Антарктика и Антарктида

В средней широте, например, в Австралии, озоновый слой разбавляется. Это привело к увеличению УФ-излучения, достигающего Земли. По оценкам, около 5-9 процентов толщины озонового слоя уменьшилось, что увеличило риск заражения людей ультрафиолетовым излучением из-за наружного образа жизни.

В атмосферных районах над Антарктидой озоновый слой значительно разбавляется, особенно в весенний период. Это привело к образованию так называемой «озоновой дыры». Озоновые дыры относятся к регионам сильно уменьшенных озоновых слоев. Обычно озоновые дыры образуются над поляками в начале весенних сезонов. Одна из крупнейших таких дыр появляется ежегодно над Антарктидой в период с сентября по ноябрь.

Природные причины истощения озонового слоя: на озоновый слой влияют некоторые природные явления, такие как солнечные пятна и стратосферные ветры. Было обнаружено, что это вызывает не более 1-2 процентов истощения озонового слоя, и считается, что эффекты являются лишь временными. Считается также, что крупные извержения вулканов (главным образом, Эль-Чишон в 1983 году и горе Пинатубо в 1991 году) также способствовали истощению озонового слоя.

«Озоновая дыра» в Антарктике

Суровое истощение антарктического озона слоя, известный как «озоновая дыра», происходит из-за специальных метеорологических и химических условия, которые существуют только там и нигде еще на земном шаре.

Очень низкие зимние температуры в Антарктике стратосферы вызывают образование полярных стратосферных облаков. Особая реакция, происходящая на полярных стратосферных облаках, в сочетании с выделением полярного стратосферного воздуха в полярном вихре, позволяют хлор и бром, что приводит к реакции на получение озоновой дыры в антарктической весне.

Рисунок 5 – Антарктическая озоновая дыра на 14 сентября 2013 года [12]

Температуры воздуха в обеих полярных областях достигает минимальных значений в нижнем слое стратосферы в зимний период.

Арктикой, средние минимальные значения близки минус 80 ° C в конце декабря и январе. Полярные стратосферные облака образуются в полярном озоновом слое, когда зимние минимальные температуры падают ниже температуры образования, около минус 78°С. Это происходит в среднем от 1 до 2 месяцев над Арктикой и от 5 до 6 месяцев над Антарктидой - тяжелые красные и синие линии на рисунке 6. Реакции на жидкую и твердую частицы вызывают высокореактивное образование хлорного газа ClO, который каталитически разрушает озон.

Рисунок 6 - Сравнение динамики температур и роста озоновых дыр Антарктиды и Арктики [13]

Диапазон зимних минимальных температур в Арктике намного больше, чем в Антарктике. Через несколько лет температуры полярных облаков образования не достигнут в Арктике значительного озоноистощения. температуры образования всегда присутствует в течение многих месяцев.

 В Антарктике тяжелое истощение озонового слоя теперь происходит в каждый зимний сезон. (пунктирные черные линии обозначают верхние пределы Антарктики -диапазон температур, где они перекрываются с арктическим температурным диапазоном. Рисунок 6) озоновая дыра требует температур, достаточно низких для образования полярных стратосферных облаков, изоляция от воздуха в других стратосферных регионах и солнечного света.

Распределение галоидных газов. Галогенные исходные газы, которые выделяются на поверхности и имеют срок службы более 1 года, присутствуют в сравнимом обилии по всей стратосфере в обоих полушариях, хотя большая часть выбросов происходят в Северном полушарии. Численность сопоставима, потому что большинство долгоживущих исходных газов не имеют значительных процессов естественного удаления в нижней атмосфере, и потому, что ветры и конвекция перераспределяются и смешивается воздух во всей тропосфере на шкале времени от нескольких недель до нескольких месяцев. Галогенные газы (в виде исходных газов и некоторых реакционноспособных продуктов) входят в стратосферы в основном из тропической верхней тропосферы. Воздушные движения стратосферы затем транспортируют эти газы вверх и к полюсу в обоих полушариях. Низкие полярные температуры приводят к сильному разрушению озона, которое приводит к озоновой дыре, чтобы присутствовать в диапазоне стратосферных высот, в больших географических регионах и в течение длительных периодов времени.

Низкие температуры являются важными, поскольку они позволяют формировать жидкие и твердые PSC. Реакции на поверхности этих ПСО инициируют значительное увеличение наиболее реакционноспособного газа хлора и монооксида хлора (ClO). Стратосферные температуры являются самыми низкими в полярных регионах зимой. В антарктической зиме, минимум ежедневно температуры, как правило, намного ниже и менее переменны, чем в Арктике зимой. Антарктические температуры также остаются ниже образования температуры ПСО в течение более продолжительных периодов зимой. Эти и другие метеорологические различия возникают из-за различий в распределении земли, океана, и горы между полушариями в средних и высоких широтах. Зимние температуры достаточно низки для того, чтобы ПСО могли образоваться где-то в Антарктике почти всю зиму (около 5 месяцев), но только в течение ограниченных периодов (10-60 дней) в Арктике в большинстве зим.

