В прошлом месяце над Арктикой была замечена озоновая дыра площадью шесть миллионов квадратных километров. Над северным полюсом такое случилось впервые, и неожиданная близость атмосферной бреши к нашему дому заставила многих задаться резонным вопросом: кажется, для защиты озонового слоя планеты человечество приложило немало сил — неужели мы в итоге не справились? На самом деле нет, все хорошо: дыра над Арктикой это не симптом неудачи Монреальского протокола, а сам протокол вообще следует считать образцовым примером тому, что мы умеем решать проблемы глобального масштаба. О том, как его принимали и что получили 31 год спустя, рассказывает для N + 1 ведущий научный сотрудник лаборатории изменений климата и окружающей среды Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) Алексей Екайкин.

У климатических отрицателей есть один железный (как им кажется) аргумент: мол, вспомните историю с озоновым слоем — раздули шумиху с фреоном, перешли на производство других хладагентов, кто-то на этом заработал, а потом про озон благополучно забыли. Вот и с глобальным потеплением точно так же, это игра нечестных дельцов, пытающихся погреть на потеплении руки.

Парадокс этого аргумента в том, что в реальности все было ровно наоборот. История с Монреальским протоколом это пример того, что человечество способно успешно решать отдельно взятые глобальные проблемы.

Хлор, пожиратель озона

В начале 1970-х годов химики Франк Шервуд Роуленд и Марио Молина заинтересовались судьбой хлорфторуглеродов (ХФУ) в атмосфере. Первоначальная они собирались использовать эти инертные и потому долгоживущие газы для изучения атмосферной циркуляции. Ученые предположили, что рано или поздно эти вещества попадают в стратосферу, где время их жизни может составлять 40-150 лет, и где они постепенно разлагаются ультрафиолетом с образованием хлора. Им также были известны работы Пауля Крутцена и Харольда Джонстона, которые примерно в то же время изучали разложение озона в атмосфере за счет реакции с оксидами азота.

Роуленд и Молина осознали, что хлор с озоном может вести себя схожим образом — и 28 июня 1974 года опубликовали коротенькую, всего 2 странички, статью в журнале Nature о том, что производимые человеком ХФУ могут разрушать озоновый слой. Один из самых неприятных выводов статьи заключался в том, что в этих реакциях хлор действует в качестве катализатора: то есть один атом хлора может «убить» много молекул озона.

Зачем озон планете

Озон — это неустойчивая форма кислорода с химической формулой О₃.

Обнаружили его в XVIII веке по характерному запаху, но описали уже лишь в XIX-м. Озон образуется из кислорода, но для реакции нужно много энергии — поэтому в природе озон возникает при грозовых разрядах, либо под действием коротковолнового солнечного излучения, ультрафиолета.

Озон — мощнейший окислитель, эффективно разлагает органику, и это его свойство успешно используется для дезинфекции. Но это же делает его для нас, людей, ядовитым газом. Смертельная концентрация озона — всего-навсего 4,8 ppm (миллионных долей, то есть 4,8 молекулы озона на 1 миллион молекул воздуха). К счастью, мы распознаем озон в воздухе по запаху гораздо раньше, чем он станет для нас опасен. (Не забывайте, что при использовании домашнего озонатора дышать этим «запахом грозы» нельзя, нужно покинуть помещение!)

В тропосфере озон, таким образом, считается загрязняющим веществом.

Но бóльшая часть атмосферного озона находится в стратосфере: наибольшая концентрация на высоте 20-25 км может достигать 2-8 ppm, образуясь там из кислорода под действием солнечного света — это и есть тот самый «озоновый слой». Здесь озон выполняет важнейшую функцию — он поглощает солнечное излучение в жестком ультрафиолетовом диапазоне (UV-b, 280-315 нм), которое, достигая поверхности Земли, крайне опасно для человека (вызывает рак кожи и катаракту), растений и морского фитопланктона.

Озоновый экран образовался на нашей планете около миллиарда лет назад, когда фотосинтезирующие бактерии устроили на Земле «кислородную революцию», после которой жизнь смогла выбраться из моря на сушу.

Экран этот весьма тонкий: если собрать весь озон атмосферы возле поверхности Земли и сжать до нормального давления, то получится слой толщиной всего лишь около 3 миллиметров — что соответствует 300 единицам Добсона (ДЕ), в которых принято измерять содержание этого газа.

