ГЛОБАЛЬНОЕ ИСТОЩЕНИЕ ОЗОНА
Вся совокупность экспериментальных данных свидетельствует о том, что имеет место глобальное истощение озонного слоя. Оно имеет определенно антропогенное происхождение. Последнее утверждение требует знания временных вариаций озонного слоя, которые могли бы быть вызваны естественными причинами, в первую очередь изменениями во времени солнечного потока. Надежные измерения этой величины появились сравнительно недавно. Изменения интегрального потока (по всем длинам волн) невелики. Они составляют десятые доли процента. Хорошо прослеживается зависимость от известных 11-летних циклов активности Солнца. Так, за период уменьшения солнечной активности 1978-1985 гг. поток убыл примерно на 0,1%. Но излучение в УФ области спектра, существенное для наработки озона, меняется гораздо сильнее по сравнению с изменением полного потока. Последний определяется в основном видимым и инфракрасным спектром. За счет изменения активности Солнца можно ожидать уменьшения и повышения глобального содержания озона в стратосфере с цикличностью примерно 11 лет и масштаба порядка 1%. Спутниковые измерения за период 1978-1985 гг. обнаруживают ожидаемое понижение содержания озона. Однако возрастание солнечной активности в последующие годы и возвращение к уровню 1978 г. не сопровождалось полным восстановлением озонного слоя. Этот факт хорошо укладывается в общую картину глобального истощения, о которой было сказано в начале этого раздела.
Поставленное перед фактом серьезной угрозы для жизни на Земле мировое сообщество оказалось вынужденным принять защитные меры. В 1987 г. был принят так называемый Монреальский протокол, по которому страны-участники обязались сократить к концу века производство и использование соединений ХФУ. В последующие годы положение усложнилось. Наблюдаемое истощение озонного слоя оказалось более быстрым, чем это представлялось. Поэтому свыше сотни стран, включая все наиболее индустриально развитые, приняли дополнительные обязательства по прекращению производства наиболее опасных соединений. Следует отметить, что даже если все эти решения будут выполнены, из-за уже имеющегося в атмосфере большого запаса соединений ХФУ и очень малой скорости их разрушения негативные последствия будут проявляться в течение десятков лет.
Вполне возможно существование и иных, пока что неизвестных механизмов, приводящих к наблюдаемым изменениям в озонном слое атмосферы, которая является чрезвычайно сложной активной системой, характеризуемой нелинейными взаимодействиями. Поэтому необходимо развитие экспериментальных и теоретических исследований различных процессов в озоносфере и выявление их взаимосвязей. Важно знать конкретные характеристики откликов озоносферы на происходящие воздействия над каждым регионом, особенно там, где расположены крупные города, имеется высокая плотность населения.
Как указывалось выше, изменения в озоносфере при действии различных физико-химических механизмов представляют собой сложную пространственно-временную картину. Необходимы регулярные наблюдения атмосферного озона, исследование вертикального профиля его содержания на различных высотах в стратосфере и мезосфере. Помимо глобальных измерений озона со спутников необходимы наблюдения озонного слоя с помощью наземных обсерваторий, обеспечивающих слежение за его состоянием. Этот контроль особенно важно осуществлять над густонаселенными регионами Северного полушария, над крупными городами.
Основная информация о вертикальном распределении озона поступает с шаров-озонозондов, высота полета которых составляет примерно до 30 км, с борта ракет, самолетов и искусственных спутников Земли. Используются традиционные наземные оптические методы, а также методы лазерного зондирования. К сожалению, явно недостаточно регулярных измерений вертикального профиля озона этими методами над нашей страной, над ее городами. В настоящее время на орбитальной космической станции "Мир" в составе модуля "Природа" установлен разработанный в ФИАН инфракрасный спектрорадиометр, с помощью которого планируются эксперименты по экологическому мониторингу атмосферы, по измерению озона и ряда других малых газовых составляющих атмосферы.
ОЗОНОМЕТРЫ ФИЗИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОЗОННОГО СЛОЯ
Созданные в ФИАН озонометрические комплексы регистрируют спектр теплового излучения озона в диапазоне миллиметровых радиоволн (ММ) и обеспечивают непрерывные круглосуточные наблюдения вертикального профиля концентрации озона в труднодоступных слоях стратосферы и мезосферы на высотах примерно от 15-20 до 80 км при различных погодных условиях, в том числе в отсутствие оптической видимости при сплошной облачности. Этот наземный метод мониторинга озонного слоя является абсолютно экологически чистым, не связан с воздействием на озонный слой и с загрязнением атмосферы, как это происходит при измерениях озона с борта ракет или самолетов, и по сравнению с бортовыми методами не требует больших материальных затрат на его проведение. Отличительные особенности дистанционного зондирования озоносферы на радиоволнах делают этот метод исключительно эффективным средством наземного мониторинга озонного слоя, особенно в условиях крупных городов.
