Многочисленные измерения малых составляющих атмосферы, таких как ClO, BrO, NO, H2O, N2O, в пределах антарктической весенней озонной дыры (или, другими словами, в пределах западного полярного стратосферного вихря) свидетельствуют о том, что в этой области химический состав значительно отличается от состава в других регионах, в частности в средних широтах. Это относится и к Н2О, и к хлорным и азотным составляющим.
Правомочным является вопрос, почему озонная дыра наблюдается весной в Антарктике и не наблюдается в Арктике. Как известно, озон в стратосфере образуется под действием солнечного излучения. В смысле солнечного излучения нет каких-либо различий в Арктике и Антарктике. Поэтому причину особого поведения озона в Антарктике надо искать в другом, а именно в самой атмосфере. Как мы уже знаем, на количество озона в приполярной области весной оказывает влияние полярный стратосферный вихрь. Он связан с особым распределением по широте стратосферной температуры.
Дело в том, что нижняя стратосфера южного полушария принципиально отличается от таковой в северном полушарии. Сильная зональная симметрия поверхностных условий в южном полушарии вызывает циркуляцию, которая намного более симметрична, нежели в северном полушарии. Она не разрушается под действием планетарных волн. Поэтому в южном полушарии воздух внутри полярного стратосферного вихря остается очень холодным и изолированным от воздушных масс других широт. Таким образом, особые метеорологические условия Антарктики в конце зимы и в начале весны способствуют образованию озонной дыры. Только «способствуют» потому, что озон разрушается хлорными примесями атмосферы, которые поступают сюда благодаря человеческой деятельности.
В Арктике, в отличие от Антарктики, такого стабильного, долго существующего стратосферного вихря нет. Его нет потому, что нет соответствующего распределения стратосферной температуры, а главное, нет столь низких температур, как в стратосфере Антарктики.
В южном полушарии нагрев атмосферы солнечным излучением играет более важную роль в сезонном изменении температуры и динамики атмосферы, нежели в северном полушарии. Это обусловлено тем, что в северном полушарии температура сохраняется выше этого значения, которое соответствует радиационному равновесию. Это возможно вследствие действия планетарных волн.
Раз в Арктике нет полярного устойчивого стратосферного вихря, то и нет препятствия на пути богатого озоном воздуха, который движется от средних широт к полярному региону. Этот воздух и приносит арктической весной долгожданный после зимы озон, и мы наблюдаем в Арктике весенний максимум количества озона в стратосфере. Таким образом, различие в изменении общего содержания озона в продолжение года в Арктике и Антарктике обусловлено разницей в сроках существования, а также интенсивности зимних стратосферных полярных вихрей в южном и северном полушариях.
Таким образом, потепление стратосферы весной в Арктике протекает не так, как в Антарктике. Зимой в Арктике очаг холода с температурами — 60–65оС располагается на высотах 15–30 км. Это по данным канадской станции Резольют-Бей. Летом очаг тепла в стратосфере распространяется сверху вниз, из верхней стратосферы в ее нижние слои. По мере этого распространения очаг тепла постепенно теряет свою интенсивность. Кроме того, он существенным образом деформируется и в нижней стратосфере. На высотах 10–17 км формируются отдельные прослойки с более высокой температурой. От них тепло распространяется к соседним с ними слоям. Это происходит при освещении атмосферы на этих уровнях солнечным излучением. В этих прослойках температура выше потому, что там больше озона, который и аккумулирует энергию солнечного излучения, поглощая ее. Толщина каждой теплой прослойки не более 1–2 км. Превышение температуры в них достигает 3–4оС. Этот эффект выражен наиболее ярко в апреле на высотах 12–14 км.
Последнее десятилетие наблюдается похолодание нижней стратосферы Арктики. Этот процесс наиболее сильно выражен в районе очагов холода. Один из таких очагов холода находится в Канаде, вблизи озонометрической станции Резольют-Бей. Это похолодание отражается в изменении стратосферного озона, о чем свидетельствуют также измерения озона на этой станции.
