Выход за пределы: озоновая дыра
В октябре 1984 г. ученые Британской антарктической экспедиции (British Antarctic Survey) во время исследования, проводившегося на станции Халли-Бей (Halley Вау), зафиксировали уменьшение концентрации озона в стратосфере на 40 %. Измерения за предшествующий десятилетний период свидетельствовали, что год от года концентрация озона в октябре снижается (рис. 5.4). Ученые отказывались верить своим глазам. Снижение концентрации на 40 % казалось им просто немыслимым. Компьютерные модели, основанные на тогдашних знаниях в области атмосферной химии, допускали уменьшение концентрации всего на несколько процентов, не более.
Исследователи перепроверили все свое оборудование. Затем они стали искать материалы измерений, проведенных другими учеными, в надежде найти подтверждение. В конце концов они нашли его: результаты измерений, проведенных станцией в 1600 км к северо-западу, тоже показывали небывалое уменьшение концентрации стратосферного озона. _
В мае 1985 г. была опубликована историческая статься, объявившая о появлении в Южном полушарии «озоновой дыры»[162]. Новость ошарашила ученых всего мира. Если она было правдой, то это означало, что человечество уже превысило глобальный предел. Использование ХФУ вышло
Рис. 5.4. Измерение концентрации озона, станция Халли, Антарктида
Концентрация озона в атмосфере над станцией Халли, Антарктида, измеренная в октябре (при возвращении Солнца — это весна в Южном полушарии), уменьшалась на протяжении десяти лет, предшествовавших появлению публикации об озоновой дыре в 1985 г. С того момента концентрация озона в октябре стала еще меньше. (Источник: J.D. Shanklin).
за пределы устойчивости. Люди фактически разрушали собственный озоновый щит.
В США ученые НАСА (National Aeronautic and Space Administration, NASA) подняли все данные по атмосферному озону, которые спутник Нимбус-7 (Nimbus 7) непрерывно собирал с 1978 г. Он никогда не сообщал о появлении озоновой дыры. Перепроверив все данные, специалисты НАСА обнаружили, что их компьютеры были запрограммированы на отсев слишком низких значений концентрации озона, поскольку предполагалось, что такие величины могут быть только результатом ошибки измерения[163].
К счастью, отсеянные значения удалось найти, они не были уничтожены. Эти значения подтвердили наблюдения станции Халли-Бей, свидетельствуя, что концентрация озона уменьшалась на Южном полюсе на протяжении десятилетий. Более того, эти данные позволили составить подробную карту озоновой дыры. Она оказалась огромной, величиной с континентальную часть США. С каждым годом она становилась все больше, а концентрация — все ниже.
Откуда же взялась дыра? Почему именно над Антарктидой? Что означает это открытие для защиты всей планеты от ультрафиолетового излучения в диапазоне В? В последующие несколько лет ученые выполнили огромный объем работы, чтобы ответить на эти вопросы. Самое важное доказательство вины хлора было получено в сентябре 1987 г., когда
Рис. 5.5. Рост концентрации активного хлора и уменьшение концентрации озона в Антарктиде
Приборы на борту исследовательского самолета НАСА ER-2 одновременно измерили концентрации моноксида хлора и озона по маршруту следования из Пунта-Аренас, Чили (53° ю.ш. до 72° ю.ш.). Показанные на графике данные были собраны 16 сентября 1987 г. Когда самолет вошел в озоновую дыру, концентрация моноксида хлора превысила обычные значения во много раз, а концентрация озона резко упала. Это открытие позволило однозначно установить, что хлорсодержащие загрязнители вызывают разрушение озона. (Источник: J.G. Anderson et al.)
ученые направили из Южной Америки к Южному полюсу самолет прямо через озоновую дыру. Результаты измерения концентрации озона и СlO по всему маршруту показаны на рис. 5.5. Всплески и провалы в концентрации озона практически полностью соответствуют провалам и пикам в концентрации СlO[164]. Более того, измеренные концентрации моноксида хлора в дыре в сотни раз больше, чем это можно объяснить обычными явлениями атмосферной химии. Этот график часто называют «дымящимся ружьем», доказавшим вину ХФУ даже промышленным производителям. Озоновая дыра — не нормальное явление, а свидетельство того, что атмосфера сильно пострадала от выбросов хлорсодержащих загрязнителей.