Озон производится в стратосфере постоянно, но озоновый слой не становится больше, потому что этот газ разрушается реакциями с оксидами азота, галогенами (особенно хлором и бромом), ионами OH-, а также самопроизвольно. До того, как на происходящее с озоном стали влиять мы, образование и разрушение озона находились в равновесии, которое изредка нарушалось впрыском в стратосферу разрушающих озон веществ вулканами.

Время чинить небо

В 1974-м году события развивались стремительно. Широкая общественность сильно обеспокоилась, и уже в декабре 1974 года Роуленд и Молина были приглашены на слушания в палату представителей США, где было принято решение более детально изучить этот вопрос. В 1976 году академия наук США, проведя собственные исследования, подтвердила выводы ученых.

В 1985 году Британская антарктическая служба опубликовала данные об аномально низкой концентрации озона на антарктической станции Халли Бэй. В то же время измерения химического состава стратосферы показало аномально высокое содержание хлора. Так человечество осознало, что «озоновая дыра» — реальность, в которой мы уже существуем какое-то время.

Почему дыра в Антарктиде

Почему дыра в Антарктиде, хотя фреоны выпускаются в атмосферу в основном в Северном полушарии?

Дело в том, что пока фреоны добираются до стратосферы, они успевают хорошенько перемешаться в атмосфере планеты — поэтому снижение концентрации озона в стратосфере происходит повсеместно: за период с 1980 по 2000 год содержание озона в средних и низких широтах упало на 5-7 процентов. Но в Антарктиде особые условия, и потому содержание озона падало особенно сильно. Зимой над Антарктикой формируется полярный вихрь, который препятствует притоку озона из более низких широт. В условиях полярной ночи температура в нижней стратосфере падает до -80 ºС, и там формируются полярные стратосферные — они же перламутровые — облака (ПСО), в присутствии которых химические реакции разрушения озона резко ускоряются. Но для этих реакций также нужно УФ излучение, поэтому основное снижение уровня озона приходится на весну, с появлением первых солнечных лучей.

Над Антарктикой формируется огромная дыра в озоновом слое, покрывающая весь континент — количественно это значит, что концентрация озона здесь оказывается на уровне 220 единиц Добсона и ниже. Ближе к лету температура повышается, полярные стратосферные облака разрушаются, вихрь размывается, в Антарктику начинает идти насыщенный озоном воздух из нижних широт, и к декабрю дыра затягивается.

Сразу же после появления первых данных о влиянии фреонов на озон в игру вступили промышленники, производящие аэрозоли, спреи и хладагенты, во главе с американской фирмой DuPont. В Америке упали продажи аэрозолей, и это им не нравилось. Председатель правления «Дюпон» назвал теорию антропогенного влияния на озон «научной фантастикой, кучей мусора, полной чепухой». Корпорации не сдавались вплоть до самого конца, хотя и обещали прекратить производство ХФУ, если будут даны убедительные доказательства их влияния на озон. С принятием Монреальского протокола им пришлось уступить.

В 1985 году была согласована Венская конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 году подготовлен к подписанию Монреальский протокол — дополнение к конвенции, в котором изложены цели и методы сокращения разрушающих озон веществ. 1 января 1989 года он вступил в силу. К 2013 году его ратифицировали все страны ООН, острова Кука, Святой престол, а также Европейский союз. Последним подписавшим Протокол государством стал Южный Судан, получивший независимость в 2011 году. 

Таким образом, от первой научной публикации до решения на международном уровне прошло 13 лет. Это следует признать огромным успехом. Крутцен, Молина и Роуленд в 1995 году получили за своё открытие Нобелевскую премию по химии.

Протокол подразумевает постепенное сокращение до нуля производства и потребления разрушающих озон веществ (ODSs — Ozone Depleting Substances) — мы для простоты будем называть их «фреонами».

Среди фреонов выделяются несколько групп, в зависимости от их разрушительного потенциала.

• Наиболее опасные для озона вещества — хлорфторуглероды (ХФУ), имеющие химическую формулу типа CFCl₃. Протокол предусматривал постепенное снижение их производства и потребления до нуля к 1996 году с заменой на менее опасные субстанции (ГХФУ и ГФУ, о них ниже). При этом для некоторых веществ были сделаны исключения — например, дозволялось использовать ХФУ в некоторых замкнутых циклах, например тушения пожаров на подводных лодках. Другая опасность ХФУ в том, что они — исключительно мощные парниковые газы, чей отеплительный потенциал в тысячи раз больше, чем у СО2.

• Следующая группа — гидрохлорфторуглероды (ГХФУ). Их разрушительный потенциал существенно ниже, чем у ХФУ, потому что они в основном разрушаются уже в тропосфере. Развитые страны начали снижать потребление ГФХУ в 2004 году, а производство в 2010 году, выход на ноль должен состояться в этом. Для развивающихся стран предусмотрена отсрочка порядка 10 лет. Также, как и ХФУ, ГХФУ являются мощными парниковыми газами.

• Наконец, третья группа — это гидрофторуглероды (ГФУ). Они не разрушают озоновый слой, поскольку не содержат хлора, и именно на них в основном заменяли ХФУ и ГХФУ. Тем не менее, они также являются парниковыми газами, поэтому в 2016 году было принято решение сократить и их производство тоже (поправка Кигали к Монреальскому протоколу).

Расчеты показывают, что сокращение производства и выпуска в атмосферу фреонов должно дать положительный эффект на озоновый слой через несколько десятилетий — из-за большого времени жизни этих веществ в стратосфере. Сейчас, по прошествии 30 лет, можно подводить первые итоги.

Монреальские завоевания

Все страны более или менее честно соблюдали Протокол — об этом можно судить по инструментально наблюдаемому снижению концентрации фреонов в атмосфере. Рост ХФУ не остановился сразу (потому что молекулы хлора еще какое-то время продолжали «добегать» из тропосферы в стратосферу), но замедлился: где-то в 90-х годах их концентрация достигла максимума, после чего начала снижаться. 

Концентрация ГХФУ, напротив, продолжает расти — поскольку именно этими веществами были поначалу заменены ХФУ. Тем не менее, общая концентрация фреонов, приведенная к эквиваленту «эффективного хлора» (верхняя панель на рисунке ниже), уже преодолела максимум в конце XX века.

Не все, правда, соблюдали этот протокол честно. Есть предположения, что в 90-е Россия производила ХФУ для продажи на черном рынке Европы. А в 2018 году появились публикации о том, что существует неопознанный источник ХФУ где-то в восточной Азии.

Тем не менее, в 2006 году Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) констатировало: «Монреальский протокол работает. Есть четкие доказательства снижения атмосферной концентрации разрушающих озон веществ и некоторые первые признаки восстановления озонового слоя». В отсутствие Монреальского протокола снижение озона в атмосфере было бы гораздо более сильным, что повлекло бы более сильный рост жёсткого УФ-излучения и стоило бы человечеству нескольких миллионов дополнительных смертей от онкологических заболеваний.

Около 2000 года наметилось сокращение озоновой дыры над Антарктидой. С 2000 по 2015 год площадь дыры сократилась на 4 млн км² — правда, на этот тренд накладывается сильная межгодовая изменчивость, поэтому судить о его достоверности трудно.

На фоне этого в целом позитивного тренда могут случаться разные аномалии — так, в прошлом месяце года наблюдалась озоновая дыра в Арктике, что вообще-то не типично для этого региона, поскольку там нечасто формируется устойчивый полярный вихрь и температуры редко опускаются до очень низких значений.

Дополнительный эффект

Снижение количества фреонов и увеличение озона будет влиять не только на здоровье человека, но также иметь долговременные сложные и пока еще слабо изученные последствия для климата Южного полушария и всей Земли. Например, озон над Антарктикой активно влияет на циркуляцию атмосферы во всем Южном полушарии через тропосферно-стратосферный обмен. С 1980 по 2000 годы снижение количества озона привело к понижению температуры в нижней стратосфере за счет меньшего поглощения солнечной энергии. Это, в свою очередь, привело к усилению полярного вихря, смещению к югу полярного фронта и расширению «ячейки Хэдли» (она же «ячейка Гадлея») — одной из основных циркуляционных ячеек Земли, включающей внутритропическую зону конвергенции, зону пассатов и тропическую область высокого давления. С практической точки зрения это означает, что площадь засушливых тропических областей Южного полушария немного увеличилась, со всеми вытекающими последствиями для местных жителей.