 г. в прибрежной обсерватории Мирный (66,6°S, 93°E), в 80-е годы на антарктических станциях Новолазаревская (70,8°S, 11,8°E) и Восток (78,5°S, 106,9°E) [3]. Измерения общего содержания озона показали, что минимальное значение ОСО варьирует по времени наблюдения и связано с циркуляционными условиями в стратосфере Антарктиды. Межгодовое уменьшение весенних значений общего содержания озона было определено по отрицательным трендам ОСО на трех антарктических станциях: Нalley-Bay (75°S, 26°W) за период (1957-1968 г.г.), Syowa (69°S, 40°E) – с 1965 по 1976 г. и South Pole (90°S) – с 1962 по 1972 г. За 11 лет по результатам измерений на первой станции значения ОСО уменьшились на 6,3%, на второй уменьшение ОСО составило 6,6%, а на третьей станции за 10 лет – на 5,4% [4]. Настоящая история Антарктической озоновой дыры началась в 1985 г. со статьи в майском номере журнала «Nature», где было высказано предположение, что причиной аномального весеннего минимума ОСО над Антарктидой служит промышленное (в том числе и фреонами) загрязнение атмосферы. C 1978 г. мониторинг озонового слоя осуществляется с помощью прибора TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) – спектрометра для картирования общего содержания озона, установленного на искусственных спутниках Nimbus-7 (1978-1993 г.г.), Метеор-3 (1991-1994 г.г.), Earth Probe (1996-2004 г.г.) и прибора OMI спутника Аura (с 2005 г. по настоящее время). Спектральная область измерений составляет 160–400 нм. ОСО вычисляется из разницы поглощения рассеянного солнечного света в УФ-области на двух парах длин волн. Погрешность измерений составляет не более 2%. Озоновая дыра над Антарктидой возникает ежегодно и существует в течение 3–3,5 месяцев, а затем исчезает. Она представляет собой не сквозное отверстие, как может показаться, а углубление в озоновом слое, поэтому более правильно говорить о «провисании озонового слоя». Согласно современным представлениям, озоновая дыра – это устойчивое понижение общего содержания озона на большой территории Антарктиды ниже климатической нормы (менее 220 е.Д. весной). Анализ пространственно-временных изменений этого аномального явления основывается на определении минимальных значений общего содержания озона (глубины дыры), ее средних размеров и дефицита массы озона. Уменьшение глубины дыры фиксируется с 1979 г. (209 е.Д.) до настоящего времени (2007 г. – 106 е.Д.). Расширение области озоновой дыры по площади оценивается от 1 млн. км2 (1979 г.) до 30,6 млн. км2 (2000 г.). Таким образом, за прошедшие 30 лет озоновая дыра над Антарктидой стала глубже в 2 раза, а ее площадь увеличилась в тридцать раз. Вертикальное зондирование, проведенное в 1987 г., позволило определить высоты падения концентрации озона – это 12–18 км. На рис. 1 приведено трехмерное изображение Антарктической озоновой дыры 30 сентября 2007 г., построенное по данным со спутника Аura (США), прибор OMI. Здесь по оси Z отложены значения ОСО, на осях X и Y указана долгота – 0 и 90°. В средних широтах Южного полушария (65°–35°) озоновая дыра окружена областью с аномально высоким ОСО – циркумполярным вихрем, хорошо видимым на рис. 1. Минимальное значение ОСО внутри дыры составляет 106 е.Д. Рис. 1. Изображение Антарктической озоновой дыры 30 сентября 2007 г., построенное по спутниковым данным. Озоновая дыра окружена «валом» – циркумполярным вихрем в средних широтах Южного полушария с максимальным значением ОСО в 450 е.Д. Минимальное ОСО в дыре 106 е.