Изолированные условия. Стратосферный воздух в полярных областях относительно изолирован в зимние месяцы. Изоляция обеспечивается сильными ветрами, которые окружают полюса зимой, образуя полярный вихрь, что препятствует существенному перемещению и смешивание воздуха в полярную стратосферу или из нее. Эта циркуляция усиливается зимой по мере снижения стратосферных температур. Поскольку зимние температуры ниже на юге, чем в полярной стратосфере Северного полушария, изоляция воздуха в вихре намного эффективнее в Антарктике, чем в Арктике.

Когда температуры падают достаточно низко, ПСО образуются внутри полярного вихря и вызывают химические изменения, которые сохраняются изоляцией в течение многих недель и месяцев.

Полярные стратосферные облака. Реакции на поверхностях жидких и твердых ПСО могут существенно увеличить относительное содержание наиболее реакционноспособного хлора газа. Эти реакции превращают пластовые формы реакционно-способных газов хлора, нитрит хлора (ClONO₂) и хлористый водород (HCl), до наиболее реакционной формы, ClO.

ClO увеличивается от небольшой доли доступного реактивного хлора до содержания почти всего хлора, который доступен. При увеличении ClO каталитические циклы, включая ClO и BrO, становятся активными в химическом разрушении озона всякий раз, когда солнечный свет доступен. Различные типы жидких и твердых частиц ПСО образуются при стратосфере температура падает ниже минус 78 ° C (минус 108 ° F) в полярных областях.

В результате ПСО часто встречаются на больших участках зимних полярных регионов и над значительными диапазонами высот, с более крупными регионами и более длительными периодами времени в Антарктике, чем в Арктике. Наиболее распространенный тип форм ПСО из азотной кислоты (HNO₃) и конденсации воды на ранее существовавших жидких серных кислотах.

Некоторые из этих частиц замерзают, образуя твердые частицы. При еще более низких температурах.

Процесс истощения озона (минус 85 ° C или минус 121 ° F), вода конденсируется с образованием частиц льда. Частицы ПСО растут достаточно многочисленно, чтобы облачные функции можно было наблюдать при определенных условиях, особенно когда Солнце находится вблизи горизонта.

ПСО часто встречаются вблизи горных хребтов в полярных регионах, потому что движение воздуха над горами может вызвать локализованное охлаждение в стратосфере, что увеличивает конденсацию воды и HNO₃.

Когда средние температуры начинают увеличиваться к концу зимы, ПСО формируются реже и реакции конверсии на их поверхностях дают меньше ClO. Без продолжения производства ClO, количество его уменьшается, а другие химические реакции повторно формируют резервуары под газы, ClONO₂ и HCl. Когда температуры превышают пороги образования ПСО, что обычно происходит к концу января - началу февраля в Арктике или к середине октября в Антарктиде, наиболее интенсивный период истощения озонового слоя.

Азотная кислота и удаление воды. После образования частицы ПСО опускаются до более низких высот по причине силы тяжести. Самые крупные частицы могут опускаться на несколько километров или более в стратосфере в течение нескольких дней во время низкотемпературного зимнего / весеннего периода. Поскольку ПСО часто содержат значительную долю доступного HNO₃, их снижение приводит к выделению HNO₃ из областей озонового слоя. Этот процесс называется денитрификацией стратосферы. Поскольку HNO₃ является источником оксидов азота (NO_x) в стратосфере, денитрификация удаляет NO_x, доступный для преобразования высокоактивного хлорного газа ClO обратно в резервуарный газ ClONO₂. В результате ClO остается более активным в течение более длительного периода, тем самым увеличивая химическое разрушение озона. Существенная денитрификация происходит каждую зиму в Антарктике, но только в редких случаях в Арктике, поскольку температуры образования ПСО должны поддерживаться в течение более широкой области высоты и периода времени, чтобы привести к денитрификации. Такие частицы образуются при температурах, которые на несколько градусов ниже тех, которые необходимы для образования ПСО из HNO₃. Если частицы льда растут достаточно крупными, они могут упасть на километры из-за силы тяжести. В результате значительная часть водяного пара может быть извлечена из районов озонового слоя в течение зимы. Этот процесс называется обезвоживанием стратосферы. Из-за очень низких температур, необходимых для образования льда, обезвоживание распространено в Антарктике, но редко в арктических зимах.

