Пожары в Австралии в 2019 и 2020 годах были историческими по тому, как далеко и быстро они распространялись, и как долго и сильно они горели. В общей сложности разрушительные пожары «Черного лета» охватили более 43 миллионов акров земли и уничтожили или вытеснили почти 3 миллиарда животных. Пожары также выбрасывали в атмосферу более 1 миллиона тонн частиц дыма, которые достигали высоты до 35 километров над поверхностью Земли - масса и распространение сопоставимы с массой извергающегося вулкана.
Теперь атмосферные химики из Массачусетского технологического института обнаружили, что дым от этих пожаров вызвал химические реакции в стратосфере, которые способствовали разрушению озона, защищающего Землю от поступающего ультрафиолетового излучения. Исследование группы, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, впервые установило химическую связь между дымом от лесных пожаров и разрушением озонового слоя.
В марте 2020 года, вскоре после того, как пожары утихли, команда наблюдала резкое падение содержания диоксида азота в стратосфере, что является первым этапом химического каскада, который, как известно, заканчивается разрушением озонового слоя. Исследователи обнаружили, что это падение диоксида азота напрямую связано с количеством дыма, который пожары выбрасывают в стратосферу. По их оценкам, эта химия, вызванная дымом, истощила столб озона на 1 процент.
Чтобы представить это в контексте, они отмечают, что поэтапный отказ от озоноразрушающих газов в соответствии с всемирным соглашением об остановке их производства привел к извлечению примерно 1 процента озона из более ранних сокращений озона за последние 10 лет, а это означает, что лесные пожары на короткое время свели на нет эти с трудом завоеванные дипломатические успехи. Если в будущем лесные пожары станут более сильными и частыми, как, по прогнозам, они будут связаны с изменением климата, прогнозируемое восстановление озона может быть отложено на годы.
«Пожары в Австралии выглядят пока самым крупным событием, но по мере того, как мир продолжает нагреваться, есть все основания полагать, что эти пожары станут более частыми и интенсивными», - говорит ведущий автор Сьюзен Соломон, Ли. и Джеральдин Мартин, профессор экологических исследований Массачусетского технологического института. «Это еще один тревожный сигнал, как и озоновая дыра в Антарктике, в том смысле, что он показывает, насколько плохими могут быть вещи на самом деле».
Соавторы исследования включают Кейна Стоуна, научного сотрудника Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института, а также сотрудников различных учреждений, включая Университет Саскачевана, Цзинаньский университет и Национальный центр атмосферных исследований., и Колорадский университет в Боулдере.
Химический след
Массивные лесные пожары, как известно, порождают пирокумуло-дождевые облака - возвышающиеся облака дыма, которые могут достигать стратосферы, слоя атмосферы, расположенного на высоте от 15 до 50 километров над поверхностью Земли. Дым от лесных пожаров в Австралии достиг стратосферы на высоте 35 километров.
В 2021 году соавтор Соломона, Пэнфэй Ю из Цзинаньского университета, провел отдельное исследование воздействия пожаров и обнаружил, что скопившийся дым нагрел части стратосферы на целых 2 градуса по Цельсию - потепление который сохранялся в течение шести месяцев. Исследование также обнаружило признаки разрушения озона в Южном полушарии после пожаров.
Соломон задавался вопросом, мог ли дым от пожаров истощать озон из-за химического состава, похожего на вулканические аэрозоли. Крупные извержения вулканов также могут достигать стратосферы, и в 1989 году Соломон обнаружил, что частицы этих извержений могут разрушать озон посредством ряда химических реакций. Когда частицы образуются в атмосфере, они собирают влагу на своей поверхности. После намокания частицы могут вступать в реакцию с циркулирующими в стратосфере химическими веществами, в том числе с пятиокисью азота, которая вступает в реакцию с частицами с образованием азотной кислоты.
Обычно пятиокись азота вступает в реакцию с солнцем, образуя различные виды азота, в том числе двуокись азота, соединение, которое связывается с хлорсодержащими химическими веществами в стратосфере. Когда вулканический дым превращает пятиокись азота в азотную кислоту, двуокись азота выпадает, а соединения хлора избирают другой путь, превращаясь в моноокись хлора, основной антропогенный агент, разрушающий озон.
«Эта химия, как только вы преодолеете эту точку, станет хорошо зарекомендовавшей себя», - говорит Соломон. «Если у вас меньше диоксида азота, вам нужно больше монооксида хлора, а это истощает озон».
Облачная инъекция
В новом исследовании Соломон и ее коллеги изучили, как концентрация диоксида азота в стратосфере изменилась после пожаров в Австралии. Если бы эти концентрации значительно снизились, это означало бы, что дым лесных пожаров истощает озоновый слой посредством тех же химических реакций, что и некоторые извержения вулканов..
Команда обратилась к наблюдениям за двуокисью азота, сделанным тремя независимыми спутниками, которые исследовали Южное полушарие в течение разного периода времени. Они сравнили записи каждого спутника за месяцы и годы до и после пожаров в Австралии. Все три записи показали значительное падение содержания диоксида азота в марте 2020 года. Для записи одного спутника падение представляет собой рекордно низкий показатель среди наблюдений за последние 20 лет.
Чтобы убедиться, что уменьшение диоксида азота было прямым химическим эффектом дыма от пожаров, исследователи провели моделирование атмосферы, используя глобальную трехмерную модель, которая моделирует сотни химических реакций в атмосфере с поверхности. через стратосферу.
Команда ввела в модель облако частиц дыма, имитируя то, что наблюдалось во время лесных пожаров в Австралии. Они предположили, что частицы, подобно вулканическим аэрозолям, собирают влагу. Затем они запускали модель несколько раз и сравнивали результаты с симуляциями без дымового облака.
В каждом моделировании, включающем дым от лесных пожаров, команда обнаружила, что по мере увеличения количества частиц дыма в стратосфере концентрация диоксида азота уменьшалась, что соответствует наблюдениям трех спутников.
«Поведение, которое мы наблюдали, все больше и больше аэрозолей и все меньше и меньше диоксида азота, как в модели, так и в данных, является фантастическим отпечатком пальца», - говорит Соломон. «Это первый случай, когда наука установила химический механизм, связывающий дым лесных пожаров с разрушением озонового слоя. Возможно, это всего лишь один химический механизм из нескольких, но он явно существует. Он говорит нам, что эти частицы влажные, и они должны были вызвать некоторое разрушение озонового слоя.."
Она и ее сотрудники изучают другие реакции, вызванные дымом лесных пожаров, которые могут еще больше способствовать удалению озона. В настоящее время основным фактором разрушения озонового слоя остаются хлорфторуглероды или ХФУ - химические вещества, такие как старые хладагенты, запрещенные Монреальским протоколом, хотя они продолжают оставаться в стратосфере. Но поскольку глобальное потепление приводит к более сильным и частым лесным пожарам, их дым может оказать серьезное и долгосрочное воздействие на озоновый слой.
«Дым от лесных пожаров - это токсичная смесь органических соединений, которые представляют собой сложные звери», - говорит Соломон. «И я боюсь, что озон подвергается целой серии реакций, которые мы сейчас яростно пытаемся распутать».