Хотя станция Резольют-Бей и расположена в очаге холода, температура в Антарктике зимой (ст. Сева) на целых 15–20оС ниже нуля, чем в Резольют-Бей. Летом имеет место обратная ситуация: в антарктической стратосфере летом теплее (примерно на 3–5оС), чем в арктической. Поэтому при переходе от очень низких температур зимой к более высоким температурам, чем в Арктике, в антарктической стратосфере ежедневное увеличение температуры значительно больше, чем в арктической. Это не может не отразиться на общем содержании озона, которое весной в Антарктике в 1,3–2 раза меньше (по данным ст. Сева), чем в Арктике (по данным станции Сева). На фоне этого быстрого роста температуры весной в Антарктике потепление нижней стратосферы в это время малозаметно. Но в Арктике, где весенний рост температуры меньше, это потепление нижней стратосферы четко регистрируется.
УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА
И ОЗОН
В видимой области спектра лежит примерно половина всей приходящей к земной поверхности солнечной энергии. Другая половина энергии сосредоточена в излучении со всеми другими длинами волн от радиоволн до гамма-лучей. На ультрафиолетовое излучение, достигающее поверхности Земли, приходится примерно 5 % всей энергии, проникающей через земную атмосферу. Ультрафиолетовое излучение Солнца принято делить в зависимости от длины волны на три участка (диапазона). Диапазон А включает ультрафиолетовое излучение с длинами волн меньше 400 и больше 320 нм. Диапазон В находится в пределах 320–280 нм, а диапазон С включает излучение с длинами волн от 280 до 200 нм. Энергия между диапазонами А и В распределена следующим образом. По измерениям в Великобритании в летний полдень освещенность на незатененной горизонтальной поверхности составляла примерно 40 Вт/м2 в ультрафиолетовом диапазоне А и менее чем 2 Вт/м2 в диапазоне В. Излучение в диапазоне С практически отсутствовало.
Нас интересует, как изменится ультрафиолетовое излучение, которое приходит к земной поверхности и действует на биосистемы (в том числе и на человека), в том случае, если количество озона в стратосфере уменьшится. В этом плане наибольший интерес представляет ультрафиолетовое излучение в диапазоне 320–280 нм (то есть тип В). Именно это излучение частично поглощается озоном, а частично достигает земной поверхности. Чем меньше будет озона в стратосфере, тем больше этого излучения будет проникать к земной поверхности. Что касается ультрафиолетового излучения в диапазоне С, то оно также поглощается озоном. Но тем не менее оно нас интересует мало, поскольку поглощается оно полностью и к земной поверхности вообще не приходит. Это поглощение настолько эффективно, что и в том случае, если количество озона в стратосфере значительно уменьшится, его будет достаточно, чтобы не пропустить к Земле это излучение.
Ультрафиолетовое излучение типа С получается искусственно. При воздействии на кожу и глаза человека оно вызывает неприятные ощущения, но ущерба здоровью практически не приносит. Это происходит потому, что это излучение очень эффективно поглощают верхние отмершие слои кожи и дальше внутрь ткани его не пропускают. На месте облучения остается только покраснение, не представляющее никакой опасности. Не приносят вреда и повторные облучения.
Что касается действия ультрафиолетового излучения на ткани глаз, то оно может вызвать воспаление роговой оболочки. Но поскольку к роговой оболочке его попадает мало (основная часть излучения поглощается покровными тканями глаза), то воспаление кратковременное.
Ультрафиолетовое излучение в диапазоне А озоном не поглощается. Поэтому не возникает проблемы изменения его интенсивности при уменьшении стратосферного озона. Правда, учитывать наличие радиации в диапазоне А необходимо, несмотря на то, что ее интенсивность не зависит от количества озона. Дело в том, что воздействие этого излучения на организм человека (и другие биосистемы) зависит от того, какое по интенсивности излучение имеется в диапазоне В. Другими словами, если будет расти излучение В (из-за уменьшения озона), то и эффективность действия радиации в диапазоне А (при той же интенсивности) может увеличиваться. Справедливости ради надо сказать, что биологическое действие ультрафиолетового излучения диапазона А изучено пока недостаточно. Кстати, если облучение этой радиацией сопровождается действием определенных химических веществ, то оно перестает быть безвредным для здоровья людей. При этом может возникать так называемая световая (фото) аллергия, а также активизированный фотоканцерогенез. Эксперименты показали, что когда мышей с привитыми немеланомными опухолями облучали умеренными дозами в течение 10 недель ультрафиолетом диапазона А, то интенсивность развития опухолей уменьшалась.