CC BY
76
ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИИ РЕГИОН._ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2016. № 4
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
УДК 550.385.3,550.343 DOI 10.18522/0321-3005-2016-4-98-101
ВЛИЯНИЕ СТРАТОСФЕРНОГО И ТРОПОСФЕРНОГО ОЗОНА НА ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПЛАНЕТЫ И ДВИЖЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
© 2016 г. Т.А. Митрофанова, Х.Д. Канониди, К.Х. Канониди, Р.В. Тедорадзе
THE IMPACT OF STRATOSPHERIC AND TROPOSPHERIC OZONE IN THE THERMAL BALANCE OF THE PLANET AND THE ATMOSPHERE MOVEMENT
T.A. Mitrofanova, Kh.D. Kanonidi, K.Kh. Kanonidi, R. V. Tedoradze
Митрофанова Тамара Алексеевна - старший научный со- Tamara A. Mitrofanova - Senior Researcher, Pushkov Institute
трудник, Институт земного магнетизма, ионосферы и of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propa-
распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Калуж- gation, Russian Academy of Sciences, Kaluzhskoe Highway, 4,
ское шоссе, 4, г. Троицк, г. Москва, 142190. Troitsk, Moscow, 142190.
Канониди Харлампий Дмитриевич - кандидат физико-ма- Kharlampii D. Kanonidi - Candidate of Physics and Mathemat-
тематических наук, заведующий сектором магнитно- ics, Head of the Sector of Magnetic-Ionospheric Interactions,
ионосферных взаимодействий, Институт земного магне- Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and
тизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Radio Wave Propagation, Russian Academy of Sciences,
Н.В. Пушкова РАН, Калужское шоссе, 4, г. Троицк, г. Моск- Kaluzhskoe Highway, 4, Troitsk, Moscow, 142190, e-mail:
ва, 142190, e-mail: [email protected] [email protected]
Канониди Константин Харлампиевич - старший научный Konstantin Kh. Kanonidi - Senior Researcher, Pushkov Insti-
сотрудник, Институт земного магнетизма, ионосферы и tute of Terrestrial Magnetism, ionosphere and Radio Wave
распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Калуж- Propagation, Russian Academy of Sciences, Kaluzhskoe High-
ское шоссе, 4, г. Троицк, г. Москва, 142190, e-mail: way, 4, Troitsk, Moscow, 142190, e-mail: [email protected] [email protected]
Тедорадзе Ростом Важаевич - кандидат медицинских наук, Rostom V. Tedoradze - Candidate of Medical Science, Head of
заведующий отделением эндоскопии, больница РАН, Ок- the Endoscopy Sector, Hospital, Russian Academy of Sciences,
тябрьский пр., 3, г. Троицк, г. Москва, 142190. Octyabrskii Ave, 3, Troitsk, Moscow, 142190.
Оценивается роль стратосферного и тропосферного озона в существовании всего живого на нашей планете. Исследуется его влияние на тепловой баланс Земли и на движение атмосферы. Этот процесс представляет большой интерес для метеорологов и климатологов, поскольку от наличия озонового щита зависят в том числе и климатообразующие факторы. Анализируются причины озноразрушительного процесса, природные и антропогенные. Предлагаются рекомендации по борьбе с приземным озоном. Рассмотрена концепция пространственно-временного распределения озона и его вариаций. Показано наличие противоречий при объяснении причин возникновения озоновых дыр.
Ключевые слова: стратосферный озон, тропосферный озон, озоновый слой, тепловой баланс, антропогенные воздействия, солнечная активность, озоновые дыры.
The paper evaluated the role of stratospheric and tropospheric ozone in the existence of all life on our planet. We study its effect on the heat balance of the Earth and the movement of the atmosphere. This process is of great interest to meteorologists and climate scientists because of the ozone shield presence depend including climatic factors. The authors analyze the causes of the destructive process of ozone, natural and man-made. They offered recommendations for combating ground-level ozone. The article discusses the concept of spatial and temporal distribution of ozone and its variations. It also shows the presence of contradictions when reasoning the causes of the ozone hole.
Keywords: stratospheric ozone, tropospheric ozone, ozone layer, heat balance, anthropogenic impacts, solar activity, ozone holes.