Д. Существуют несколько теорий и гипотез относительно химических и динамических механизмов образования озоновых дыр. К сожалению, почти все дальнейшие исследования озоновой дыры в основном были направлены на доказательство её антропогенного происхождения. Однако в химическую антропогенную теорию, например, не укладываются многие известные факты: например, эта теория не может объяснить увеличение содержания стратосферного озона в отдельных географических регионах. Но особенно интересен самый «наивный» вопрос: почему дыра существует в Южном полушарии, хотя фреоны вырабатываются в Северном, при том, что атмосферный перенос между Северным и Южным полушарием в период формирования озоновой дыры, возможно, прекращается? Ответить на ряд вопросов, связанных с проблемой озоновой дыры, удалось с помощью нового метода слежения за движениями воздушных потоков в стратосфере, предложенного В.Б. Кашкиным [5, 6]. Новый подход предполагает детальный анализ пространственно-временных измерений ОСО в стратосфере, и в этом состоит его преимущество перед другими существующими подходами. Воздушные потоки в тропосфере (до высоты 10 км) с давних пор прослеживали, наблюдая за поступательными и вращательными перемещениями облаков. Озоновый слой, по сути, также представляет собой совокупность «облаков» над всей поверхностью Земли, и по изменениям поля общего содержания озона с течением времени можно судить о движении воздушных масс выше 10 км, – так же, как можно определить направление ветра, глядя на облачное небо в пасмурный день. На рис. 2 представлены изображения участка озонового слоя в Южном полушарии 3 и 4 октября 2006 г., построенные по данным спутника Аura. Вследствие движения озонового слоя на этом участке «облака» озона 4 октября переместились к востоку относительно положения на 3 октября. Коэффициент корреляции между случайным полем ОСО 3 и полем 4 октября (внизу рисунка) составляет 0,66. Для определения скорости переноса применяли корреляционно-экстремальный алгоритм [7]. При сдвиге поля 4 октября назад на 18,75° коэффициент корреляции возрос до максимального значения 0,95. Таким образом, за сутки этот участок поля озона сместился к востоку на 18,75°, опережая вращение Земли; скорость зонального переноса составлила 18,75 град/сутки. Метод позволяет оценить скорость и направление перемещения озонового слоя и, следовательно, стратосферы в целом на высотах максимального содержания озона в 22–25 км на средних широтах и 15–18 км вблизи полюса. Рис. 2. Изображения участка озонового слоя в Южном полушарии за 3 и 4 октября 2006 г., построенного по спутниковым данным. С применением предложенного метода была исследована динамика озонового слоя в 2000-2007 гг., на основе этих данных выдвинута гипотеза о преобладании природного механизма образования озоновой дыры. Глобальная динамика стратосферы: гипотеза Образование озоновой дыры связано с антарктическим циркумполярным вихрем (ЦВ) – устойчивым циклоном в нижней стратосфере, который висит в течение антарктической зимы и весны над полярной областью. Известно, что воздух внутри этого вихря движется, в первом приближении, по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса. Зимой в полярных областях воздушные массы имеют низкую температуру и высокую плотность по сравнению со средними и тропическими широтами. В конце зимы Солнце прогревает приполярную атмосферу, давление там повышается, происходит перенос разогретых солнечным излучением масс воздуха в меридиональном направлении. Сила Кориолиса на широте 30° поворачивает массы воздуха на 90°, на средних широтах образуется циркумполярный вихрь, вращающийся с запада на восток [8]. По мере прогрева верхней тропосферы и нижней стратосферы в полярных областях интенсивность переноса и скорость вращения падают. На рис. 3 представлены изображения озонового слоя в южном полушарии в конце сентября 2005 г., построенные по спутниковым данным TOMS/EP. Показана долгота, соответствующая различным участкам изображения. Поле ОСО выглядит как «вал» с большим ОСО (до 470 ед. Д.) диаметром около 7000 км, окружающий область с малым ОСО («озоновую дыру»). За сутки вал повернулся в восточном направлении на некоторый угол. Можно найти количественные характеристики движения озона в стратосфере – скорость и