Озонные дыры и гибель человечества

Все свойства атмосферы зависят от широты. На экваторе они не такие, как в средних широтах, и тем более на полюсах. Естественно, что и аэрозольный слой на разных широтах занимает разную высоту. Над тропиками аэрозольный слой сосредоточен на высотах 15–20 км и несколько выше. Это уже стратосфера. Радиус частиц здесь составляет примерно 0,3 мкм. Причем ими являются в основном соединения серы. Здесь сосредоточен аэрозоль, образующийся в результате извержения вулканов. Но сюда же поднимаются частицы аэрозоля, которые выбрасываются в атмосферу в результате техногенной деятельности человека.

В аэрозольном слое в стратосфере содержится примерно 0,2 миллиона тонн аэрозольных частиц. Рядом с этими частицами (в основном серой) находится около 2,6 миллиона тонн водяного пара. Этого количества воды вполне достаточно для того, чтобы сера и ее соединения, например CaSO₄, превращались в серную кислоту H₂SO₄.

Как измеряют массу аэрозоля? Косвенным путем. Измеряют интенсивность коротковолнового солнечного излучения, которое пробралось через аэрозольный слой и достигло земли. Сколько должно прийти излучения — известно. По тому, сколько ее застряло (поглотилось и рассеялось) в аэрозольном слое, оценивают количество частиц и массу всех частиц, которые встретились на пути солнечного излучения. Экспериментально (эмпирически) устанавливается связь между общей массой аэрозольных частиц и уменьшением солнечного коротковолнового излучения в процентах, а именно: если это уменьшение излучения (в процентах) умножить на 5, то получим общую массу аэрозольных частиц в тропосфере. Масса при этом выражается в миллионах тонн. Для стратосферы надо умножить не на 5, а на 1,1. Отличие в этом плане тропосферы и стратосферы состоит в том, что эффективность поглощения и рассеяния солнечного излучения зависит от размеров частиц, а в стратосфере они мельче, чем в тропосфере. Аэрозольные частицы в тропосфере более крупные и рассеивают солнечное излучение менее эффективно, чем более мелкие частицы выше — в стратосфере. Но одновременно идет и процесс поглощения солнечного излучения.

Если размеры (радиус) частиц в аэрозольном слое в стратосфере равны 0,3 мкм, то при реальной их концентрации они ослабят коротковолновое солнечное излучение примерно на 0,2 %. Результаты этого расчета были подтверждены прямыми измерениями оптической прозрачности атмосферы во время извержения вулкана Агунг в 1963 году, когда было выброшено в стратосферу большое количество аэрозоля. При крупных извержениях вулканов (например, вулкана Кракатау) в тропосферу выбрасывается примерно 100 миллионов тонн или около того. В стратосферу при этом поднимается примерно в пять раз меньше частиц (по их общей массе), то есть около 20 миллионов тонн. Солнечное коротковолновое излучение при этом ослабляется примерно на 20 %, что в сто раз больше ослабления его нормальным аэрозольным слоем (в спокойных условиях).

Большое количество серы попадает в атмосферу в результате сжигания топлива. Образовавшееся из серы CaSO₄ по своей общей массе сопоставимо с количеством серы, выбрасываемым в атмосферу при самых мощных извержениях вулканов. Но в скором будущем количество CaSO₄ за счет сжигания топлива в десять и более раз превысит то, которое обязано своим образованием активности вулканов.

Поскольку мелкодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновое солнечное излучение, а значит, уменьшает солнечную энергию, приходящую к Земле и к тропосфере, то тем самым он «работает» на похолодание климата, поскольку атмосфера при этом должна охлаждаться. Поэтому похолодания климата в прошлом пытаются объяснить, в частности, влиянием аэрозоля, выброшенного в атмосферу при извержении вулканов. Однако тут есть важное «но». Дело в том, что частицы аэрозоля не только рассеивают коротковолновое солнечное излучение, тем самым уменьшая солнечную энергию, но и поглощают его. А при поглощении энергия солнечного излучения идет на нагрев атмосферы. Поэтому очень важно оценить, что больше, что меньше, то есть какова роль поглощения. Во всяком случае во время мощного извержения вулкана Агунег в 1963 году температура стратосферы не понизилась, а повысилась, причем на все 3 °C.