13.4. Образование «озоновой дыры»

В весенних месяцах (сентябрь-ноябрь), над Антарктидой обычно появляется область бедного озоном воздуха. Начиная с 1977 года, анализ данных ракетного зондирования начал показывать, что амплитуда сезонных колебаний толщины слоя увеличивается, (рис. 2с) вплоть до почти полного исчезновения в отдельные дни. Именно в 80-е годы применительно к антарктической стратосфере и появился термин «озоновая дыра», более точно определяемая как область величиной слоя озона меньшей, чем 220 DU (рис 2 б, 2с).

Считают, что уменьшение слоя озона связано с выделением в атмосферу долгоживущих хлорфторуглеродов (ХФУ), оксидов азота и др. ХФУ, попадая в стратосферу, расщепляются коротковолновым ультрафиолетом, освобождая атомарный хлор. Хлор отщепляет от атома озона один атом кислорода, образуя окись хлора ClO, который в свою очередь вступает в реакцию с О₂, не давая возобновиться процессу образования озона. В 2000 году вступило в силу соглашение по всеобщему запрету на производство ХФУ (развитые страны по Монтреальскому протоколу остановили выпуск ХФУ с 1996 года). Каков действительный механизм действия ХФУ в стратосфере не полностью ясен, поскольку вероятность реакций противоположных циклу Чепмена, и ведущих к разрушению озона, практически не ограничена О₃+ Х=ХО+О₂, ХО=Х+ О(³р) или ХО+О(³р)=Х+О₂, здесь Х это хлор (на его месте могут быть атомарный водород Н или гидроксильная группа ОН_, NO, Вr и др.). Кроме этих существуют и другие реакции, где озон может разрушаться бесконечно.

Появление же самой «озоновой дыры» связано с особенностью атмосферной циркуляции над Антарктидой, которая состоят в том, что зимой в её стратосфере образуются сильные круговые потоки (полярный вихрь), образуя т.н. «полярные воздушные камеры» которые имеет ограниченный обмен с окружающим воздухом. Из-за отсутствия солнечного света в этот период года новый озон над Антарктидой не образуется, а вот ХФУ приносятся сюда в результате стратосферного обмена с более низкими широтами и увлекаются в вихрь. В условиях низкой температуры до –80⁰С в вихре накапливается большое количество ХФУ, гипохлорной кислоты CClOOH, хлорнитратов СClONО₂ и др. С наступлением весны (конец августа-сентябрь) эти вешества под воздействием солнечного света распадаются, высвобождая хлор, который и разрушает озон. В целом процесс может уменьшить слой общего озона до 50%, а в локальный профиль озона на высотах может достичь нуля. Поскольку накопление хлоринов зависит от температуры, то наибольшие площади разрушения озона в стратосфере отмечаются, когда здесь наблюдаются отрицательные аномалии температуры. В частности максимум дыры в 1998 году, связан с аномалиями -4 К, связанными с нарушением стратосферной циркуляции вследствие глубокого прогрева экваториальных вод в Тихом океане, во время Эль-Ниньо 1997/1998 года. Непостоянство концентраций и температуры, приводят к тому, что из года в год меняется как время начала процесса разрушения озона, так и его глубина. Поэтому под величиной дыры часто понимается средний размер площади со слоем в 220 DU, фиксируемой с 1 октября по 30 ноября. К декабрю запасы хлоринов в полярном вихре, так или иначе, иссякают, а рост концентрации озона вследствие расщепления кислорода нарастает и к началу лета Южного полушария концентрация озона обычно восстанавливается.

12. 5. Роль стратосферного озона в климате.

Радиационный режим в спектре длинноволновой и коротковолновой радиации, в настоящее время определяется в большей мере парами воды. Озон О₃ играет главную роль в поглощение ультрафиолетовой радиации и занимает третье место в ранге парниковых газов после углекислого газа. Но если углекислый газ, закись азота, метан, хлорфторуглероды, играющие заметную роль в поглощении земной длинноволновой радиации (до 32%), имеют наибольшие концентрации в пределах тропосферы, то озон имеет максимум в стратосфере. В результате стратосферного нагрева, вызванного поглощением коротковолновой радиации озоном, воздух нижней стратосферы поднимается на экваторе и оседает у полюсов, формируя циркуляцию Бревера. Поэтому любое уменьшение содержания озона в стратосфере, ведет к ее охлаждению. Уменьшение концентрации озона также ведет и к уменьшению поглощения длинноволнового излучения, отсутствие встречного излучения стратосферы приводит к понижению температуры тропосферы. Таким образом, озон играет важную роль в динамике всей атмосферы. Отметим, что в экваториальной области фиксируемое изменение толщины озона незначительно. В средних широтах отмечается уменьшение слоя от 1 до 6% в зависимости от широты.