Природные факторы, ослабляющие озоновый слой Земли

Санкт-Петербургский университетНаука

Озон под угрозой из космоса

Человеческая деятельность часто негативно отражается на состоянии озонового слоя. Но кроме нее есть и природные факторы, которые заставляют уменьшаться защитную оболочку Земли. Это, например, геомагнитная активность и смена времен года.

Авторы: Евгений Владимирович Розанов, Ирина Александровна Миронова, Дмитрий Владимирович Гранкин

Северное сияние. Остров Котлин, форт Шанец, 3 марта 2024 года. Сергей Апатенков

Солнце — основной источник энергии для большинства физических и химических процессов, происходящих на Земле. Солнечное излучение имеет как положительное влияние на жизнь нашей планеты (например, оно обеспечивает фотосинтез растений), так и отрицательное (в частности, провоцирует онкологические заболевания). Сам человек тоже влияет на окружающую среду. Такое воздействие называется антропогенным.

Сегодня в мире принимаются решения, направленные на уменьшение масштабов антропогенного воздействия: регулируются выбросы углекислого, парниковых и прочих газов. Самым ярким примером этого является Монреальский протокол 1989 года и его дополнения, которые ограничивают выбросы веществ, приводящих к разрушению озонового слоя. Например, хлорфторуглеродов, часто используемых как холодильные агенты. Хлорфторуглероды стабильны в нижней атмосфере, но при попадании в стратосферу (слой выше примерно 10–20 км) разрушаются под воздействием ультрафиолета, а высвободившийся хлор вступает в реакции, разрушающие озон. К моменту подписания протокола уже было отмечено критически низкое содержание озона вблизи Южного полюса Земли.

Влияние частиц

Озон является защитником всего живого на Земле, поскольку он поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Уменьшение уровня озона приводит, в частности, к увеличению негативного воздействия солнечной радиации на живые организмы.

Основной слой озона располагается в стратосфере на высоте 20–30 километров. Его образование и разрушение связано с ультрафиолетовым излучением Солнца. Также существуют озоновые слои на высотах тропосферы (до 10 км) и высотах мезосферы (50–90 км).

Разрушение мезосферного озона в основном связано с процессами высыпаний в атмосферу энергичных частиц, приходящих от Солнца и магнитосферы Земли. Эти же процессы приводят к разрушению и стратосферного озона, но опосредованно.

Солнце — источник не только электромагнитного излучения, но и элементарных частиц (в основном протонов и электронов, называемых солнечным ветром), которые движутся в космическом пространстве и могут достигать земной магнитосферы. Высыпания энергичных частиц в атмосферу Земли могут быть связаны как с процессами на Солнце, так и с геомагнитными возмущениями магнитного поля Земли, которые тоже часто связаны с процессами на Солнце.

Частицы солнечного и космического происхождения, достигающие земной магнитосферы, могут в ней ускоряться и высыпаться в плотные слои атмосферы. Они несут энергию, достаточную для ионизации (приобретения отрицательного или положительного заряда) нейтральных молекул атмосферы. Ионизация запускает цепи химических реакций, некоторые из которых приводят к истощению запасов озона.

Таким образом, для сохранения озонового слоя в атмосфере важно не только регулировать антропогенное воздействие на окружающую среду, но и следить за процессами, происходящими на Солнце, и уметь оценивать их влияние при различных условиях.

В периоды геомагнитных возмущений ослабляется магнитное поле Земли, что приводит к увеличению количества частиц, достигающих земной атмосферы, например частиц из радиационных поясов Земли (радиационные пояса — это «резервуары» протонов и электронов, то есть магнитосферной плазмы). Мы исследовали воздействие энергичных электронов на мезосферу (озоновый слой и озоноразрушающие химические компоненты), учитывая сезонность эффектов.

Истощение мезосферного озона

Для исследования мы использовали данные о потоках высыпающихся энергичных электронов за 2003 год со спутника POES и аэростатные наблюдения за потоками высыпающихся энергичных электронов, предоставленные Физическим институтом имени П. Н. Лебедева РАН. Наблюдения за частицами проводились рядом с городом Апатиты (68° северной широты) с помощью аэростатов, на борту которых находились счетчики Гейгера.