Удаление водяного пара не оказывает непосредственного влияния на каталитические реакции, которые разрушают озон. Обезвоживание косвенно влияет на разрушение озона, подавляя зиму, что снижает производство ClO в реакциях ПСО. Наземные наблюдения были доступны за несколько лет до того, как была признана роль ПСО в разрушении полярного озона. Географическая и высотная степень в обоих полярных регионах не была известна до тех пор, пока ПСК не наблюдались спутниковым инструментом в конце 1970-х годов. Роль ПСО - частиц в конверсии реакционно-способных газов хлора в ClO не была понята только после открытия антарктической озоновой дыры в 1985 году. Наше понимание химического состава частиц ПСО развилось из лабораторных исследований их реакционной способности на поверхности, компьютерного моделирования химических реакций стратосферы, и измерение, которое непосредственно отбирали частицы и реактивные газообразные хлоры, такие как ClO, в полярной стратосфере.

Рисунок 7 - Полярные стратосферные облака [14]

Эта фотография полярного солнечного стратосферного облака (PSC) была взята Кируне, Швеция (67 ° с. Ш.) 27 января 2000 года. ПСК образуются в озоновом слое в течение зим в арктической и антарктической стратосфере, где происходят низкие температуры (Рисунок 6). Частицы растут из-за конденсации воды и азотной кислоты (HNO₃). Облака часто могут опираться на человеческий глаз, когда Солнце приближается к горизонту. Реакции на PSC показывают высоко реакционноспособный хлорный газ ClO, который очень эффективен при химическом разрушении озона.

Первые сокращения в Антарктике общий озон наблюдался в начале 80-х годов, где наблюдались наземные станции, расположенные на Антарктическом континенте.

Измерения проводились с использованием наземных спектрофотометров Добсона. Наблюдения показали необычно низкий общий озон в конце зимы / ранней весны месяца сентября, октября и ноября. В эти месяцы общий озон был ниже, чем в предыдущих наблюдениях, сделанных еще в 1957 году. Ранние опубликованные данные поступали от Японского метеорологического агентства и Британского антарктического обзора. Результаты стали широко известны миру после того, как три ученых из Британского антарктического обзора опубликовали свои наблюдения в научном журнале «Природа» в 1985 году и предположили, что причиной этого являются ХФУ. Вскоре после этого спутники подтвердили весеннее истощение озонового слоя и показали, что в конце зимы / раннего весеннего сезона, начавшегося в начале 1980-х годов, истощение было расширено в большом регионе, сосредоточенном вблизи Южного полюса.

Термин «озоновая дыра» возник как описание очень низких общих значений озона, которые в течение многих недель окружали континентальный континент на спутниковых изображениях. В настоящее время формация и степень тяжести антарктической озоновой дыры регистрируются каждый год путем объединения спутниковых, наземных и аэрологических наблюдений озона. Первые общие измерения озона, полученные в Антарктиде с помощью спектрофотометров Добсона, произошли в 1950-х годах после многочисленных масштабных измерений в Северном полушарии и Арктическом регионе. Общие значения озона, найденные весной, составляли около 300 единиц Добсона (DU), что на удивление ниже, чем в арктической весне, поскольку тогда было предположение, что две полярные области будут иметь аналогичные значения. Теперь мы знаем, что эти антарктические ценности не были аномальными; действительно, они похожи на наблюдаемые там в 1970-х годах до появления озоновой дыры. Мы также теперь знаем, что общие значения содержания озона в Антарктике по сравнению с арктическими значениями систематически снижаются в начале весны, потому что полярный вихрь намного сильнее и, следовательно, намного эффективнее уменьшает перенос богатого озоном воздуха из среднего полюса. В 1958 году измерения общего озона были сделаны на станции Дюмон-д'Юрвиль (66,7 ° S, 140 ° E) в Антарктиде с использованием фото пластинчатого метода для анализа солнечного ультрафиолетового излучения после его прохождения озонового слоя. Представленные измерения были аномально низкими, достигнув 110-120 в сентябре и октябре. Эти значения аналогичны минимальным значениям озоновой дыры, которые в настоящее время обычно наблюдаются по Антарктике в те же месяцы. Некоторые из них утверждали, что эти ограниченные наблюдения свидетельствуют о том, что дыра в озоне существовала до того, как выбросы были достаточно большими, чтобы вызвать истощение. Однако анализ более обширных измерений спектрофотометра Добсона, выполненных в нескольких других антарктических местоположениях в 1958 году, не подтвердил низких общих значений содержания озона. Эти измерения показывают, что определения фотопластинок не были надежным источником общих значений озона на станции Дюмон-д'Юрвиль в 1958 [5].