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

(Не)уязвимый лес (Не)уязвимый лес

Что грозит лесным массивам России

Санкт-Петербургский университет
Курсовая работа: как выпускники психфака создали заметную школу data science Курсовая работа: как выпускники психфака создали заметную школу data science

Онлайн-школа karpov.courses начиналась как pet-проект выпускников психфака

Forbes
Игорь Бутман — о Московском джазовом оркестре и предстоящем туре Игорь Бутман — о Московском джазовом оркестре и предстоящем туре

Саксофонист Игорь Бутман — о современной музыке и ювелирном искусстве

РБК
Переславль-Залесский: Личный опыт Переславль-Залесский: Личный опыт

Отправляясь в Переславль-Залесский, закиньте в авто доску для серфинга!

КАНТРИ Русская азбука
Моторный допинг: как велоспортсмены незаконно «прокачивают» свой байк Моторный допинг: как велоспортсмены незаконно «прокачивают» свой байк

Допинг в велоспорте: не только для спортсменов, но и для их байков

ТехИнсайдер
Квазипериодические рентгеновские вспышки вновь связали с событиями приливного разрушения Квазипериодические рентгеновские вспышки вновь связали с событиями приливного разрушения

Астрономы обнаружили девять квазипериодических рентгеновских вспышек

N+1
Что такое думспендинг и почему люди тратят деньги на ненужные и бессмысленные вещи Что такое думспендинг и почему люди тратят деньги на ненужные и бессмысленные вещи

Думспендинг: что это за способ борьбы со стрессом и чем он опасен?

Forbes
«Не отрекаются любя»: 5 популярных ретропесен, в которых поется о нездоровых отношениях «Не отрекаются любя»: 5 популярных ретропесен, в которых поется о нездоровых отношениях

Далеко не все ретропесни имеют позитивный, с точки зрения психологии, посыл

Psychologies
Что такое «мышечный узел» Что такое «мышечный узел»

Существуют ли в мышцах реальные узлы?

ТехИнсайдер
Придет серенький волчок Придет серенький волчок

Действительно ли ночные кошмары и лунатизм так опасны, как мы думаем?

Лиза
Легенда №17 Легенда №17

Из чего состоят рутинные дела главы республики Тува

Men Today
«Фильмы и сериалы о психотерапии могут многое рассказать о нас самих» «Фильмы и сериалы о психотерапии могут многое рассказать о нас самих»

Почему нам так интересны истории и фильмы, связанные с психотерапией?

Psychologies
«Америка и век джаза». Отрывок из книги композитора Эндрю Ганта «Америка и век джаза». Отрывок из книги композитора Эндрю Ганта

Как появился джаз в Америке?

СНОБ
Ярославль Ярославль

Что должно быть в вишлисте туриста, решившего посетить Ярославль?

КАНТРИ Русская азбука
Родитель своим родителям: что делать, если в семейной системе нарушены роли Родитель своим родителям: что делать, если в семейной системе нарушены роли

Знакома ли вам ситуация, когда ребенок в семье занимает место взрослого?

Psychologies
Как перестать бояться того, что родители стареют: 5 шагов Как перестать бояться того, что родители стареют: 5 шагов

Как побороть страх перед родительской старостью?

Psychologies
«В реальности жести побольше» «В реальности жести побольше»

Зака Абдрахманова о своем дебюте «Папа умер в субботу»

Weekend
Буржуйка в изразцах Буржуйка в изразцах

Изразцы Ярославля как источник вдохновения для строительства печки на своей даче

КАНТРИ Русская азбука
Что прочитать, чтобы начать жизнь заново и поверить в себя: 3 бестселлера Что прочитать, чтобы начать жизнь заново и поверить в себя: 3 бестселлера

Книги, которые помогут по-новому взглянуть на то, что у нас уже есть сейчас

Psychologies
По следам ушедшей эпохи По следам ушедшей эпохи

Реконструкция уникальной исторической квартиры в стиле ар-нуво

SALON-Interior
Нефтяные качели Нефтяные качели

Что происходит с ценой на углеводороды

Деньги
Александр Горчилин — о неснятых сценариях и сложных периодах Александр Горчилин — о неснятых сценариях и сложных периодах

Как актер Александр Горчилин оказался в центре конструктивизма

РБК
Необычайные приключения одной теории Необычайные приключения одной теории

Почему теория Дарвина не дает покоя стольким умам, профессиональным и досужим?

Знание – сила
Вопрос цены Вопрос цены

Как формируются индексы сырьевых товаров

Деньги
Раскрывая тайны судьбы социолога Раскрывая тайны судьбы социолога

Архивные документы о жизни и творчестве социолога Николая Андреева

Санкт-Петербургский университет
От Джона Леннона до королевы Елизаветы: 10 знаменитых кадров фотографа Энни Лейбовиц От Джона Леннона до королевы Елизаветы: 10 знаменитых кадров фотографа Энни Лейбовиц

10 лучших снимков американского фотографа Энни Лейбовиц

Forbes
Памятка правильного хранения одежды: какие вещи нужно складывать, а какие — вешать Памятка правильного хранения одежды: какие вещи нужно складывать, а какие — вешать

Можно ли продлить сроки службы вашей одежды?

ТехИнсайдер
Богатство не для всех Богатство не для всех

Почему в мире растет разрыв в доходах

РБК
Как написаны «Старосветские помещики»: отрывок из книги Как написаны «Старосветские помещики»: отрывок из книги

Отрывок из книги «Базаров порезал палец»

СНОБ
Вирусы: из врагов в союзники Вирусы: из врагов в союзники

Новые методы борьбы с онкологическими заболеваниями

Наука и техника
Открыть в приложении