Евгений Владимирович Розанов, кандидат физико-математических наук, главный научный сотрудник и руководитель лаборатории исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ, Ирина Александровна Миронова, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник СПбГУ (кафедра физики Земли) и руководитель секции «Магнитосфера и влияние энергичных частиц на атмосферу» лаборатории исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ, Дмитрий Владимирович Гранкин, выпускник магистратуры СПбГУ 2024 года (программа «Физика Земли и околоземного пространства»). Алексей Лощилов

По измеренной скорости счета (количеству отсчетов в единицу времени) были восстановлены данные о потоках высыпающихся электронов. По определенным критериям были выбраны для анализа 285 дней, в которые происходили высыпания энергичных электронов.

Для описания геомагнитной возмущенности мы использовали индекс общей планетарной геомагнитной активности — Kp-индекс. Он принимает значения от 1 до 9, где 1 — невозмущенная магнитосфера, 9 — сильная магнитная буря. Высыпания энергичных электронов были разделены по уровню фоновой геомагнитной активности на три группы: высокий (Kp > 5), умеренный (Kp от 3 до 5) и низкий (Kp < 3).

Получаемая зависимость образованных ионных пар от высоты с учетом спектров высыпающихся частиц и количества ионных пар, образуемых одной высыпающейся частицей на определенной высоте, называется функцией скорости ионообразования. Мы использовали функции скорости ионообразования как входные параметры для разработанной нами одномерной химико-климатической модели с интерактивной нейтральной и ионной химией. Модель включила в себя большое количество нейтральных и ионизированных газов и описывает все основные химические реакции в средней атмосфере в интервале высот 20–100 километров.

В результате исследования мы выяснили, что существует зависимость истощения мезосферного слоя озона от геомагнитной активности. Так, при высоком уровне геомагнитной активности количество мезосферного озона на высоте 80 километров уменьшается в среднем на 35 %, при умеренном уровне — в среднем на 15 %, при низком уровне геомагнитной активности — в среднем на 5 %. Пониженное содержание озона сохраняется на протяжении примерно 12 часов после высыпания электронов с энергиями от нескольких десятков килоэлектронвольт (кэВ).

Один электронвольт (эВ) равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 вольт (В). Килоэлектронвольт (кэВ) — 1000 эВ.

Иллюстрация из статьи Irina Mironova et al., Atmosphere, 2023

В результате исследования мы показали, что высокая геомагнитная активность, приводящая к увеличению количества достигающих атмосферы энергичных электронов, провоцирует образование озоноразрушающих окислов азота и водорода, что приводит к истощению уровня высокоширотного мезосферного озона. Нами на примере 2003 года были получены средние численные оценки интенсивности таких процессов.

В ходе работы мы также проследили за зависимостью истощения запасов озона на высоте 80 километров от времени года и ионизации от высыпающихся энергичных электронов. Мы выявили, что летом мезосферный высокоширотный озон практически не разрушается от высыпающихся частиц вне зависимости от интенсивности ионизации, связанной с геомагнитной активностью. Весной и осенью истощение может достигать значений 20–25 % при интенсивных высыпаниях энергичных электронов. Зимой разрушение озона сильно зависит от ионизации: в течение наиболее интенсивных высыпаний энергичных электронов уровень озона может истощаться на 80 %.

Мезосферный озон оказывает слабое влияние на ультрафиолет. Большее воздействие оказывают окислы азота, которые в течение зимнего периода способны проникать в стратосферу и разрушать озон, способствуя росту уровня опасного ультрафиолета.

Важность данной работы состоит в оценке нашего понимания химических процессов в мезосфере и уточнения параметров высыпающихся энергичных частиц, что может быть сделано путем сравнения наших результатов с данными разнообразных измерений.

Краски неба

10–11 мая 2024 года была зарегистрирована сильная геомагнитная возмущенность, связанная с выбросами масс на Солнце, которая привела к высыпаниям энергичных частиц. Их можно было наблюдать в виде ярких полярных сияний, в том числе на средних широтах. Геомагнитная возмущенность была экстремальной: Kp достиг значения 9. Данное событие включало в себя высыпания как низкоэнергичных электронов с энергией от электронвольт до килоэлектронвольт (в основном зеленое сияние), так и более энергичных электронов и протонов (в основном фиолетовое, синее и красное сияние).