Стратосферный озон. Озон присутствует в ат- терес для метеорологов и климатологов, поскольку мосфере Земли в количестве около 0,6 млн доли от существования озонного щита зависят некото-(по весу), но имеет фундаментальное значение для рые особенности климатообразующих факторов всего живого на нашей планете. Исследование [1]. Ещё в 1971 г. в Москве на ассамблее Междуна-влияния озона на тепловой баланс нашей планеты и родной ассоциации метеорологии и физики атмо-на движение атмосферы представляет немалый ин- сферы шведский геофизик П. Крутцен обратил вни-
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
мание аудитории на возможное разрушение озонового слоя в атмосфере Земли. Окислы азота N0 и N02, заносимые в стратосферу с выхлопными газами высотных самолетов, запусками космических объектов, могут там уничтожить озон [2] (например, 03+Ш=Ш2+02).
Озон, примешанный к воздуху в количестве одной миллионной доли (10-6), раздражает дыхательные пути человека, а в концентрации 5-10"6 мкг/м3 ядовит и опасен для жизни. Но примесь озона к воздуху верхней атмосферы защищает все живое на Земле от избытка ультрафиолетовой радиации Солнца, т.е. озон в атмосфере не только полезен, но и спасителен для жизни.
В тропической зоне слой озона расположен сравнительно высоко (максимум парциальной плотности этого газа находится на высоте 26-27 км) и отличается еще одной важной особенностью: хотя общее количество озона в столбе атмосферы тут небольшое, он собран в сравнительно тонком слое, между 23-30 км, где его концентрация по отношению к воздуху довольно велика и часто достигает опасных для жизни значений. Выше 26 км она достигает в среднем 13—14^ 10-6 мкг/м3 и становится почти втрое больше токсического значения. Это учитывается, например, при организации полетов сверхзвуковой авиации в стратосфере: накачиваемый под давлением в кабину наружный воздух стратосферы следует очищать от озона.
«Полярный» слой озона расположен гораздо ниже тропического, а максимальные плотности озона наблюдаются в нем на высоте всего 13—16 км. Слой этот имеет большую вертикальную мощность, чем в тропиках. Раздражающая дыхание концентрация озона достигается тут весной уже на уровне 11—13 км (осенью 16—17 км), токсическая концентрация - на высоте 21—22 км. Именно на этих высотах пролегают многие транспортные трассы коммерческих воздушных сообщений.
В последние годы изучение озона привлекло внимание многих ученых. Ранее существующее мнение только об антропогенном влиянии на озоновый слой не нашло поддержки у большинства специалистов.
По анализу данных, полученных в южнополярной области специалистами Университета штата Вайоминг (Ларами, США), установлено, что на высотах 15 и 20 км над уровнем моря содержание атмосферного озона упало на 80—90 % по сравнению с нормой.
Согласно распространенной до сих пор гипотезе, нарушение целостности озоносферы связано с поступлением в атмосферу Земли хлорфторуглево-дов главным образом из аэрозолей, широко приме-
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
няемых в быту и промышленности, где эти вещества могут вступать в химические реакции с озоном и разрушать его молекулы. Но другие специалисты склонны считать, что причиной озоноразрушитель-ного процесса в высоких широтах могут служить в большей мере природные, а не антропогенные воздействия. Нарушения в озоносфере пытались связать с процессами на Солнце, тогда количество озона в атмосфере над Арктикой и Антарктидой должно было измениться с 11-летним циклом солнечной активности, но это не подтвердилось.
Окончательный вывод о том, что является причиной появления озоновых дыр — солнечная активность или деятельность человека, можно будет сделать только после более длительных наблюдений.
Тропосферный озон. В 1970 г. американские ученые выяснили, что, кроме стратосферного, существует также тропосферный озон, который образуется в результате фотохимических реакций в приземном слое. Виной этому выхлопные газы и выбросы промышленных предприятий, в которых содержатся окислы азота и различные углеводороды. Под воздействием солнечных лучей, точнее, содержащегося в них ультрафиолета, они вступают в химические реакции, в результате которых и возникает озон, самый страшный компонент смога, по токсичности не уступающий синильной кислоте.
