научная статья по теме О ВОССТАНОВЛЕНИИ ОЗОНОВОГО СЛОЯ В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ В XXI ВЕКЕ Химия

Текст научной статьи на тему «О ВОССТАНОВЛЕНИИ ОЗОНОВОГО СЛОЯ В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ В XXI ВЕКЕ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 1, с. 80-86

УДК 504.3.054; 541.124; 541.124.7

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЙ

О ВОССТАНОВЛЕНИИ ОЗОНОВОГО СЛОЯ В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ В XXI ВЕКЕ

© 2015 г. И. К. Ларин

Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук, Москва E-mail: iklarin@narod.ru Поступила в редакцию 18.09.2013

Рассчитаны временные границы восстановления озонового слоя в широтных зонах 0°—85°, 0°—30°, 30°—60° и 60°—85° Северного полушария в XXI веке. Расчеты выполнены с помощью интерактивной химико-динамически-радиативной двумерной модели средней атмосферы Socrates (высоты 0—120 км). В качестве начальных данных для расчетов использовались прогностические сценарии IPCC (Межправительственного комитета по изменению климата) концентраций парниковых газов RCP 4.5 и RCP 6.0. Показано, в частности, что после восстановления озоновый слой будет продолжать расти и к концу XXI века достигнет стационарного уровня, превосходящего "невозмущенный" дофреоновый уровень, что представляет не меньшую экологическую угрозу, чем истощение озонового слоя в конце XX века.

Ключевые слова: озоновый слой, климат, разрушение и восстановление озонового слоя, парниковые газы.

DOI: 10.7868/S0207401X15010069

1. ВВЕДЕНИЕ

Известно, что после принятия и реализации Монреальского протокола и его приложений производство хлорфторуглеродов (ХФУ), разрушавших озоновый слой в конце XX века, прекратилось, их атмосферное содержание стало падать, а озоновый слой перестал уменьшаться [1]. Тем не менее и в настоящее время величина эквивалентного хлора в стратосфере (ЭХС), являющаяся суммой концентраций активного хлора и брома, значительно выше естественного (прошлого) уровня этого параметра из-за выброса озонораз-рушающих веществ, имевшего место в XX веке. Повышенный уровень ЭХС остается сегодня наиболее важным антропогенным фактором возмущения стратосферного озона. Однако по мере того как в будущем значение этого фактора будет уменьшаться, на первое место в изменении озона начнут выходить другие факторы, которые могут ускорить восстановление озонового слоя. Наиболее важные из них — продолжающиеся и растущие выбросы долгоживущих парниковых газов (ПГ). При этом ПГ могут непосредственно воздействовать на озон, будучи предшественниками озоноактивных радикалов (как, например, СН4 и ^0), а также могут оказывать на озон косвенное влияние — через изменение температуры стратосферы (как, например, СО2). Рост углеводородов

и N0^ в тропосфере (вместе с увеличением ее температуры в результате выбросов ПГ) будет способствовать дополнительному образованию озона и тем самым ускорять восстановление озонового слоя. Одновременно с этим похолодание верхней стратосферы, где преимущественно протекают гомогенные процессы разрушения озона, также будет способствовать восстановлению озонового слоя — из-за уменьшения скорости химических реакций гибели О3.

Следует также отметить роль N0x(N0 + N0^ и Н0х(0Н + Н02) в изменении уровня озона в XXI веке, которая будет возрастать по мере уменьшения уровня галогенов. Уровень N0^ определяет закись азота, ^0, которая попадает в стратосферу через тропическую тропопаузу и 10% которой превращается в N0^. В доиндустриальный период атмосферный уровень ^0 равнялся 270 ррЬ (миллиардных частей), а в настоящее время он составляет 320 ррЬ. Будущее содержание ^0 определяется сценариями 1РСС [2] содержания парниковых газов, о чем говорилось выше. Скажем также, что влияние ^0 на озон зависит от высоты. Наибольший эффект имеет место в средней стратосфере, чуть выше максимума концентрации 03. В то же время хлор и водород разрушают озон преимущественно в нижней и верхней стратосфере. Взаи-

ppm

550 -

450 -

350 -

250

2060 2100 Год

1940 1980 2020

Рис. 1. Концентрации CO2 и N2O по сценариям RCP 4.5 и 6.0.

модеиствие хлорного и азотного циклов уменьшает эффективность азотного цикла. В противоположность этому, уменьшение температуры вызывает более быструю потерю N0^ (N0 + + N02 + HN0з) и, следовательно, N0^ в верхней стратосфере [3]. Вследствие сказанного изменение активных компонент N0^ и разрушение озона не обязательно напрямую связаны с изменением ^0. Эффективность ^0 в разрушении стратосферного озона можно сравнить с таковой для других озоноразрушающих веществ. Равишанка-ра с сотр. рассчитали озоноразрушающий потенциал (0DP) ^0 по аналогии с тем, как это делается для ХФУ [4]. Удивительно, но в 2008 году 0DP-взвешенные антропогенные эмиссии ^0 были больше, чем эмиссии ХФУ. Более того, эмиссии ^0 были существенны даже в 1987 году, когда эмиссии ХФУ были максимальны. Этот результат частично объясняется большим временем жизни ^0 (около 125 лет), так как 0DP зависит от времени жизни соединения.