Конечно, цвет сияний зависит не только от интенсивности высыпаний энергичных частиц, но и от высотного распределения атмосферных газов. Например, ярко-красные или розовые сияния можно увидеть в виде верхней кромки сияний только во время сильной геомагнитной возмущенности. Они возникают благодаря излучению атомарного кислорода в возбужденном состоянии. Зеленый цвет сияний связан с возбуждением большого количества атомарного кислорода на более низких высотах и обычно вызывается высыпаниями электронов. Фиолетовые и синие сияния образуются из-за ионизации молекул азота на высотах около 100 километров и ниже. Чаще всего они связаны с высыпанием энергичных электронов и протонов.

Благодаря нашему исследованию мы можем предположить, что, несмотря на столь сильную интенсивность геомагнитных возмущений 10–11 мая 2024 года, приведшую к высыпаниям энергичных частиц, в течение суток над Санкт-Петербургом мезосферный озон мог истощиться не более чем на 20–25 %, поскольку весной величина истощения запасов мезосферного озона от высыпающихся электронов слабо зависит от входящей ионизации частиц.

Лаборатория исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ

Была создана в 2021 году. Сотрудники лаборатории решают научные и образовательные проблемы, связанные со среднесрочным (до 1 месяца) и долгосрочным (до 200 лет) прогнозом развития озонового слоя под влиянием природных и антропогенных факторов, изменений климата и космической погоды. Подробнее о лаборатории

Более подробно про критерии отбора, которые использовали ученые в исследовании, можно прочитать в статье Energetic Electron Precipitation via Satellite and Balloon Observations: Their Role in Atmospheric Ionization в журнале Remote Sensing. DOI: https://doi.org/10.3390/ rs15133291

Детали работы описаны в статье Mesospheric Ozone Depletion Depending on Different Levels of Geomagnetic Disturbances and Seasons в журнале Atmosphere. DOI: https://doi. org/10.3390/ atmos14081205

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Вездесущий клещ Вездесущий клещ

Нина Тикунова поделилась своим видением клещевой проблемы в России и в мире

Наука
Что они несут Что они несут

Многие из образов киноперсонажей определяют моду на десятилетия вперед

Men Today
Поры под контролем Поры под контролем

Как избавиться от расширенных пор?

Лиза
Слонихи из зоопарка вспомнили запахи бывших смотрителей Слонихи из зоопарка вспомнили запахи бывших смотрителей

Слоны способны долго хранить воспоминания о знакомых людях

N+1
Что стало вдохновением для Джокера Хита Леджера? Узнайте о пугающем художнике Фрэнсисе Бэконе! Что стало вдохновением для Джокера Хита Леджера? Узнайте о пугающем художнике Фрэнсисе Бэконе!

Как Фрэнсис Бэкон повлиял на образ Джокера в "Темном рыцаре"?

ТехИнсайдер
Агродроны облетают российские поля Агродроны облетают российские поля

Как БПЛА помогают сельхозпредприятиям экономить

Агроинвестор
В гармонии с природой В гармонии с природой

Загородный дом в экостиле с элементами неоклассики

SALON-Interior
Витаминный десант Витаминный десант

Самые важные витамины и минералы для женщин, которые помогают не болеть

Лиза
Так «бомж-пакет» или деликатес? 10 неожиданных фактов о лапше быстрого приготовления Так «бомж-пакет» или деликатес? 10 неожиданных фактов о лапше быстрого приготовления

Чего вы не знали о лапше быстрого приготовления

ТехИнсайдер
«Я — скорость»: 20 невероятно быстрых автомобилей, которых запретили допускать к соревнованиями «Я — скорость»: 20 невероятно быстрых автомобилей, которых запретили допускать к соревнованиями

Скоростные машины, которые опасно допускать до соревнований

ТехИнсайдер
Синяя акула выжила с пробитой меч-рыбой головой Синяя акула выжила с пробитой меч-рыбой головой

Первый случай, когда синюю акулу пронзила меч-рыба, и она выжила

N+1
Что такое овершеринг: причины этого явления и способы с ним справиться Что такое овершеринг: причины этого явления и способы с ним справиться

Почему некоторые люди склонны рассказывать о себе слишком много?

Psychologies
Азбучные неистины Азбучные неистины

Перечислим несколько «азбучных истин» из учебников, опровергнутых временем

Вокруг света
Сергиев Посад Сергиев Посад

Сергиев Посад и его доминанта — Свято-Троицкая Сергиева лавра

КАНТРИ Русская азбука
К чему снятся крысы: толкование образа по сонникам и мнение психолога К чему снятся крысы: толкование образа по сонникам и мнение психолога

Процветание и изобилие или предательство и подлость — к чему снятся крысы?

Psychologies
Андрей Пискунов: «Караван ESG, несмотря ни на что, идет вперед» Андрей Пискунов: «Караван ESG, несмотря ни на что, идет вперед»

Как IT-компании учатся быть устойчивыми и почему финансовый сектор не «зеленеет»

РБК
Групповая терапия помогла отцам с послеродовой депрессией Групповая терапия помогла отцам с послеродовой депрессией

Групповая терапия помогла отцам с послеродовой депрессией

N+1
Раскрывая тайны судьбы социолога Раскрывая тайны судьбы социолога

Архивные документы о жизни и творчестве социолога Николая Андреева

Санкт-Петербургский университет
7 типов «мамочек», которые раздражают всех в родительских чатах 7 типов «мамочек», которые раздражают всех в родительских чатах

Кто бесит в родительских чатах больше всего?

Psychologies
Неизбывность сюжетов и снега: как прошел фестиваль «Маяк» Неизбывность сюжетов и снега: как прошел фестиваль «Маяк»

О программе фестиваля актуального российского кино «Маяк»

РБК
«БРИКС изначально представляла себя наиболее сильной незападной стороной» «БРИКС изначально представляла себя наиболее сильной незападной стороной»

Оправдает ли БРИКС надежды глобального Юга?

Монокль
Не кошкин дом: как спасают животных на стройках и в зонах реконструкции Не кошкин дом: как спасают животных на стройках и в зонах реконструкции

Можно ли гуманно справиться с проблемой бездомных животных в России?

Forbes
Почему капитанский мостик находится в корме, если с носа обзор лучше Почему капитанский мостик находится в корме, если с носа обзор лучше

Где должен быть установлен капитанский мостик — на корме или на носу корабля?

ТехИнсайдер
Как устроено женское сексуальное желание Как устроено женское сексуальное желание

Женщина может испытывать возбуждение, но не хотеть секса. Это нормально

Psychologies
Рассеянный склероз повысил риск развития рака мочевого пузыря и матки Рассеянный склероз повысил риск развития рака мочевого пузыря и матки

С рассеянным склерозом имеется повышенный риск рака мочевого пузыря и матки

N+1
Завезенные в Великобританию эскулаповы полозы предпочли жить по соседству с людьми Завезенные в Великобританию эскулаповы полозы предпочли жить по соседству с людьми

Эскулаповы полозы выживают в Британии только благодаря людям

N+1
Владимир Гостюхин: «В советском кино ни одни съемки не обходились без романа» Владимир Гостюхин: «В советском кино ни одни съемки не обходились без романа»

«На съемках всегда особая атмосфера. В «Оттепели» это хорошо показано»

Коллекция. Караван историй
Палеонтологи описали жившую по соседству с тираннозаврами хищную птицу Палеонтологи описали жившую по соседству с тираннозаврами хищную птицу

Энанциорнис Avisaurus darwini достигал размеров ястреба и хватал добычу лапами

N+1
«Режиссер всегда прежде всего режиссер» «Режиссер всегда прежде всего режиссер»

Федор Бондарчук об индустрии кино и о том, как сделать сказку былью

Правила жизни
Мужчины с высоким интеллектом надежнее при долгосрочных отношениях Мужчины с высоким интеллектом надежнее при долгосрочных отношениях

Как уровень интеллекта влияет на романтические отношения у мужчин?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении