Озонные дыры и гибель человечества

Зимой над Антарктикой на высотах 10–50 км циркуляция атмосферы такова, что там доминирует высокобароклинный циклон, центр которого находится вблизи полюса. Температура стратосферы уменьшается по направлению к полюсу. Поэтому создаются сильные западные ветры на высотах, соответствующих давлению 100 гПа и выше. Эти западные ветры окружают Антарктику наподобие интенсивного течения. В период от апреля до октября, то есть в зимний сезон, в сердцевине вихря (около Южного полюса) интенсивность ветра очень мала. С другой стороны, здесь очень низкие температуры. Разрушение полярного стратосферного вихря происходит только тогда, когда увеличивается стратосферная температура, то есть примерно за месяц до равноденствия.

Летом (в декабре) в Антарктике на высотах, соответствующих давлению 100 и 50 гПа, температура примерно на 40^оС выше, чем зимой. Более того, меняется перепад (градиент) температуры вдоль меридиана: он становится противоположным тому, который был зимой. А это значит, что ветры меняют направление с западного на восточное. То есть летом имеется восточный стратосферный полярный вихрь в отличие от западного зимой. Но имеется и еще одно очень важное, принципиальное различие зимнего и летнего вихрей. Оно заключается в том, что летний восточный вихрь является слабым. Поэтому он не препятствует притоку к полюсу воздушных масс, богатых озоном, из средних широт.

Исследовалась связь между временем распада западного полярного стратосферного вихря и временем начала заполнения озонной дыры в Антарктиде. Было показано, что начало распада полярного вихря самым тесным образом связано с началом заполнения озонной дыры в Антарктике. Анализировались многолетние данные о количестве озона и о циркуляции атмосферы на антарктических станциях Хэлли-Бей и Южный Полюс. В 10 случаях наблюдался ранний распад (около 10 октября) полярного западного стратосферного вихря. В эти годы максимальное в году количество озона на указанных станциях достигалось уже 12 ноября. Количество озона в максимуме достигало в этих случаях примерно 420 м-атм-см. В 17 других случаях полярный стратосферный вихрь распадался только к 8 ноября. Эта затяжка привела к тому, что озон не успевал за оставшееся время достичь таких величин, как в прежних случаях. Количество озона увеличивается после развала полярного вихря только в продолжение последних нескольких дней ноября. Но в этих случаях величина годового максимума значительно меньше и составляет только 375 м-атм-см против 420 м-атм-см при распаде вихря к 10 октября.

Если же полярный стратосферный вихрь распадается в сентябре или первых числах октября, то в полярную стратосферу поступает из средних широт воздух, богатый озоном. Поэтому понижение количества озона (озонная дыра) в этих случаях минимально.

На образование озонной дыры оказывает влияние не только длительное существование западного полярного стратосферного вихря, вследствие чего преграждается путь стратосферного воздуха из средних широт в полярную область. Исчезновение озона в полярную ночь связано с такими малыми газовыми составляющими, как HOCl, Cl₂, ClNO₂. Эти составляющие образуются из других составляющих, содержащих хлор и азот, которые имеются в стратосферном резервуаре практически всегда. Превращение резервуарных газовых составляющих в более активные (в смысле воздействия на озон) формы идет очень эффективно. Образованные в этих реакциях молекулы HOCl, Cl₂, ClNO₂ под действием солнечного излучения весной в Антарктике создают атомные соединения хлора, которые принимают участие в химическом цикле распада озона.

Как видно, во всех реакциях образуются молекулы.

Это вещество конденсирует и превращается в лед. Химические реакции на поверхности аэрозолей, то есть гетерогенные реакции, протекают эффективно на высотах 12–22 км. Скорость их зависит от поверхностной концентрации аэрозолей, от частоты столкновений между молекулами газа и аэрозольными поверхностями, HCl и H₂O в виде ледяных частиц и, конечно, от вероятности этих реакций при происшедшем одном столкновении.

Количество соединений, образующихся в результате этих реакций, очень сильно зависит от того, сколько имеется в начале NO_x (конкретное NO + NO₂ + ClNO₃ + 2N₂O₅). Очень важно, что скорость указанных реакций зависит от степени освещенности солнечным излучением во время этих процессов. То, что приведенные выше гетерогенные реакции выбраны правильно, подтверждают расчеты, выполненные по ним для различных условий, измеренных как самолетами-лабораториями DC-8 и ER-2, так и приборами TOMS, установленными на спутнике «Нимбус-7». Как уже говорилось, эти эксперименты проводили американские исследователи в Антарктике в периоды развития озонной дыры.