Kvant. Озон, вулканы и ракеты

Бурдаков В. Озон, вулканы и ракеты //Квант. — 1991. — № 8. — С. 50-53.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Среди многих привычных в наше время экологических бед озонная проблема занимает особое место. Если в земной атмосфере не будет озона, то солнечное жесткое УФ излучение (длина волны λ < 300 нм) погубит фитопланктон океанов и морей, возвращающий в нашу земную атмосферу до 70 % кислорода из углекислоты, во все большей мере вырабатываемой живыми организмами, промышленностью и транспортом. Леса и растения, возвращающие в атмосферу до 30 % кислорода, также боятся ультрафиолетового излучения. Наконец, люди, которых сейчас на Земле более 5,3 млрд. и большинство из которых так любят греться на солнышке, все в большей мере подвергают себя опасности. Загар обеспечивает мягкое УФ излучение (λ > 300 нм), называемое эритемным. Оно очень полезно, т. к. вырабатывает в организме витамин Д. В сочетании же с жестким (бактерицидным) излучением эритемные лучи могут вызвать не только болезненные ожоги, но и более опасные последствия. Медики и биологи считают, что уменьшение концентрации стратосферного озона всего на 1 % приводит к увеличению раковых заболеваний кожи на 6 %, увеличивает восприимчивость к другим болезням, особенно кожным, легочным и аллергическим.

Самые разные методы измерения показывают — количество стратосферного озона в земной атмосфере имеет тенденцию (тренд) к постепенному уменьшению! Хорошо еще, что существуют компенсирующие процессы — озон, исчезая на привычных для него высотах, начинает вырабатываться ближе к тропосфере (рис. 1), где плотность воздуха значительно выше. Казалось бы, ничего страшного — «озонный щит» продолжает действовать! Но специалисты-экологи забили тревогу — над Антарктидой после полярной ночи (т. е. в октябре) стала появляться «озонная дыра» — резкое уменьшение концентрации озона во всем атмосферном столбе. Более того, признаки «озонных дыр» стали обнаруживаться и в Северном полушарии, но не на полюсе, а примерно на широте Ленинграда.

Рис. 1. Зависимость концентрации озона от высоты сегодня (а) и в конце 1960 года (б) для экваториальных (I), средних (II) и полярных (III) широт.

Новое явление, как всегда, рождает массу гипотез. Не было в них недостатка и на этот раз. Чему только не приписывали вину за «озонные дыры»: и земному магнитному полю, и фреонам (хлорированным углеводородам, используемым как теплоноситель в холодильниках), и даже межпланетному «эфиру», обтекающему Землю с ее Северного полюса.

Наиболее реальной представляется версия, связывающая явление с существованием в земной атмосфере устойчивых вихрей: одного большого в районе Антарктиды и трех поменьше — в районе Северного полюса. Пока озон существовал на «своих» высотах — все было нормально, но когда максимум его концентрации опустился в зону более интенсивных ветров (рис. 2), атмосферные полярные вихри стали преграждать озону дорогу к полюсам Земли.

Рис. 2. Изменение скорости ветра с высотой над поверхностью Земли.

Есть и другие не менее опасные причины исчезновения озона, например, вулканы и... ракеты. Вулканы доставляют озоноразрушающие вещества на высоту до 12 км, откуда они поднимаются в стратосферу за счет турбулентности воздуха. Ракеты же — непосредственно в озонный слой.

В настоящее время наибольшее количество запусков ракет осуществляют военные. Боевые ракеты малого и среднего радиусов действия, а также многие стратегические ракеты имеют твердотопливные двигательные установки, продукты выброса которых в большом количестве содержат аэрозоли, хлор и его соединения, а также окислы азота, т. е.— основные разрушители озона. К сожалению, твердотопливные ускорители все шире применяют и в космонавтике (QIIIA, Китай, Франция, Япония). Это совершенно недопустимо, особенно учитывая тенденцию к росту объемов космических транспортировок и повышению мощности ракет-носителей. Даже перспективные космические транспортные средства, которые не имеют твердотопливных ускорителей и работают на самых чистых топливных парах: водород с кислородом и углеводородное горючее с кислородом, также требует самого тщательного экологического анализа, т. к. продолжительность их пребывания в озонном слое существенно больше, чем у баллистических носителей (рис. 3).

Рис. 3. Характерные траектории взлета баллистических ракет-носителей, в том числе «Энергии», (синие) и перспективных носителей самолетной схемы (красные) с горизонтальным, (а) и вертикальным (б) стартом.

На рисунке 4 приведена зависимость общего количества доставленных в озоно- сферу соединений хлора всего лишь одной космической транспортной системой — «Спейс Шаттл». Здесь учтен и перерыв в запусках из-за аварии «Чэлленджера» (а). На этом же рисунке приведен график периодических и систематических отклонений концентрации озона в северном полушарии (б). Периодические отклонения вызваны солнечной активностью, а систематические отклонения — причиной, которая, скорее всего, имеет антропогенную природу. Из сопоставления двух графиков видно, что уменьшение концентрации озона коррелирует с регулярными пусками «Шаттла». Вместе с тем, в апреле 1982 г. произошло мощное извержение мексиканского вулкана Эль-Чичон, выбросившего в земную атмосферу большое количество аэрозоля, хлоридов и окислов азота. Это природное событие некоторые специалисты и положили в основу объяснения причины возникновения «озонных дыр» в Антарктиде (в). Но «озонная дыра» постепенно исчезла, а затем появилась снова — после возобновления запусков «Шаттла», когда крупных вулканических извержений уже не было. Не доказывает ли это причастность «Шаттла» к «озонным дырам?» Как бы то ни было, ясно одно: природные и антропогенные процессы должны изучаться совместно, т. к. только в этом случае появится возможность правильно согласовывать мероприятия по защите окружающей среды. И чем раньше это будет сделано международным сообществом, тем эффективнее окажутся защитные меры.

Рис. 4. Корреляционная зависимость массы выбрасываемого в атмосферу транспортной системой «Спейс Шаттл» хлора в тоннах (а) и наметившегося тренда уменьшения концентрации стратосферного озона в северном полушарии (б). Синие точки отмечают начало извержения вулкана Эль-Чичон — другую возможную причину появление озонных дыр в южном полушарии в центре Антарктиды в 1986, 1987 и 1989 годах (в). Одна единица Добсона соответствует 0,01 мм толщины озонного слоя в атмосферном столбе при нормальных условиях. Полная осреднением толщина озонного слоя для Земли не превышает 3,5 мм, или 350 единиц Добсона.

Антропогенная доля в нашем экологическом бедствии неуклонно возрастает. Это видно хотя бы на примере разрушения озонного слоя (рис 5). Даже многочисленные испытания ядерного оружия в атмосфере, которые проводились в 60-х годах, с точки зрения разрушения озонного слоя — ничто по сравнению с ситуацией нынешней. Еще более тяжелая картина ожидает людей в будущем веке, если научно-технический прогресс не будет поставлен под контроль информационных и природоохранных служб.

Рис. 5. Прогноз возрастания антропогенных факторов разрушения стратосферного озона по сравнению с природными факторами.