Озонные дыры и гибель человечества

В описанных выше реакциях образования и исчезновения озона в стратосфере участвуют химические соединения и фотоны. Поэтому они названы фотохимическими реакциями. Сама теория этих реакций называется фотохимической теорией. И если в этих реакциях образуется столько же озона, сколько его за это же время исчезает в фотохимических реакциях, то говорят, что имеет место фотохимическое равновесие. Очень важно, что в фотохимической теории в чистом виде не учитывают движения озона и всего газа. Считается, что фотохимическое равновесие наступает при отсутствии движений (турбулентности, диффузии). Но движения, несомненно, очень важны, поскольку любое химическое соединение (в том числе и озон) может родиться в одном месте, а быть обнаруженным совсем в другом. Исчезает же он в третьем месте.

Фотохимическая теория озона была развита еще в 1930 году выдающимся английским геофизиком С. Чепменом, специалистом по солнечно-земной физике и околоземному пространству. Он плодотворно работал в этой области науки много десятков лет, не имея себе равных по результативности. Его называют геофизиком номер один. Именно на его примере успешно и очень наглядно было показано, что каждый максимум солнечной активности вызывает прилив творческих сил у исследователей. Поэтому число научных работ С. Чепмена неизменно следовало за числами Вольфа, которые характеризуют солнечную активность. Но вернемся к озону. Из схемы Чепмена следуют такие же свойства распределения озона и атомного кислорода в стратосфере и выше (в мезосфере и нижней части термосферы). Расчеты, выполненные на основании чепменовского цикла реакций, позволили получить следующие свойства этих распределений. Максимум содержания озона получается на высоте между 25 и 40 км. Концентрация атомного кислорода увеличивается с высотой и достигает максимума на высотах между 90 и 100 км. Согласно этой схеме, выше 60 км озон должен сильно измениться в течение суток из-за изменения интенсивности солнечного излучения. Наибольшие суточные изменения атомного кислорода должны по этой схеме иметь место ниже 80 км.

Расчеты, выполненные по данной схеме, позволили получить и другие характеристики озона, в частности продолжительность времени между его образованием и разрушением, или просто время его жизни. Было рассчитано время, которое необходимо для того, чтобы концентрация озона в стратосфере под действием ультрафиолетового солнечного излучения достигла половину того значения, при котором достигается фотохимическое равновесие (то есть сколько образуется озона, столько его и исчезает). Это время увеличивается, если увеличивается плотность воздуха, то есть озон более «медлителен» при большей плотности воздуха. Это происходит потому, что движения воздуха, приводящие к его перемешиванию, более эффективны в том смысле, что заносят в стратосферу большее количество озона из тропосферы и нижней части стратосферы.

Если отсутствует солнечная радиация, разрушающая озон, например, полярной ночью, он должен иметь весьма продолжительное время жизни (не менее месяца). Столь же долго существует атомный кислород на высотах 90-100 км.

На высотах 50–80 км концентрация как озона, так и атомного кислорода очень чутко реагирует на изменение солнечного излучения. В результате суточный ход этих концентраций на данных высотах очень сильно выражен. Но ниже 50 км озон меняется очень мало, всего на несколько процентов. Атомного кислорода здесь очень мало.

Из приведенных свойств озона, полученных на основании использования схемы цикла Чепмена, в котором учитывается только молекулярный и атомный кислород, отнюдь не следует, что проблема поведения озона в атмосфере разрешима в рамках этой схемы. Когда разрабатывалась сама схема Чепмена, об озоне было известно очень мало. Еще меньше было известно о других малых составляющих атмосферы. Измерения, выполненные после создания этой схемы, показали, что наблюдается не то, что предсказывает эта схема. Это не значит, что схема в принципе не верна. К счастью, она верна. Но она недостаточна.

Ученые это поняли по таким экспериментальным данным. Измерения показали, что озона в глобальном масштабе намного меньше, чем должно было быть, если бы он образовывался и исчезал только по этой схеме. Оказалось, что на самом деле озона должно разрушаться в пять раз больше, чем следует из схемы. Перенос озона сверху вниз через тропопаузу получается по этой схеме ничтожно малым. Следуя ей, только 1 % озона должен переноситься через тропопаузу вниз.