Озонные дыры и гибель человечества

Вещества, которых в атмосфере во много раз меньше, чем основных газов (кислорода, азота и др.), называют малыми примесями. Большинство из них играет очень важную роль в жизни атмосферы, несмотря на то, что их там относительно мало. Малые примеси оказывают влияние на тепловой режим атмосферы, на ее состав. Они участвуют в разрушении озона. Некоторые из малых примесей атмосферы увеличиваются за счет выбросов промышленных и бытовых установок. Поскольку они связаны с деятельностью человека, то говорят, что эти примеси имеют антропогенное, то есть связанное с деятельностью человека происхождение.

Малые примеси в стратосфере естественного происхождения следующие: молекулярный водород, водяной пар, гидроксил, метан, закись азота, окись азота, двуокись азота, азотная кислота, хлористый водород и др. Эти же примеси имеют и антропогенное происхождение. Что мы знаем о них?

Молекулярный водород содержится в тропосфере и стратосфере в незначительных количествах. В тропосфере северного полушария молекулярного водорода несколько больше, чем в южном полушарии. Видимо, это обусловлено искусственными выбросами в атмосферу (в северном полушарии таких выбросов больше). В течение года количество молекулярного водорода в тропосфере меняется незначительно, не более чем на 10 %. Концентрация молекулярного водорода увеличивается в стратосфере на высотах 27–28 км. Здесь молекулярный водород образуется в результате окисления метана. Отношение смеси его достигает (0,6–0,8) × 10^-8. Глобально осредненная величина отношения смеси молекулярного водорода в тропосфере составляет 0,503 × 10^-6.

В нижней стратосфере и тропосфере отношение смеси молекулярного водорода примерно одинаковое. Это значит, что на этих высотах отсутствуют высотные перепады отношения смеси молекулярного водорода.

Очень важную роль в разрушении озона играет водяной пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила ОН, которые рождаются из молекул воды и в конце концов превращаются в них. Поэтому от количества водяного пара (воды) в стратосфере зависит количество молекул гидроксила ОН, от которого в свою очередь зависит скорость разрушения озона.

Водяной пар поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Наиболее эффективно это происходит в низких (тропических) широтах. Здесь тропосфера простирается значительно выше, чем в средних и тем более в высоких широтах. Ее верхняя граница (тропопауза) в тропических широтах достигает высоты 17–18 км. На полюсах тропосфера заканчивается на высоте около 8 км. Выше этого уровня находится стратосфера. Поскольку в тропиках стратосфера находится очень высоко, водяной пар здесь эффективно проникает в стратосферу. Таким путем, то есть из тропосферы в стратосферу, поступает в продолжение года от 0,33 до 1,13 миллиарда тонн воды.

На высотах 17–18 км, где находится граница между тропосферой и стратосферой в тропиках, температура воздуха понижается до — 80^оС и ниже. Воздух может содержать только такое количество водяного пара, при котором достигается условие насыщения. Остальной водяной пар вынужден образовывать водяные капли, то есть конденсироваться. Это значит, что излишки воды в тропической тропосфере выпадают в виде осадков. Это особые условия, лимитирующие количество воды в воздухе. Они реализуются именно в тропиках потому, что здесь тропосфера поднимается очень высоко, в область очень низких температур. Поэтому здесь образуется своего рода «холодная ловушка» для водяного пара. Он не только «отлавливается», но и удаляется из тропосферы в виде осадков. Но того водяного пара, который там остается, вполне достаточно, чтобы обеспечить непрерывное снабжение им стратосферы. Надо иметь в виду, что мощные конвективные облака, содержащие большое количество воды, проникают своей верхней частью в стратосферу (примерно на 4 км). Так водяной пар эффективно заносится в стратосферу.

Наиболее эффективно переносится водяной пар снизу вверх, то есть из тропосферы в стратосферу, в тех местах, где разграничивающая их тропопауза разрушена. Как известно, разрушают тропопаузу струйные течения. В этих местах водяной пар эффективно поступает в стратосферу снизу. В этих областях скорость поступления водяного пара примерно втрое больше, чем в других местах, где тропопауза цела, не разрушена.

Водяной пар не только поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Он также образуется непосредственно в стратосфере. Как уже было сказано, он образуется в процессе окисления метана. Таким путем образуется в стратосфере до 0,5 миллиарда тонн водяного пара ежегодно. Роль водяного пара в стратосфере очень велика. Поэтому проводятся непрерывные измерения его количества на разных высотах различными методами. Эти измерения позволяют нарисовать общую картину распределения водяного пара в стратосфере. Наиболее любопытной оказалась слоистая структура распределения водяного пара около высоты 25 км. Здесь были обнаружены слои толщиной в 1–2 км, в которых влажность значительно (в 2–3 раза) повышена. В полярных районах создаются условия, при которых образуются стратосферные облака.