Причина в том, что озон является сильнейшим окислителем, сжигающим буквально все, что попадается ему на пути, в том числе и наши легкие. Попадая в легкие, озон в первую очередь разрушает тончайший слой белков-сурфактантов, покрывающий их поверхность, и открывает путь для всевозможных бактерий и вирусов, а из легких возбудители различных заболеваний попадают непосредственно в кровь и разносятся по всему организму.
Особенно большой опасности подвергаются дети, которые подвижны, глубоко дышат, а в силу небольшого роста чаще сталкиваются с приземным озоном, концентрирующимся у самой поверхности земли. Во второй группе риска оказываются люди, ведущие активный образ жизни и часто бывающие на открытом воздухе. В третьей - пожилые люди с заболеваниями органов дыхания, которые становятся жертвами острой сердечной недостаточности, связанной с увеличением концентрации озона в атмосфере Земли.
В США опасность, которую таит в себе приземный озон, осознали достаточно давно и стали принимать соответствующие меры. С.Н. Котельников (Институт общей физики РАН) говорит о том, что в настоящее время в режиме нон-стоп уровень приземного озона отслеживают многочисленные станции наблюдения в США и Европе. СМИ ежедневно
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
информируют об этом население, чтобы каждый человек мог выбрать для себя определенный план действий. К примеру, в жаркий солнечный день необходимо отказаться от пробежки, во время которой приходится глубоко дышать, или отложить прогулку с ребенком, пока концентрация озона не снизится до допустимого уровня [3].
Сопоставив показатели смертности людей в 95 американских городах с данными об уровне приземного озона, ученые из Йельского университета (США) установили, что увеличение его концентрации всего на 10 мкг/м3 приводит к увеличению числа смертей на следующей неделе на 0,5 % [4]. Относительно безопасной для человека считается концентрация озона 30 мкг/м3 (для жилых помещений) и 100 мкг/м3 (для промышленных зон). Однако еще в середине прошлого века концентрация озона в приземном слое атмосферы Земли составляла всего 10—20 мкг/м3. В настоящее время в некоторых районах Подмосковья уровень озона повышается до 300 мкг/м3.
Эксперименты показали, что проблема приземного озона актуальна не только для южных регионов, но и для средней полосы России. Например, уровень содержания озона в воздухе Тарусы (курортное место в 140 км от Москвы) в солнечную жаркую погоду втрое превышал предельно допустимые концентрации (ПДК) озона для промышленных зон. По мнению ученых, виноваты в этом загрязнения, поступающие с потоками воздуха из городов. Ветер может приносить их ночью, а утром, с восходом солнца, когда появляется ультрафиолет, запускаются фотохимические реакции, приводящие к образованию озона. Этим, по всей видимости, и объясняется еще одно «аномальное» явление, с которым регулярно сталкиваются московские дачники.
Максимальная концентрация озона отмечается на расстоянии от 50—60 до 80 км от границы мегаполисов. Чаще эти показатели наблюдаются с подветренной стороны, но какие районы Подмосковья оказываются в зонах риска, ученые не берутся предсказать, ссылаясь на отсутствие систематических измерений. Сегодня Таруса - единственное место в России, где можно получить информацию об уровне озона в атмосфере, так как здесь располагается филиал профильного НИИ.
В последние годы количество автомобилей выросло во много раз и грязная шапка смога отчетливо видна из космоса. Сколько при этом образуется приземного озона, неизвестно, но медики отмечают резкий рост заболеваний дыхательной системы.
Меры борьбы с приземным озоном хорошо известны. Прежде всего, необходимо регулярно сооб-
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
щать о реальных концентрациях приземного озона в городе и пригородах через СМИ. Для получения этой информации должна быть развернута сеть станций непрерывного контроля за уровнем озона и его предшественников. Необходимо обратить внимание на качество выпускаемого бензина, так как в нём содержится слишком много сернистых соединений, которые быстро выводят из строя катализаторы автомобилей, что влечет за собой значительное повышение токсичности выхлопных газов. В срочном порядке нужно поставить под контроль производство домашних и автомобильных озонаторов, так как некоторые из них (как установлено в Институте общей физики) производят озон в количествах, многократно превышающих ПДК.
Озоновые дыры. Многолетнее уменьшение общего содержания озона над полярными регионами земной поверхности получило название озоновых дыр (ОД). По масштабу оно не укладывается в глобальную схему пространственно-временных вариаций озона, построенную на базе экспериментальных и теоретических моделей. Сценарий возможных последствий, к которым приведет дальнейшее разрушение озона, еще не дописан. Он требует большого количества входных параметров. В связи с этим интенсивно анализируются компоненты и всевозможные механизмы, разрушающие озон, с точки зрения их роли в ОД.
В основе современной концепции пространственно-временного распределения озона и его вариаций четко выделяются три раздела с соответствующими механизмами: система фотохимических процессов, первоисточником которых является ультрафиолетовое солнечное излучение; динамика атмосферы; антропогенный фактор.
И сейчас есть много сторонников только антропогенного механизма возникновения ОД. Суть его сводится к тому, что атмосферные циркуляции заносят в полярные области воздушные массы с более низких широт. Вместе с ними поступают продукты человеческой деятельности, которые разрушают озон. Однако наблюдения делают эту идею неубедительной, так как человеческая цивилизация сосредоточена в основном в северном полушарии, а мощность ОД в южном полушарии гораздо значительнее ОД над Арктикой. При этом интенсивность загрязнения воздушного океана нарастает, а ОД в последнее время начинают затягиваться. Глобальное распределение общего содержания озона [4] показывает, что в северном полушарии его примерно на 10—15 % больше, чем в симметричных точках южного полушария. Это соотношение не меняется при продолжающемся активном загрязнении атмосферы. Нельзя отрицать роль современной
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
цивилизации и атмосферной динамики в динамике и структуре собственной озоносферы. Их эффективность показана в огромном количестве исследований [5-7]. Однако наличие указанных двух противоречий исключает их роль в качестве доминирующих механизмов, которые формируют озоновые дыры.
Литература
1. Т^а Н. Ozone observations and there meteorological applications. Geneva, 1961. 48 p.
2. Хргиан А.Х. Физика атмосферного озона. Л., 1973. 292 с.
3. Котельников С.Н. Зарубежный опыт минимизации отрицательного влияния приземного озона на здоровье населения // Экологические угрозы и национальная безопасность России : материалы науч. конф. 14-16 сентября 2016 г. М., 2016.
4. Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on Atmospheric Ozone; October 1-13, 1979 // Report No FAA-EE-8020. US, Washington, 1980.
5. Proceedings of the Second conference on the Climatic Impact Assessment. Program November 14-17, 1972 // Report NoDOT-TSC-OST-73-4. Washington, 1973.
6. Present State of Knowledge of upper Atmospere, NASA // Reference Publication 1162. Washington, US, 1986.
Поступила в редакцию /Received
7. Atmospheric Ozone 1985. World Meteorological Organization Global Ozone Research and Monitoring Project // Report No 16. Washington, US, 1985.
References
1. Taba N. Ozone observations and there meteorological applications. Geneva, 1961, 48 p.
2. Khrgian A.Kh. Fizika atmosfernogo ozona [The physics of atmospheric ozone]. Leningrad, 1973, 292 p.
3. Kotel'nikov S.N. [Foreign experience to minimize the negative impact of ground-level ozone on human health]. Ekologicheskie ugrozy i natsional'naya bezo-pasnost' Rossii [Environmental threats and national security of Russia]. Scientific conf. materials. September 1416, 2016 g. Moscow, 2016.
4. Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on Atmospheric Ozone; October 1-13, 1979. Report No FAA-EE-8020. Washington, US, 1980.
5. Proceedings of the Second conference on the Climatic Impact Assessment. Program November 14-17, 1972. Report No DOT-TSC-OST-73-4. Washington, 1973.
6. Present State of Knowledge of upper Atmospere, NASA. Reference Publication 1162. Washington, US, 1986.
7. Atmospheric Ozone 1985. World Meteorological Organization Global Ozone Research and Monitoring Project. Report No 16. Washington, US, 1985.
_13 июля 2016 г. / July 13, 2016