Ученым понадобилось несколько лет, чтобы объяснить появление дыры. Вкратце процесс можно описать так.
Поскольку Антарктида окружена океаном, ветры могут непрерывно циркулировать вокруг континента, им не препятствует суша. Во время южной зимы они образуют циркумполярный вихрь, воронку из ветров, которая собирает воздух над Антарктидой и не дает ему смешиваться с остальной атмосферой. Этот вихрь создает «реакционный котел», в котором «варятся» полярные атмосферные химические соединения. (На Северном полюсе воронка не так сильно выражена, поэтому северная озоновая дыра гораздо меньше.)
Зимой антарктическая стратосфера — самое холодное место на Земле, температура падает до -90 °C. В условиях такого экстремального холода водяные пары становятся туманом из мельчайших кристалликов льда и висят в воздухе, создавая поверхность для ускорения химических реакций, словно катализатор. В результате этих реакций молекулы ХФУ расщепляются и высвобождают хлор, разрушающий озон.
Атомы хлора, высвободившиеся за долгую полярную ночь, вступают в реакции по разрушению озона не сразу. Сначала каждый атом хлора реагирует только с одной молекулой озона, образуя моноксид хлора СlO. Две молекулы СlO образуют относительно стабильный димер СlOOCl. Молекулы димеров накапливаются, дожидаясь возвращения Солнца[165].
Каждый сентябрь или октябрь, при наступлении антарктической весны, лучи Солнца разбивают димеры СlООСl, и в атмосферу разом поступает огромное количество радикалов хлора, которые вступают в реакцию с озоном. Концентрация озона резко падает.
Вернувшееся солнце постепенно рассеивает циркумполярный вихрь, снова позволяя полярным воздушным массам свободно смешиваться. Воздух с пониженным содержанием озона рассеивается по всему земному шару, и уровни озона над Антарктидой приближаются к обычным.
Дыры меньшего размера наблюдались и над Северным полюсом — это происходит во время арктической весны. Вряд ли следует ожидать, что отдельные озоновые дыры появятся в каких-то других местах. Но поскольку газы в атмосфере смешиваются, концентрация озона уменьшается не только на полюсах, но и по всей планете. А поскольку молекулы ХФУ и хлора в атмосфере живут долго, истощение тоже будет наблюдаться длительное время, как минимум — одно столетие. Раз человечество превысило предел (определяемый как максимальное количество выбросов ХФУ, не нарушающее устойчивость), значит, оно обрекло себя на долгий период существования в условиях пониженной концентрации озона и меньшей защиты от ультрафиолета В. И так было бы даже в том случае, если бы производство ХФУ прекратилось немедленно. Этот выход за пределы произошел, и он будет оставаться частью нашей реальности еще очень долго.
Следующий отклик: запаздывания на практике
Среди тех, кто был вовлечен в международные переговоры по озоновой проблеме, возникли определенные разногласия в отношении того, стало ли появление сообщения об озоновой дыре в 1985 г. таким же движущим фактором для политиков, как и для ученых. Международные переговоры об ограничении производства ХФУ шли полным ходом, но серьезного результата не дали. На встрече в Вене, проходившей за два месяца до широкого объявления об озоновой дыре, было выработано беспечное заключение о том, что странам следует принять «соответствующие меры» для защиты озонового слоя, но в этом документе не были предусмотрены ни временные рамки, ни санкции за неисполнение. Промышленные производители прекратили поиски заменителей для ХФУ, поскольку все шло к тому, что в обозримом будущем они не будут востребованы[166]. Антарктическую озоновую дыру однозначно свяжут с ХФУ только спустя три года.
Что- то должно было произойти в политической сфере между мартовской встречей в Вене, которая не привела ни к каким реальным результатам, и сентябрьской 1987 г. встречей в Монреале, где был создан первый международный протокол по озоновому слою и его подписали представители 47 стран. Дыра над Антарктидой определенно имела некий психологический эффект, и воздействие усиливалось тем, что никто не мог объяснить, откуда она взялась. Было ясно только одно: с озоновым слоем явно происходит что-то не то. И хотя окончательно в тот момент это не было доказано, тем не менее, многие ученые указывали на ХФУ как на самых вероятных виновников.
