Каждый год озоноразрушающие соединения в верхних слоях атмосферы разрушают защитный озоновый слой, и в частности над Антарктидой. Озоновый слой действует как солнцезащитный крем Земли, поглощая вредное ультрафиолетовое излучение падающего солнечного света, которое может вызвать рак кожи и повредить растения, помимо других вредных последствий для жизни на Земле. Хотя каждое из этих различных соединений высвобождает либо реактивный хлор, либо бром, два активных ингредиента, разрушающих озоновый слой, во время серии химических реакций молекулы имеют разное время жизни в атмосфере, что может повлиять на их окончательное воздействие на озоновый слой и его будущее восстановление.
В статье «Перспектива», опубликованной в выпуске журнала «Science» от 8 декабря, исследователи НАСА обсуждают нюансы, которые различают три категории соединений и их воздействие на верхний слой атмосферного озона: долгоживущие и техногенные соединения, недолговечные и антропогенные соединения, а также соединения, которые недолговечны и естественным образом выбрасываются из океана. Все долгоживущие и некоторые антропогенные короткоживущие соединения контролируются Монреальским протоколом, чтобы уменьшить их воздействие на озон. Исследователи обнаружили, что долгосрочные соединения по-прежнему доминируют в плане восстановления озона.
Эта дискуссия является частью продолжающихся научных дебатов о влиянии короткоживущих озоноразрушающих соединений, которые остаются в атмосфере менее шести месяцев, антропогенные выбросы которых возросли. Это имеет отношение к работе, проводимой Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде, которая управляет Монреальским протоколом и его поправками, основополагающим глобальным соглашением о запрете и поэтапном отказе от озоноразрушающих соединений. В настоящее время контролируются только озоноразрушающие вещества со сроком жизни в атмосфере от года до более 100 лет, поскольку они задерживаются в атмосфере достаточно долго, чтобы достичь верхних слоев атмосферы, называемых стратосферой. Короткоживущие соединения не регулируются, поскольку их воздействие менее существенно.
«Монреальский протокол имел огромный успех», - сказал ученый-атмосферник Цин Лян из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, и первый автор перспективы. В результате регулирования Монреальским протоколом уровни озоноразрушающих хлора и брома перестали расти в атмосфере в середине 1990-х годов и снижались почти с ожидаемой скоростью. Озоновый слой показывает признаки исцеления.
Тем не менее, согласно анализу Лян и ее коллег, долгоживущие контролируемые вещества, большая часть которых была выпущена до 1987 года, по прогнозам, по-прежнему будут составлять 56 процентов от общего количества хлора и брома в стратосфере в 2050 году. Напротив, ожидается, что не более четырех процентов хлора и брома будет поступать из нерегулируемых озоноразрушающих соединений, производимых человеком. Остальная часть хлора и брома в 2050 году будет поступать из соединений, естественным образом выбрасываемых океаном. Но по мере повышения температуры океана из-за потепления климата уровень их выбросов потенциально может возрасти на 20 процентов в период с 2010 по 2100 год. Дополнительным источником природных озоноразрушающих соединений являются лесные пожары, как природные, так и вызванные деятельностью человека.
Ученые НАСА, Национального управления океанических и атмосферных исследований, а также других международных агентств постоянно следят за озоновым слоем стратосферы и уровнями озоноразрушающих химических веществ на поверхности Земли.
Независимо от того, достигает ли вещество стратосферы или нет, это главный фактор, определяющий, о какой категории соединений следует беспокоиться, говорит соавтор Сьюзен Страхан из NASA Goddard. Чем больше срок жизни озоноразрушающего вещества, тем дольше оно будет находиться в воздухе, чтобы добраться до стратосферы и разрушить озон. По ее словам, короткоживущие вещества, с другой стороны, окажут минимальное влияние на задержку восстановления озона, потому что они с большей вероятностью разлагаются до того, как достигнут стратосферы..
Одно из этих веществ, называемое дихлорметаном, недавно стало предметом пристального внимания из-за увеличения скорости его выбросов за последние несколько лет. Это универсальный заменитель многих запрещенных химических веществ в промышленности. Дихлорметан разлагается в атмосфере примерно за четыре месяца, а вредные продукты его разложения полностью удаляются из атмосферы в течение нескольких лет после их выброса.
«Из-за его очень недолговечного характера и маловероятного сценария, при котором выбросы будут поддерживать высокие темпы роста, маловероятно, что дихлорметан окажет серьезное воздействие на озоновый слой», - сказал Лян. Лян считает, что его уровень выбросов стабилизируется, как только отрасли достигнут своей пропускной способности, основанной на экономическом спросе.
Кроме того, промышленные короткоживущие озоноразрушающие вещества, выбрасываемые на сушу, часто в средние широты, имеют путь в стратосферу от четырех до шести месяцев. По словам Ляна, это немного больше, чем срок их жизни, и дает им больше времени на то, чтобы быть уничтоженными или смытыми дождем, прежде чем они достигнут озонового слоя.
Короткоживущие соединения брома, естественным образом выбрасываемые с поверхности океана, оказывают более выраженное воздействие на озоновый слой, чем их короткоживущие промышленные собратья. Поскольку они высвобождаются в больших количествах из тропических океанов, они быстро поднимаются тропическими грозами в стратосферу в течение месяца или двух, где они могут разрушать озон на протяжении большей части своей жизни.
«Другой важный фактор - изменение климата. По мере того, как тропические океаны нагреваются, естественные выбросы бромистого метила и других короткоживущих бромированных соединений будут увеличиваться», - сказал Страхан. «И вы не можете это отключить. По мере того, как океан становится теплее, выбросы продолжают увеличиваться».
Также вызывают озабоченность запрещенные химические вещества, которые продолжают попадать в атмосферу и накапливаться в ней. Одним из примеров является тетрахлорметан, который регулируется Монреальским протоколом и имеет срок жизни в атмосфере 33 года. Хотя его производство, использование и уничтожение тщательно отслеживаются и регистрируются, он также образуется в качестве побочного продукта на производственных линиях хлороформа и дихлорметана. По словам Лян, поскольку он очень летуч, у него есть непреднамеренные выбросы, которые просачиваются в атмосферу. Вероятно, это не единственное регулируемое озоноразрушающее вещество, которое бесследно исчезает с конвейера по производству других химикатов.
Лян и Страхан основывали свой анализ на сочетании компьютерного моделирования атмосферы и измерений концентраций озоноразрушающих химических веществ. Модель Goddard Earth Observing System Version 5 (GEOS-5) НАСА моделирует атмосферу в 3-D, что позволяет исследовательской группе следить за атмосферными газами из их источников на земле во время их путешествия в верхние слои атмосферы. Модель поддерживается наблюдениями со спутников, наземными сетями, которые измеряют химические вещества, разрушающие озоновый слой, в реальном мире, а также наблюдениями за два десятилетия полевых кампаний НАСА с самолетов, включая самый последний эксперимент по изучению тропической тропопаузы с воздуха (ATTREX) в 2013 году и глобальный атмосферный обзор Atmospheric Tomography (ATom), который с 2016 года был развернут трижды.