направление перемещения масс озона. Вычисляется коэффициент корреляции между полем ОСО за некоторый день и смещенным и повернутым на некоторый угол полем за предыдущий день. Наибольшее значение выборочного коэффициента корреляции, достигающее иногда 0,95–0,98, соответствует среднему за сутки смещению и повороту поля. Предусмотрена возможность разбивать поле ОСО на кольца с центром в Южном полюсе и находить скорость и направление перемещения масс озона в каждом из колец. Например, кольцо шириной от 30 до 60° S за сутки повернулось, в среднем, на 11° и сдвинулось, в среднем, на 2° в сторону экватора. При этом коэффициент корреляции изменился от 0,7919 (без поворота и сдвига) до 0,8443 (поворот на 11°, без сдвига), до 0,8606 (поворот на 11°, сдвиг на 1°) и до 0,8668 (поворот на 11°, сдвиг на 2°). Рис. 3. Изображение озонового слоя в Южном полушарии за два дня, построенное по спутниковым данным Связь глобального распределения озона с глобальной циркуляцией описывается теорией Дютша-Добсона [9]. Согласно этой теории, тропических широтах в стратосфере в результате фотохимический реакций образуется избыток озона, который уносится в конце зимы и весной в сторону высоких широт меридиональной составляющей общей циркуляции и одновременно нисходящим движением в нижней стратосфере. Этот поток захватывается циркумполярным вихрем. Перенос озона к северу (в северном полушарии) и к югу (в южном полушарии) наиболее интенсивен в конце зимы каждого полушария и ослабевает летом. В результате осенью в средних и высоких широтах возникает минимум, а в конце зимы – максимум общего содержания озона. На рис. 4 и 5 приведены графики зависимости от времени ежесуточного среднего ОСО для Северного и Южного полушария в области циркумполярных вихрей (в кольце широт от 37,5° до 57,5°), использовались спутниковые данные о среднем содержании ОСО в кольцах шириной 5° на разных широтах (zonal means). Рис. 4. Зависимость от времени среднего ОСО в области циркумполярных вихрей Северного и Южного полушарий с 1978 по 1993 г. Рис. 5. Зависимость от времени среднего ОСО в области циркумполярных вихрей Северного и Южного полушария с 1996 по 2006 г. Выбор ширины кольца обусловлен тем, что на широтах выше 40° происходят значительные изменения ОСО, превышающие изменения в тропиках и субтропиках. На широтах более 60° эти изменения также значительны, но непрерывные ряды ОСО по спутниковым данным для этих широт отсутствуют, так как спутниковая аппаратура оптического диапазона не может оценивать ОСО в зимние месяцы на неосвещенных Солнцем приполярных участках атмосферы. В работе использованы данные с сайта NASA, полученные с космических аппаратов Nimbus-7 с 1977 по 1993 г. и EP/TOMS с 1996 по 2006 г. График на рис. 4 (1977–1993 гг.) относится к периоду до полномасштабного запрета озоноразрушающих веществ, график на рис. 5 (1996–2006 гг.) – после введения запрета. Когда в Северном полушарии значение ОСО максимально, в Южном наблюдается минимум. Кроме того в период максимума среднего суммарного ОСО (т.е. в конце зимы и весной) в Южном полушарии Антарктическая озоновая дыра имеет наибольшую площадь. Каждый из представленных на рис. 4 и 5 временных рядов содержит тренд, периодические и случайные компоненты. Слой озона в средних широтах создается за счет мощного притока с экватора, а также в результате происходящих там фотохимических реакций. А в районе полюса озон обязан своим происхождением, в основном, поступлению с экватора и из средних широт, и его содержание там довольно низкое. Фотохимические реакции на полюсе, куда солнечные лучи падают под малым углом, идут медленно, а значительная часть озона, поступающего с экватора, успевает разрушиться в пути. Таким образом, в конце зимы и весной каждого полушария область вращающегося циркумполярного вихря насыщается озоном, приходящим из тропических областей. Однако в эту область поступает озон из полярных широт, что описывается теорией Дютша-Добсона. Массы озона внутри циркумполярного вихря также вращаются. Сторонники антропогенной теории образования озоновой дыры игнорируют это вращение и полагают, что уменьшение количества озона в дыре связано с разрушением его, в частности, хлором из разлагающихся фреонов. Для изучения движения масс озона в области Антарктической озоновой дыры нами был использован описанный выше метод слежения за движениями воздушных потоков в стратосфере. Определяли максимальные значения коэффициента корреляции, соответствующие среднему за сутки повороту поля ОСО (зональный перенос) и смещению в меридиональном направлении (меридиональный перенос). По полученным данным оценивали угол поворота поля ОСО, рассчитывали скорость зонального переноса (рис. 6). Графики на этом рисунке построены по спутниковым данным за 1–20 сентября 2000 г.; в конце сентября 2000 г. наблюдалась одна из самых больших по площади озоновых дыр в Антарктике. Рис. 6. – А – угловая скорость вращения (зональный перенос), Б – среднее ОСО на соответствующей широте. На рис. 6 приведены средние по кольцу значения скорости зонального переноса масс озона относительно Земли в восточном направлении в зависимости от широты, полученные сравнением полей ОСО за каждые два соседних дня от 1 до 20 сентября, а также среднее широтное распределение ОСО за этот период. Построены 95% доверительные интервалы для скорости зонального переноса. Видно, что во время образования дыры содержание озона в средних широтах возросло в области циркумполярного вихря; скорость зонального переноса возрастает по мере продвижения к полюсу. На основе анализа карт распределения ОСО было выявлено, что в Южном полушарии весной формируется весенняя озоновая аномалия в Антарктиде – сложная циклоническая система, объединяющая две области: циркумполярный вихрь и собственно озоновую дыру с различными пространственно-временными характеристиками. На рис. 7 приведена зависимость от времени скорости меридионального переноса с 1 сентября по 31 октября 2006 г. для области озоновой дыры (70°-75°S). Положительным значениям скорости соответствует отток масс озона в сторону циркумполярного вихря, отрицательным – приток озона из средних широт в озоновую дыру. График на рис. 7 описывается нерегулярной кривой, имеют место переносы озона в обоих направлениях. Однако к моменту максимума глубины дыры (28–30 сентября) преобладает отток (среднее значение скорости за сентябрь 0,33 град/сутки), далее начинается приток (среднее за октябрь –1,22 град/сутки). Нерегулярный характер кривой можно объяснить тем, что эти данные относятся ко всей площади дыры, на ее периферии где-то происходит отток, где-то приток. Рис. 7.Скорость меридионального переноса для области Антарктической озоновой дыры. Можно предположить, что вращение озона внутри циркумполярного вихря создает своеобразную центрифугу, озон из внутренней части отбрасывается к кольцу за счет центробежной силы (рис. 8). Рис. 8. Стрелки показывают направление переноса масс озона из экваториальной области А в область циркумполярного вихря (выделена белым цветом) и переноса из полярной области Б под воздействием центробежной силы. Когда потоки стратосферного воздуха набирают достаточно большую скорость, центробежная сила начинает отжимать их от полюса к средним широтам. В результате воздушные массы вместе c озоном движутся одновременно навстречу друг другу – от экватора и от полюса к средним широтам, где существует быстро вращающийся циркумполярный вихрь (см. рис. 1). В результате концентрация озона внутри воронки резко падает, над полюсом постепенно образуется озоновая «дыра» с пониженным содержанием озона (менее 220 е.Д.), а в средних широтах – область высокого содержания озона (до 500 и более е.Д.), соответствующая «валу» циркумполярного вихря. Существенно, что в антарктической дыре происходит движение масс озона от полюса к экватору. Схематично движение молекул озона в дыре представлено на рис. 9. На рис. 9 ? – угловая скорость вращения озоновой дыры, ? – скорость меридионального переноса. Таким образом, включается механизм выброса озона из дыры, в результате происходит ее расширение и углубление. Рис. 9. Схема движения молекул озона в Антарктической озоновой дыре по спирально-вихревой линии. Озон в Северном полушарии Хотя динамика стратосферных потоков и озонового слоя целом сходна в Северном и Южном полушариях, огромная озоновая дыра время от времени возникает только над Южным полюсом. На рис. 10 показана зависимость среднемесячной скорости зонального переноса в градусах в сутки в весенний период 2000 г. для Северного полушария (март 2000 г.) и Южного полушария (сентябрь 2000 г.), построенная по спутниковым данным. Из рис.10 следует, что в Южном полушарии в области циркумполярного вихря скорость зонального переноса в 1,8 раза больше, чем в Северном. И это неудивительно: Антарктида окружена морями и вокруг неё существует циркумполярное морское течение – по существу, вместе вращаются гигантские массы воды и воздуха. Иная картина наблюдается в Северном полушарии: в средних широтах там находятся материки с горными хребтами, и трение воздушной массы о земную поверхность не позволяют циркумполярному вихрю набрать скорость, необходимую для «раскручивания» центрифуги и реализации большого оттока масс озона из полярной области. Рис. 10. Среднемесячные значения средней скорости зонального переноса за сентябрь 2000 г. для Южного полушария и март 2000 г. для Северного. В Северном полушарии циркумполярный вихрь вращается почти в два раза медленнее, чем в Южном. Что касается географического распределения общего содержания озона в Северном полушарии, то в его средних широтах наибольшее значение ОСО (до 500–700 е.Д.) наблюдается весной, наименьшее – осенью (около 300 е.Д.) (см. рис.3 и 4). В Северном полушарии нет обширной озоновой дыры, подобной дыре в Южном полушарии. Однако в средних широтах Северного полушария иногда появляются области с пониженным содержанием озона, то есть озоновые дыры, намного меньшие по размеру, чем на Южном полюсе, которые называют минидырами. Время жизни их в среднем составляет несколько дней, а площади – порядка десятков тысяч квадратных километров. Нами установлено, что это явление природного происхождения. Появление таких атмосферных явлений связано с тем, что движение воздуха в стратосфере средних широт гористого северного полушария напоминает движение воды в мелком ручье с каменистым дном, когда на поверхности воды образуются многочисленные водовороты. В средних широтах северного полушарии роль рельефа поверхности дна играют перепады температур на границе континентов и океанов, горных массивов и равнин. На рис. 11 в белом круге представлена минидыра, возникшая при торможении циркумполярного вихря в марте 2006 г. перед Гренландией. В дальнейшем эта минидыра двигалась в западном направлении, медленно вращаясь. Иногда подобные образования распадаются на два вихря, вращающиеся в разных направлениях, причем в одном из них пониженное ОСО, а в другом – повышенное. Рис. 11. Общее содержание озона в Северном полушарии 17 марта 2006 г., минидыра около о. Гренландия. Проблема истощения озонового слоя в земной атмосфере Хотя широкую общественность более всего волнует проблема Антарктической озоновой дыры, более тревожным является состояние озонового слоя Земли в целом. Установлено, что озоновый слой Земли постепенно истощается. Эта проблема к настоящему времени далеко не исчерпана, и ряд важных ее разделов ждут своего разрешения. Отметим, что само по себе некоторое уменьшение общего содержания озона пока не является катастрофическим, особенно в средних и высоких широтах. Кроме озона, ультрафиолетовое излучение поглощают облака и аэрозольные образования. Например, в Центральной Сибири, где велико число облачных дней (до 80%), отмечается даже дефицит ультрафиолетового излучения (около 45% от медицинской нормы). На экваторе солнечные лучи падают под прямым углом и, пройдя через атмосферу, попадают на Землю кратчайшим путем. Поэтому ОСО на экваторе ниже (в среднем 260 е.Д.), чем на средних и высоких широтах, где солнечные лучи падают на Землю по «косой» траектории (кроме области Антарктической озоновой дыры). В 1973 г. американские ученые Ш. Роуланд и М. Молина обнаружили, что атомы хлора, выделяющиеся из некоторых летучих искусственных химических веществ под действием солнечного излучения, могут разрушать стратосферный озон. Ведущую роль в этом процессе они отвели так называемым фреонам (хлорфторуглеродам), которые в то время широко использовались в бытовых холодильниках, в кондиционерах, в качестве газа-вытеснителя в аэрозолях и т.д. В 1995 г. ученые совместно с П. Крутценом (ФРГ) были удостоены за свое открытие Нобелевской премии по химии. На основе лабораторных экспериментов и модельных расчетов нобелевских лауреатов приняты ограничения на производство и использование хлорфторуглеродов и других веществ, разрушающих озоновый слой. Сегодня Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, предусматривает контроль за 100 химическими соединениями. В настоящее время протокол подписали более 200 государств. В Законе Российской Федерации об охране окружающей природной среды есть специальная статья, посвященная охране озонового слоя Земли. Запрет на производство и потребление озоноразрушающих веществ имел серьезные экономические и политические последствия. Ведь фреоны обладают массой достоинств: они малотоксичны по сравнению с другими хладагентами, химически устойчивы, негорючи и совместимы со многими материалами. Поэтому руководители химической промышленности, особенно в США, вначале были против запрета. Однако позднее к запрету присоединился концерн Дюпон, предложивший использовать в качестве альтернативы фреонам гидрохлорфторуглероды и гидрофторуглероды. В западных странах начался «бум» с заменой старых холодильников и кондиционеров новыми, не содержащими озоноразрушающих веществ, хотя технические устройства на их основе имеют более низкий КПД, менее надежны, потребляют больше энергии и при этом более дорогостоящи. Компании, первыми начавшие применять новые хладагенты, оказались в выигрыше и получили громадные прибыли. Только в США убытки от запрета на хлорфторуглероды составили десятки, если не более, миллиардов долларов. Появилось мнение, что так называемая озоносберегающая политика могла быть инспирирована владельцами крупных химических корпораций с целью укрепить свое монопольное положение на мировом рынке. Приводимые в литературе сведения о степени истощения озонового слоя противоречивы [10, 11]. По данным Всемирной организации здравоохранения, за десятилетие глобальное ОСО истощается на 8 %, по данным Всемирной метеорологической организации – на 5. Зимой и весной (декабрь–апрель) ОСО снижается быстрее (6–10 % за 10 лет), чем летом и осенью (июнь–ноябрь) – 0, 1–6 % за декаду. Наблюдения на метеостанции Ароза (Швейцария), проводимые с середины 1920-х гг., также показали уменьшение ОСО, но низкие значения концентрации озона здесь были зафиксированы давно, когда антропогенные воздействия на озоновый слой были намного меньше, чем сейчас. Более того, оказалось, что изменения ОСО над Арозой тесно связаны с изменениями климата Северного полушария (с так называемой арктической осцилляцией) [9]. Наиболее детальный анализ глобального истощения озонового слоя Земли может быть проведен только по спутниковым данным. Однако в зимний период (в каждом из полушарий) отсутствует спутниковая информация о состоянии озонового слоя в полярной области. ОСО мало изменяется в тропических широтах. Поэтому о глобальном изменении ОСО с течением времени приходится судить по данным в средних широтах, например, в кольце от 37,5° до 57,5° в каждом из полушарий (см. рис. 4 и 5), именно в этих широтах находится циркумполярный вихрь. Проблема состоит в том, что трудно точно оценить слабо выраженные тренды ОСО. Применение метода наименьших квадратов (МНК) в этом случае, строго говоря, некорректно, так как МНК предполагает, что данные, не относящиеся к тренду (обычно ошибки измерений), некоррелированы. Однако, как следует из рис. 4 и 5, во временных рядах ОСО присутствуют квазипериодические компоненты. Линейные тренды рядов, представленных на рис. 5, были найдены по МНК в виде . Параметр a несет важную информацию и характеризует скорость изменения среднего суммарного ОСО в кольце. Для Северного полушария оценка a=-0,00726 е.Д./сутки, стандартное отклонение оценки σa=0,00056 е.Д./сут. Знак минус означает уменьшение ОСО. Для Южного полушария МНК-оценка а=–0,00044 е.Д./сут., стандартное отклонение оценки σа=0,00042 е.Д./сут., т. е. оценка a и её стандартное отклонение практически равны, следовательно, оценку a нельзя считать статистически значимой. Нами для анализа рядов ОСО был применен методом сингулярного спектрального анализа (ССА) «Гусеница» с использованием соответствующего программного обеспечения [12, 13]. Особенности использования метода для анализа рядов ОСО рассмотрены в [14]. Применение ССА позволяет существенно увеличить достоверность оценивания тренда ОСО, скорости деградации озонового слоя, не требует заранее задавать вид тренда. Полученные тренды среднего суммарного ОСО для Северного и Южного полушария в кольце широт от 37,5° до 57,5° приведены на рис.12 и 13. Тренд на рис. 12 соответствует периоду, когда запрет на производство озоноразрушающих веществ, в основном, еще не действовал. Тренд на рис. 13 относится к периоду запрета. Так как в период образования Антарктической озоновой дыры происходит перенос масс озона из области дыры в средние широты, причем, возможно, эти массы уже истощены вследствие влияния озоноразрушающих веществ, то тренд Южного полушария несет информацию и о состоянии озона в озоновой дыре. Рис. 12. Тренд среднего суммарного ОСО в средних широтах в 1978-1993 г.г. Рис. 13. Тренд среднего суммарного ОСО в средних широтах в 1996-2007 г.г. Из рис.12 и 13 следует, что тренд ОСО хорошо описывается линейной зависимостью. Проведенный анализ временных рядов ОСО показал, что в Северном полушарии на средних широтах до введения запрета на производство озоноразрушающих веществ озоновый слой истощался за 10 лет на 3,4 %, в Южном – на 3,7. После введения запрета в Северном полушарии наблюдается истощение на 2,9%, а в Южном – на 3,0% за десятилетие. Для валидации результатов использовали метод статистического моделирования. Тренд был вставлен в модель, добавляли шум, периодические компоненты, меняли параметры шума и этих компонентов, путем прореживания изменяли длину ряда. Можно гарантировать, что погрешность оценивания скорости деградации ОСО не превышает 0,02% в десятилетие, конечно, если считать точными использованные спутниковые данные. Таким образом, после введения запрета на производство озоноразрушающих веществ скорость деградации озонового слоя несколько уменьшилась. Однако пока невозможно с определенностью утверждать, что это связано именно с результатами запрета, а не с какими-то другими причинами. Одной из проблем, которую трудно объяснить антропогенной химической теорией деградации озонового слоя, является изменение максимальной площади Антарктической озоновой дыры с течением времени (рис.14). Рис. 14. Изменение площади Антарктической озоновой дыры с 1978 по 2007 г. г. Получается, что с тех пор, как был введен запрет на производство озоноразрушающих веществ, озоновая дыра только увеличилась. Однако в этот период в Антарктике произошли существенные погодные изменения. Из-за потепления климата началось таяние ледников, несомненно, изменилась и циркуляция атмосферы. По-видимому, усилились воздушные течения в стратосфере, выносящие озон в средние широты. Возможно, что именно этим объясняется уменьшение скорости деградации ОСО в циркумполярном вихре Южного полушария. Заключение Динамика стратосферных воздушных потоков, которую мы проследили, позволяет дать правдоподобное объяснение механизму образования озоновой дыры над Антарктидой и озоновых минидыр. По-видимому, эти изменения озонового слоя, обусловленные аэродинамическими явлениями в стратосфере, существовали задолго до появления человека. Пока трудно объяснить общее уменьшение содержания озона в стратосфере Земли, однако это может быть обусловлено глобальным потеплением. Все вышесказанное вовсе не означает, что фреоны и другие газы промышленного происхождения не оказывают разрушающего действия на озоновый слой. Однако каково здесь соотношение природных и техногенных факторов, еще предстоит выяснить. Поспешные выводы в таких вопросах недопустимы. Список литературы 1. http://toms.gsfc.nasa.gov./ 2. Капица А.П., Гаврилов А.А. Подтверждение гипотезы о естественном происхождении Антарктической озоновой дыры // ДАН – 1999. – 366, № 4 - с. 543-546. 3. Радионов В.Ф., Сабир Е.Е., Мишин А.А. Анализ характеристик радиационного режима и общего содержания озона на российских антарктических станциях/ Тезисы докладов научной конференции «Исследования и охрана окружающей среды Антарктики, г.Санкт-Петербург 13-15 ноября 2002 г. - с. 89-91. 4. Звягинцев А.М., Зуев В.В., Крученицкий Г.М., Скоробогатый Т.В. О вкладе гетерофазных процессов в формирование весенней озоновой аномалии в Антарктиде // Исследование Земли из космоса. – 2002.- № 3 - с. 1-6. 5. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. - М., 2001. - 263 с. 6. Kashkin V. B., Khlebopros R.G., Kolyada M.N. Satellute total ozone data as an indicator of stratospheric dynamics: a new interpretation of ozone holes (препринт). - Institut des Hautes Etudes Scientifiques. - Paris.- Препринт IHES/M/02/02. 7. Белоглазов, Н.Н. Корреляционно-экстремальные системы / Н.Н. Белоглазов, В.П. Тарасенко. –М., 1974. –392 с. 8. Бялко А.В. Наша планета Земля.- М., 1983. - 205 с. 9. Перов С.П., Хргиан А.Х. Современные проблемы атмосферного озона. - Л., 1980. - 287 с. 10. Смирнова О.А., Ионов Д.В., Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Новые оценки трендов общего содержания озона в Центральной и Северной Европе (по данным TOMS) // Исследование Земли из космоса.- 1999 - № 5 - с. 12-30. 11. Марчук Г.И., Кондратьев К.Я., Алоян А.Е., К.А. Варонос. Изменения общего содержания стратосферного и тропосферного озона: наблюдения и численное моделирование // Исследование Земли из космоса. - 2000. - № 2 - с. 3-7. 12. Голяндина Н.Э. Метод «Гусеница» SSA: анализ временных рядов. – СПб., 2004. – 74 с. 13. Главные компоненты временных рядов: метод « Гусеница» /под ред. Данилова Д.Л., Жилянского А.А. - СПб., 1997. – 207 с. 14. Кашкин В.Б., Рублева Т.В. Применение сингулярного спектрального анализа для выделения слабо выраженных трендов // Известия Томского политехнического университета. – 2007. - 311, № 5. – с.116-119. Учреждение, в котором выполнена работа: Международный научный центр исследования экстремальных состояний при Президиуме Красноярского Научного Центра Сибирского отделения Российской Академии Наук (МНЦИЭСО при Президиуме КНЦ СО РАН). Авторы: Кашкин Валентин Борисович, д.т.н., профессор кафедры технической физики Сибирского федерального университета. Рублева Татьяна Васильевна, ст. преподаватель кафедры технической физики Сибирского федерального университета. Хлебопрос Рем Григорьевич, д.ф.-м.н., профессор, директор МНЦИЭСО при Президиуме КНЦ СО РАН.

 

Вы можете прокомментировать эту статью.


Защитный код
Обновить

наверх^