Дальнейший уровень Н0Х будет зависеть от эмиссии метана и количества воды, поступающей в тропическую стратосферу. Эти два источника по-разному действуют на озон. Увеличение содержания Н20 увеличивает потери озона в верхней стратосфере, где Н20 превращается в Н0Х, цепным путем уничтожающий озон в верхней стратосфере и мезосфере. В то же время в средней стратосфере увеличение содержания Н20 ведет к уменьшению гибели озона, поскольку Н20 увеличивает скорость конверсии озоноразрушающего радикала N02 в HN03. Метан также увеличивает содержание воды в стратосфере, но одновременно увеличивает количество озона в тропосфере в ре-

зультате процессов окисления. Суммарное влияние эффект метана на озон — это рост озона [5]. Количество воды росло в стратосфере в конце XX столетия, но перестало изменяться после 2000 года [6]. Рост содержания CH4 мог вызвать увеличение количества воды в средней и верхней стратосфере, но не в нижней [7].

Влияние названных выше факторов на озоновый слой достаточно полно учитывается в двумерной модели средней атмосферы [8] Socrates, что позволило использовать ее для расчетов изменения озонового слоя в Северном полушарии на протяжении последних нескольких десятков лет. К изложению результатов этих расчетов мы и переходим.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ

Прежде чем приводить результаты расчетов, представим данные о концентрациях CO2, CH4, N2O (закись азота), CFCl3 (ХФУ-11), CF2Cl2 (ХФУ-12), CCl2FCClF2 (ХФУ-113), CClF2CClF2 (ХФУ-114), CClF2CF3 (ХФУ-115), CCl4 (четырех-хлористый углерод), CH^Cl3 (метилхлороформ), CHClF2 (гидрохлорфторуглерод-22), CClF2Br (галлон-1211) и СF3Br (галлон-1301), которые содержатся в прогностических сценариях IPCC RCP 4.5 и RCP 6.0 и использовались в качестве начальных данных для расчетов. Для сравнения на одном и том же рисунке приводятся данные для обоих сценариев. Эти данные для периода 1930—2100 гг. показаны на рис. 1—5. Можно видеть, что для ХФУ-11, 12, 113 (рис. 2), 114, 115, галлонов-1211, 1301 (рис. 3), а также метилхлоро-форма и четыреххлористого углерода (рис. 4) эти

600 500 400 300 200 100 0

рр1

2060 ^ 2100 Год

1940 1980 2020

Рис. 2. То же, что и на рис. 1, для ХФУ-11, 12 и 113 и обоих сценариев.

рр1

Год

Рис. 3. То же, что и на рис. 1, для ХФУ-114, ХФУ-115, галлонов-1211, 1301 и обоих сценариев.

данные одинаковы для обоих сценариев. Для С02, N20 и СН4 они расходятся во второй половине XXI века, причем концентрации для сценария ЯСР 6.0 больше, чем для сценария ЯСР 4.5. Это означает, что различие данных для разных сценариев должно наблюдаться только во второй половине XXI века, когда, как мы увидим, уровень озона начал превышать "дофреоновую" норму.

Результаты расчетов изменений относительного среднегодового содержания озона в широтных зонах 0°—85° и 0°-30° с.ш. по сценарию ЯСР 6.0

показаны на рис. 6а, а в широтных зонах 30°—60° и 60°—85° с.ш. (по тому же сценарию) — на рис. 6б. Аналогичные данные для сценария ЯСР 4.5 показаны на рис. 7а и б. За единицу на этих рисунках принималось общее среднегодовое содержание озона в данной зоне в 1940 г. Под общим содержанием озона в данном случае понималось его количество в столбе от 0 до 120 км, выраженное в единицах Добсона (еД). Таким образом "относительный эффект", отложенный по оси ординат на рис. 6 и 7, рассчитывался как отношение общего среднегодового содержания озона в данной зоне в данном году к таковому в 1940 г.

рр1

Рис. 4. То же, что и на рис. 1, для метилхлороформа и четыреххлористого углерода и обоих сценариев.

Рис. 5. То же, что и на рис. 1, для метана.

3. ОБСУЖДЕНИЕ

В численном виде результаты расчетов, показанные на рис. 6 и 7, представлены в табл. 1. Поскольку результаты практически одинаковы для обоих сценариев, то они не указываются (за исключением последнего столбца, где в скобках приводится номер сценария). Данные приводятся в том же формате, что и на рис. 6 и 7.

Как это видно из табл. 1, "центры восстановления" приходятся на 2025—2035 гг., для которых начальные данные, взятые из сценариев ЯСР 6.0

и 4.5, одинаковы, что обуславливает одинаковость и "центров восстановления" для обоих сценариев. В то же время во второй половине XXI века начальные данные для этих сценариев различны (см. рис. 1—5), что приводит к различным величинам эффекта в 2100 г. (см. табл. 1).

В заключение сравним полученные результаты с литературными данными. Это сравнение приводится в табл. 2. Можно видеть, что имеется достаточно хорошее совпадение данных по общему содержанию озона в 1960 г. и в год достижения

т к е

1.06 1- а

1.04 - 0°-30° с.ш. +2ст

1.02 -.

1.00

0.98 -

1940 1980 2020

2060 2100 Год

1940 1980 2020

2060 2100 Год

Рис. 6. а — Изменение относительного среднегодового содержания озона в широтных зонах 0°—85° и 0°—30° с.ш. в XXI веке. За единицу принимается среднегодовое содержание озона в данной зоне в 1940 г. Сценарий ИСР 6.0. б — То же, что на рис. 6а, для широтных зон 30°—60° с.ш. и 60°—85° с.ш.

минимума. В то же время данные по дате восстановления озонового слоя и количеству озона в 2100 г. несколько различаются, но остаются в предлах 95%-ной ошибки счета. Поэтому можно заключить, что рассчитанные нами параметры восстановления озонового слоя в Северном полу-

шарии в XXI веке удовлетворительно согласуются с литературными данными.

Подчеркнем еще раз, что одним из важных выводов расч

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком