Следующее крупное извержение вулкана может дать толчок химическим реакциям, которые серьезно повредят уже осажденный озоновый слой планеты.
Степень повреждения озонового слоя в результате крупного взрывного извержения зависит от сложной атмосферной химии, включая уровни антропогенных выбросов в атмосферу. Используя сложное химическое моделирование, исследователи из Гарвардского университета и Университета Мэриленда изучили, что произойдет с озоновым слоем в ответ на крупномасштабные извержения вулканов в течение оставшейся части этого века и в нескольких различных сценариях выбросов парниковых газов. Исследование было недавно опубликовано в Geophysical Research Letters..
Стратосфера Земли все еще восстанавливается после исторического выброса хлорфторуглеродов (ХФУ) и других химических веществ, разрушающих озоновый слой. Несмотря на то, что 30 лет назад Монреальский протокол прекратил использование ХФУ, уровни хлорсодержащих молекул в атмосфере все еще повышены. Взрывные извержения вулканов, выбрасывающие в стратосферу большое количество диоксида серы, способствуют химическому превращению хлора в более активные формы, разрушающие озон.
Исследователям давно известно, что при высоких концентрациях хлора в антропогенных фреонах после извержения вулкана происходит истощение озонового слоя. Когда уровни хлора от фреонов низки, извержения вулканов могут фактически увеличить толщину озонового слоя. Но когда именно произойдет этот переход - от извержений, разрушающих озоновый слой, к извержениям, увеличивающим толщину озонового слоя, - долгое время оставалось неясным. Предыдущие исследования помещали окно перехода где-то между 2015 и 2040 годами.
Исследователи из Гарварда обнаружили, что извержения вулканов могут привести к истощению озонового слоя до 2070 года или позже, несмотря на снижение концентрации антропогенных фреонов.
«Результаты нашей модели показывают, что уязвимость озонового столба к крупным извержениям вулканов, вероятно, сохранится в конце 21 века, значительно позже, чем предыдущие оценки», - сказал Дэвид Уилмут, который руководил исследованием и проектом. ученый Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона и факультета химии и химической биологии.
Итак, почему этот сдвиг происходит намного позже, чем считалось ранее?
"Предыдущие оценки не учитывали определенные природные источники газообразных галогенов, такие как короткоживущие бромуглероды, происходящие из морского планктона и микроводорослей", - сказал Эрик Клобас, ведущий автор и кандидат химических наук Гарвардского университета.
Учет этих выбросов точно настраивает время перехода от извержений, вызывающих истощение озонового слоя, к извержениям, увеличивающим толщину озонового слоя. Эти естественные источники брома становятся особенно важными в нижних слоях стратосферы после того, как концентрации ХФУ, выбрасываемых человеком, снизились.
«Мы обнаружили, что концентрация брома в природных, очень короткоживущих органических соединениях имеет решающее значение», - сказал Клобас. «Даже небольшие изменения количества брома из этих источников, составляющие часть на триллион, могут означать разницу между извержением вулкана в конце 21 века, приведшим к истощению озонового столба или его увеличению».
Затем исследователи изучили, как извержение вулкана размером с извержение горы Пинатубо, выбрасывающее около 20 миллионов метрических тонн диоксида серы в стратосферу в 1991 году, повлияет на озоновый слой в 2100 году. Команда смоделировала четыре различных сценарии выбросов парниковых газов, начиная от очень оптимистичных и заканчивая тем, что обычно считается наихудшим сценарием.
Команда обнаружила, что самый оптимистичный прогноз будущих концентраций парниковых газов приводит к наибольшему истощению озонового слоя в результате извержения вулкана. И наоборот, в пессимистическом сценарии, согласно которому выбросы парниковых газов продолжают быстро расти в течение 21 века, извержение размером с гору Пинатубо фактически приведет к небольшому увеличению содержания озона. Исследователи обнаружили, что более низкие стратосферные температуры и более высокие уровни метана в этом сценарии сдерживают важные химические реакции, разрушающие озоновый слой.
Но вот в чем фишка: во всех вышеперечисленных сценариях предполагалось, что извержение вулкана приведет только к выбросу серы в стратосферу, подобно извержению горы Пинатубо в 1991 году на Филиппинах. Если бы извержение также привело к выбросу в стратосферу галогенсодержащих химических веществ, таких как хлористый водород (HCl), результаты могли бы быть ужасными.
Если бы вулканические галогены, которые обычно присутствуют в больших количествах при вулканических извержениях, существенно разделились бы в стратосфере - при любом сценарии выбросов парниковых газов, в любой момент в будущем - это потенциально могло бы привести к серьезным потерям стратосферного озона, - сказал Клобас.
В таком случае Соединенные Штаты могут столкнуться с длительным и значительным уменьшением толщины озонового слоя - на 15-25 процентов в смоделированном сценарии с самым высоким содержанием галогенов. Даже небольшое уменьшение толщины озонового слоя, защищающего поверхность Земли от разрушающего ДНК ультрафиолетового излучения, может негативно сказаться на здоровье человека и других живых существ на этой планете.
«Эти извержения - очень необычные события, но возможность их существования существует, о чем свидетельствуют исторические записи», - сказал Уилмут.