Используя редкие молекулы кислорода, заключенные в пузырьках воздуха в старом льду и снегу, американские и французские ученые ответили на давний вопрос: насколько увеличился уровень «плохого» озона с начала промышленной революции?
«Мы смогли отследить, сколько озона было в древней атмосфере», - сказал геохимик из Университета Райса Лоуренс Йенг, ведущий автор исследования, опубликованного сегодня в Интернете в журнале Nature.«Такого еще никто не делал, и замечательно, что мы вообще можем это сделать».
Исследователи использовали новые данные в сочетании с современными моделями химии атмосферы, чтобы установить, что уровни озона в нижних слоях атмосферы или тропосфере увеличились на 40% с 1850 года.
«Эти результаты показывают, что лучшие сегодняшние модели хорошо моделируют уровни содержания озона в тропосфере в древности», - сказал Йенг. «Это укрепляет нашу уверенность в их способности предсказывать, как в будущем изменятся уровни тропосферного озона».
В исследовательскую группу под руководством Райс входят исследователи из Университета Рочестера в Нью-Йорке, Института экологических наук о Земле Французского национального центра научных исследований (CNRS) при Университете Гренобль-Альпы (UGA), CNRS’s Grenoble Images Speech Signal и Лаборатория контроля в UGA и Французская лаборатория наук о климате и окружающей среде CNRS и Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) в Версальском университете Сен-Кантен.
«Эти измерения ограничивают степень потепления, вызванного антропогенным озоном», - сказал Йенг. Например, он сказал, что в последнем отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) оценивается, что озон в нижних слоях атмосферы Земли сегодня вносит 0,4 ватта на квадратный метр радиационного воздействия на климат планеты, но погрешность этого прогноза составлял 50%, или 0,2 Вт на квадратный метр.
«Это действительно большая погрешность», - сказал Йенг. «Наличие более точных доиндустриальных оценок содержания озона может значительно снизить эти неопределенности.
«Это все равно, что угадывать, насколько тяжел ваш чемодан, когда есть плата за сумки весом более 50 фунтов», - сказал он. «Со старыми планками погрешностей вы бы сказали: «Я думаю, что моя сумка весит от 20 до 60 фунтов». Этого недостаточно, если вы не можете позволить себе заплатить штраф."
Озон - это молекула, содержащая три атома кислорода. Произведенный в химических реакциях с участием солнечного света, он очень реакционноспособен, отчасти из-за его склонности отдавать один из своих атомов для образования более стабильной молекулы кислорода. Большая часть озона Земли находится в стратосфере, которая находится на высоте более пяти миль над поверхностью планеты. Стратосферный озон иногда называют «хорошим» озоном, потому что он блокирует большую часть солнечного ультрафиолетового излучения и, таким образом, необходим для жизни на Земле.
Остальная часть озона Земли находится в тропосфере, ближе к поверхности. Здесь реактивность озона может быть вредной для растений, животных и людей. Вот почему тропосферный озон иногда называют «плохим» озоном. Например, озон является основным компонентом городского смога, который образуется вблизи уровня земли в результате реакций между кислородом и загрязняющими веществами из автомобильных выхлопов, вызванными солнечным светом. Агентство по охране окружающей среды считает вредным для здоровья воздействие уровня озона выше 70 частей на миллиард в течение восьми часов и более.
«Дело в том, что ученые подробно изучают его всего несколько десятилетий», - сказал Юнг, доцент кафедры наук о Земле, окружающей среде и планетах. «До 1970-х годов мы не знали, почему в воздухе так много озона. Именно тогда мы начали осознавать, как загрязнение воздуха меняет химический состав атмосферы. Автомобили поднимали уровень озона на уровне земли».
Хотя самые ранние измерения тропосферного озона датируются концом 19-го века, Йенг сказал, что эти данные противоречат лучшим оценкам, полученным на основе современных современных моделей химии атмосферы.
