Озоновый слой и его анализ¶
Озон — аллотропная модификация кислорода, молекула которой состоит из трёх атомов (O₃). В природе он сосредоточен преимущественно в стратосфере на высоте 15—35 км, образуя озоновый слой, защищающий биосферу от ультрафиолетового излучения Солнца. Анализ озона — это комплекс методов измерения концентрации, распределения и динамики озонового слоя, а также озоновых загрязнений в приземном слое атмосферы. Результаты таких измерений используются для мониторинга состояния стратосферы, оценки воздействия антропогенных выбросов и контроля качества воздуха в городах.
¶История изучения
Озон был открыт в 1839 году немецким химиком Христианом Шёнбейном, который обнаружил его характерный запах при электролизе воды. В 1859 году французский физик Анри Беккерель предположил, что солнечное излучение порождает в верхних слоях атмосферы вещество, поглощающее ультрафиолет. В 1913 году французские учёные Шарль Фабри и Анри Бюиссон впервые получили спектр озона и подтвердили его присутствие в атмосфере.
Регулярные измерения озонового слоя начались в середине XX века. В 1956 году в Антарктиде была развёрнута британская станция «Хэли-Маре» (Halley Bay), где Джозеф Фарман и его коллеги в 1985 году зафиксировали резкое сезонное снижение концентрации озона — так называемую «озоновую дыру». Этот результат стал одним из ключевых аргументов в пользу ограничения производства фреонов, что привело к подписанию Монреальского протокола в 1987 году.
¶Методы анализа
¶Спутниковые методы
Основу глобального мониторинга озонового слоя составляют спутниковые измерения. Спутники «Томсон» (TOMS) НАСА работали с 1978 по 2009 год и обеспечили непрерывный ряд данных о распределении озона по земной поверхности. В настоящее время данные поставляют аппараты «Аура» (Aura, с 2004 года) с прибором MLS, а также европейские метеорологические спутники серии «Метеосат» и «Метоп» с прибором GOME-2. Спутники измеряют озон методом обратного рассеяния ультрафиолетового излучения и методом поглощения солнечного излучения атмосферой.
¶Наземные измерения
Наземная сеть включает несколько типов станций:
- Добсоновские спектрометры — измеряют содержание озона по поглощению ультрафиолетового излучения Солнца в атмосфере. Единица измерения — единицы Добсона (DU), где 1 DU соответствует слою озона толщиной 0,01 мм при нормальных условиях. Нормальное содержание озона в вертикальном столбе — около 300 DU.
- Брюстеровские поляриметры — работают на том же принципе, но измеряют поляризацию рассеянного света.
- Лидары — активные лазерные системы, измеряющие профиль концентрации озона по высоте с высоким вертикальным разрешением.
- Озонзонды — приборы, поднимаемые на метеорологических шарах, измеряющие концентрацию озона вплоть до высоты 30—35 км.
¶Анализ приземного озона
Приземный (тропосферный) озон является вторичным загрязнителем — он образуется в результате фотохимических реакций с участием оксидов азота, летучих органических соединений и солнечного света. Измерения проводятся с помощью ультрафиолетовых фотометров, хемилюминесцентных анализаторов и переносных газоанализаторов. В России контроль приземного озона осуществляется в рамках государственного мониторинга атмосферного воздуха; предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в России составляет 0,16 мг/м³ (максимально разовая) и 0,07 мг/м³ (среднесуточная).
¶Результаты наблюдений
Данные спутниковых и наземных измерений показывают, что с начала 1990-х годов глобальное содержание озона в стратосфере снизилось примерно на 3—5 % по сравнению с уровнем 1980-х годов. В полярных регионах падение было значительно глубже — до 60—70 % в сезон озоновой дыры. По оценкам Всемирной метеорологической организации, полное восстановление озонового слоя на прежний уровень ожидается к 2066 году в Антарктике, к 2045 году в Арктике и к 2040 году в остальных регионах.
¶Значение
Результаты анализа озона легли в основу международных соглашений по охране стратосферного озона — Венской конвенции (1985) и Монреальского протокола (1987) с последующими поправками. Мониторинг продолжается в рамках Глобальной системы наблюдений за озоном (GAW) Всемирной метеорологической организации, объединяющей сотни станций по всему миру. В России наблюдения ведутся на станциях Росгидромета, в том числе на полярных станциях в Арктике и Антарктике.
Источники:
- Всемирная метеорологическая организация. Scientific Assessment of Ozone Depletion
- Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой
- NASA Ozone Watch
- Росгидромет. Государственный мониторинг атмосферного воздуха