Идея метода состоит в следующем. Регистрируется тепловое радиоизлучение молекул озона на частотах одной из спектральных линий вращательного спектра с центром на частоте 142,2 ГГц (длина волны около 2 мм), расположенной в окне прозрачности атмосферы. В излучение дают вклад слои стратосферы на разных высотах с различной плотностью и различной концентрацией молекул озона. В миллиметровом спектре ширина линий определяется столкновениями молекул, то есть пропорционально плотности. Поэтому результирующий контур спектральной линии несет информацию о вертикальном распределении молекул озона. Для регистрации этой линии (пример измеренного спектра озона на рис.2) необходима приемная аппаратура высокой чувствительности и высокого спектрального разрешения, что реализовано в озонометре ФИАН. На рис.3 представлен пример восстановленного профиля озона, соответствующего спектральной линии на рис.2. Для восстановления вертикального профиля озона из измеренного спектра (обратная задача) применяются известные математические методы. Погрешности при восстановлении отдельного профиля озона не превышают 10%.
ОЗОННЫЙ СЛОЙ НАД МОСКВОЙ
Фотохимическая теория формирования озонного слоя, создаваемые численные модели, основанные на всей совокупности современных представлений о химии и динамике атмосферы, накапливаемые экспериментальные данные позволяют составить все более надежную картину глобального состояния стратосферного озонного слоя и его эволюции в ближайшем будущем. К сожалению, специфика высотно-временного распределения озона над конкретными регионами умеренных широт Северного полушария, в том числе над Москвой и Московской областью, изучена хуже.
Проводимые в ФИАН в течение последних лет систематические наблюдения позволяют выявить ряд характерных особенностей влияния динамики и химии атмосферы на изменчивость озонного слоя над московским регионом. Эти результаты проанализированы и для удобства изложения сопоставлены с известной моделью озоносферы, построенной Г.Китингом (среднемесячные вертикальные распределения озона для данного широтного пояса), и с данными аэрологического зондирования, любезно предоставленными Центральной аэрологической обсерваторией и Гидрометцентром Роскомгидромета. Оказалось, что вертикальный профиль содержания озона над московским регионом весьма чувствителен к происходящим в стратосфере физико-химическим процессам. В зависимости от особенностей этих процессов профиль озона в отдельные периоды может иметь устойчивые состояния с повышенными, пониженными или близкими к средним значениями содержания озона, а в другие периоды проявляет значительную изменчивость под их воздействием.
Проиллюстрируем это примерами. Начнем со случая спокойного, или, как называют его метеорологи, маловозмущенного состояния стратосферы. На рис.4 представлены примеры измеренных на ММ волнах в ФИАН вертикальных профилей содержания озона в спокойных условиях в стратосфере. При этом вертикальное распределение озона оказывается близким к среднему значению и не испытывает заметных изменений с течением времени (мы ограничимся иллюстрацией вариаций атмосферного озона, измеренного в дневное время на высотах ниже 60-65 км, где сосредоточен основной слой озона). Такое состояние озоносферы довольно часто наблюдается в теплое полугодие, а также и в зимний период, когда центр полярного стратосферного вихря располагается над районом Северного полюса и стратосфера над пунктом наблюдения находится в сфере действия этого вихря.
Вместе с тем в ряде случаев над московским регионом наблюдается устойчивое истощенное состояние озоносферы. В качестве примера на рис.5 представлены профили вертикального распределения озона над Москвой, зарегистрированные 26 января и 14 февраля 1996 года. Подобное явление наблюдалось и раньше, например, в январе 1989 года. Примеры вертикального распределения содержания озона, зарегистрированные в ФИАН в январе 1989 г., представлены на рис.6а (кривые 1,2,3). Такое истощенное состояние озонного слоя наблюдается в случаях, когда полярный вихрь, в сфере действия которого находится стратосфера над Москвой, оказывается устойчивым и долгоживущим, в нем сильно падает давление (глубокий циркумполярный циклон с низким значением геопотенциала) и возникают очень низкие температуры (до -80оС и ниже). В этом случае происходящие в вихре атмосферные процессы (возможно образование полярных стратосферных облаков, интенсивное освобождение активного хлора и др.) приводят к эффекту истощения озонного слоя. Возвращаясь к зиме 1989 г., необходимо отметить, что устойчивое уменьшение озона в январе совпало с сильным понижением температуры в стратосфере. Например, температура воздуха на уровне 10 мбар (высота около 30 км) над московским регионом опускалась ниже -75оС в начале января и ниже -80оС в конце января 1989 г. Следует отметить, что это явление утоньшения озонного слоя над московским регионом охватывало и соседние регионы. Известно, что в последних числах января 1989 г. в озонном слое возникла "мини-дыра" с центром над Скандинавским полуостровом.