«Большая часть этих старых данных получена при тестировании крахмальной бумаги, когда бумага меняет цвет после реакции с озоном», - сказал он. «Тесты не самые надежные - например, изменение цвета зависит от относительной влажности - но, тем не менее, они предполагают, что за последнее столетие содержание озона в приземном слое могло увеличиться до 300%. Напротив, лучшие сегодняшние компьютерные модели предполагают более умеренное увеличение на 25-50%. Это огромная разница.
«Других данных просто нет, поэтому трудно понять, что верно, или оба верны, и эти конкретные измерения не являются хорошим эталоном для всей тропосферы», - сказал Йенг. «Сообщество долго билось над этим вопросом. Мы хотели найти новые данные, которые могли бы помочь в решении этой нерешенной проблемы».
Поиск новых данных, однако, не так прост. «Озон сам по себе слишком реактивен, чтобы его можно было сохранить во льду или снегу», - сказал он. «Итак, мы ищем следы озона, следы, которые он оставляет в молекулах кислорода.
«Когда светит солнце, молекулы озона и кислорода постоянно создаются и разрушаются в атмосфере одним и тем же химическим процессом», - сказал Юнг. «Наша работа за последние несколько лет позволила найти естественную «метку» для этой химии: количество редких изотопов, слипшихся вместе."
Лаборатория Юнга специализируется как на измерении, так и на объяснении появления этих слипшихся изотопов в атмосфере. Это молекулы, которые имеют обычное количество атомов - два для молекулярного кислорода - но у них есть редкие изотопы этих атомов, замещенные вместо обычных. Например, более 99,5% всех атомов кислорода в природе имеют восемь протонов и восемь нейтронов, что дает общее атомное массовое число 16. Только два из каждых 1000 атомов кислорода представляют собой более тяжелый изотоп кислорода-18, который содержит два дополнительных нейтроны. Пара этих атомов кислорода-18 называется изотопным сгустком.
Подавляющее большинство молекул кислорода в любой пробе воздуха будет содержать два кислорода-16. Несколько редких исключений будут содержать один из редких атомов кислорода-18, и еще реже будут пары кислорода-18.
Лаборатория Юнга - одна из немногих в мире, которая может точно измерить, сколько этих пар кислород-18 содержится в данной пробе воздуха. Он сказал, что количество этих сгустков изотопов в молекулярном кислороде варьируется в зависимости от того, где происходит химия озона и кислорода. Поскольку нижняя стратосфера очень холодная, вероятность образования пары кислород-18 в результате химии озона/кислорода немного и предсказуемо увеличивается по сравнению с той же реакцией в тропосфере. В тропосфере, где теплее, химия озона/кислорода дает немного меньше пар кислород-18.
С началом индустриализации и сжиганием ископаемого топлива примерно в 1850 году люди начали добавлять больше озона в нижние слои атмосферы. Юнг и его коллеги рассудили, что это увеличение доли тропосферного озона должно было оставить узнаваемый след - уменьшение количества пар кислород-18 в тропосфере.
Используя ледяные керны и фирн (спрессованный снег, который еще не превратился в лед) из Антарктиды и Гренландии, исследователи установили запись пар кислород-18 в молекулярном кислороде с доиндустриальных времен до наших дней. Свидетельства подтвердили как увеличение содержания тропосферного озона, так и масштабы этого увеличения, которые были предсказаны последними атмосферными моделями.
"Мы ограничиваем увеличение менее чем 40%, а самая полная химическая модель предсказывает около 30%", - сказал Йенг.
«Одним из самых захватывающих аспектов было то, насколько точно результаты исследования ледяного керна соответствовали предсказаниям модели», - сказал он. «Это был случай, когда мы провели измерение, и независимо модель произвела что-то, что очень близко согласуется с экспериментальными данными. Я думаю, это показывает, как далеко продвинулись ученые, занимающиеся атмосферой и климатом, в способности точно предсказывать, как люди изменение атмосферы Земли, особенно ее химического состава."