Варгин П. Странная весна в Антарктике, или почему уменьшилась озоновая дыра

В сентябре 2019 года появились сообщения о необычно малой площади озоновой дыры над Антарктидой. К ноябрю, по данным Службы мониторинга Copernicus (CAMS), её размер стал наименьшим за последние 30 лет. Однако это не означает, что восстановление озонового слоя ускоряется.


Общее содержание озона над антарктическим полюсом: слева — октябрь 2015 года, справа — октябрь 2019 года. Фиолетовый и синий цвета обозначают области с наименьшим содержанием озона; жёлтый и красный — области с повышенным содержанием озона. Данные получены со спутников Aura и Suomi NPP. 


Рекордное разрушение озонового слоя, защищающего человека, животных и растения от повышенных уровней ультрафиолетовой радиации, было обнаружено над Антарктикой в начале 1980-х годов японскими и британскими исследователями с помощью наземных измерений и по результатам баллонных запусков, которые затем подтвердились спутниковыми наблюдениями. Значительное сокращение озонового слоя назвали Антарктической озоновой аномалией (или озоновой дырой). Уменьшение общего содержания озона (до 50%, а на некоторых уровнях в стратосфере — до 90%) ежегодно происходит в сентябре—ноябре, то есть в весенний период для Южного полушария.

Теоретическое обоснование разрушения озонового слоя в результате химических реакций с участием соединений хлора (фреонов) предложили Марио Молина и Шервуд Роуланд в 1974 году, за что в 1995 году получили Нобелевскую премию по химии. Суть теории состоит в том, что антропогенные хлорфтор-углероды (использовавшиеся в том числе в холодильниках и аэрозольных баллонах) поступают в нижние слои атмосферы (тропосферу), где они весьма устойчивы и могут находиться в неизменном виде десятки лет. Хлорфторуглероды медленно переносятся в стратосферу, в которой на частицах полярных стратосферных облаков, образующихся в полярной стратосфере при температурах ниже –78°С, разлагаются под действием коротковолнового УФ-излучения Солнца, проникающего в неё весной, высвобождая при этом атомы хлора. Атомы хлора атакуют молекулы озона, разрушая их и образуя оксид хлора СlO, который взаимодействует с атомарным кислородом, в результате чего вновь образуется активный хлор и разрушение озона продолжается.

Для интенсивного истощения озонового слоя необходимы уникальные метеорологические условия в полярной стратосфере: низкие температуры, достаточные для формирования полярных стратосферных облаков внутри стратосферного полярного вихря — так называется область полярной стратосферы с пониженным давлением и низкими температурами, вращающаяся против часовой стрелки в Арктике и по часовой стрелке — в Антарктике.

Аномалия озонового слоя, площадь которой определяется территорией со значениями общего содержания озона менее 220 единиц Добсона (одна единица Добсона равна слою озона 10 мкм при стандартных давлении и температуре — 105 Па и 0°С), может достигать 30 млн км2, что превышает площадь Северо-Американского континента (и вдвое — площадь Антарктиды). Уменьшение озонового слоя над Антарктикой оказало влияние на климатические условия на поверхности не только в высоких, но и в средних широтах Южного полушария в летнее время. Одновременно оно может увеличить в два-три раза уровни УФ-радиации, вызывающей у человека эритему с последующими негативными реакциями вплоть до онкологии.

Обнаружение озоновой аномалии над Антарктикой привело к значительному развитию мониторинга и исследований озонового слоя и факторов, влияющих на его изменчивость, во многих странах, в том числе в СССР и затем в России. Измерения общего содержания озона ведут наземные станции и спутниковые приборы. В Антарктике измерения проводят на наземных научных станциях, в том числе российских: «Новолазаревская», «Мирный» и «Восток». Наблюдения в крайне суровых условиях по-прежнему необходимы, в том числе для подтверждения (валидации) спутниковых данных.

Ограничение производства озоноразрушающих соединений, благодаря вступлению в силу в 1989 году Монреальского протокола, дало результат: начиная с 2000-х годов наметилась тенденция к уменьшению содержания этих соединений в атмосфере на 1—3% за десятилетие. Если страны, подписавшие протокол, будут придерживаться его и дальше, озоновый слой, по прогнозам, восстановится во второй половине текущего столетия. Этот процесс в XXI веке зависит и от содержания парниковых газов: их увеличение в атмосфере приведёт к снижению температуры стратосферы и изменению меридиональной циркуляции*, что повлечёт за собой сложные процессы, которые в целом будут сдерживать реставрацию озонового слоя.

Однако для Антарктической озоновой аномалии характерна и межгодовая изменчивость, которая определяется складывающимися метеорологическими условиями, способными привести к значительному разрушению озонового слоя, как, например, весной 2011 и 2015 годов. Усилить разрушение озонового слоя, в том числе и над Антарктикой, могут также сильные извержения вулканов, выбросы которых достигают стратосферы.

В начале сентября 2019 года температура стратосферы Антарктики резко увеличилась, из-за чего стратосферный полярный вихрь ослаб, уменьшился объём полярных стратосферных облаков, необходимых для сильного разрушения озонового слоя. В результате разрушение озона было слабым, область озоновой аномалии значительно сократилась и составила около 10 млн км2, что примерно в 2,5 раза меньше, чем в сентябре 2015 года (когда была большая озоновая аномалия), и даже на 30% меньше, чем в сентябре 2002 года. Тогда произошло главное внезапное стратосферное потепление — увеличение температуры стратосферы на десятки градусов за несколько дней — и разрушение озона было одним из наименьших за последние годы. В октябре 2019 года озоновая аномалия продолжала сокращаться и затянулась раньше обычного — в начале ноября. Озоновая дыра над Антарктикой 2019 года стала наименьшей за последние десятилетия из-за рекордно сильного распространения волновой активности** из тропосферы в полярную стратосферу, что привело к менее устойчивому стратосферному полярному вихрю с достаточно высокими температурами внутри его. Объяснения повышенному распространению волновой активности пока нет — это актуальная задача для исследователей.

Комментарии к статье

* Меридиональная циркуляция — циркуляция атмосферы, при которой потоки воздуха преимущественно следуют вдоль меридианов, то есть направлены на юг или на север.

** Волновая активность взаимодействует с циркуляцией стратосферы; в зимний сезон распространяется из тропосферы в стратосферу.

Кандидат физико-математических наук Павел Варгин, Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета