В весенних климатических аномалиях Северного полушария обвинили арктическую озоновую дыру

Marina Friedel et al. / Nature Geoscience, 2022

Климатологи исследовали с помощью модельных экспериментов связь между периодически наблюдаемым весенним истощением озонового слоя над Арктикой и состоянием климата в Северном полушарии. Оказалось, что экстремальное снижение концентрации озона в арктической стратосфере влечет за собой аномалии температуры и количества осадков над большей частью Евразии. Об исследовании сообщает статья в Nature Geoscience.

За распад озона в атмосфере Земли помимо фотолиза под действием солнечного ультрафиолета ответственны несколько каталитических циклов: азотный, водородный, хлорный (галогеновый). Значимость последнего возросла с конца 1970-х годов из-за антропогенных выбросов озоноразрушающих веществ — хлорфторуглеродов и бромсодержащих производных насыщенных углеводородов. Они сдвинули равновесие озон-кислородного цикла в сторону снижения концентрации озона. После вступления в силу в 1989 году Монреальского протокола выбросы этих вредных соединений удалось ограничить, благодаря чему содержание озона стало восстанавливаться в полярных регионах, где разрушение этого газа происходит наиболее интенсивно.

Сильнее всего истощение озонового слоя выражено над Антарктикой, где этому процессу способствуют специфические условия. Здесь стабильный полярный вихрь мешает естественному притоку озона, а при экстремально низких температурах и малой высоте тропопаузы формируются полярные стратосферные (так называемые перламутровые) облака. Поверхность ледяных частиц в них катализирует разрушающие озон реакции с участием галогенсодержащих веществ. Минимум концентрации озона приходится на время сразу после полярной ночи, когда начинает действовать фотолитический цикл.

Аналогичные явления происходят и в арктическом регионе, хотя из-за различий в характере атмосферной циркуляции (полярный вихрь здесь значительно менее устойчив, а температуры выше) они выражены слабее, чем в Антарктике. В то время как связь между состоянием антарктической озоновой дыры и изменениями сезонных климатических условий в Южном полушарии активно исследуется уже давно (1, 2), для Арктики этот вопрос все еще остается малоизученным. Известно, что низкие весенние концентрации озона здесь сопровождаются аномалиями, соответствующими положительной фазе Арктической осцилляции, при которой преобладают повышенные температуры.

Для прояснения характера связи между этими явлениями группа исследователей из США и Швейцарии во главе с Мариной Фридель (Marina Friedel) из Института изучения атмосферы и климата в Цюрихе проанализировала данные наблюдений за состоянием арктического (от 60 до 90 градусов северной широты) озонового слоя и колебаниями температуры и уровня осадков на протяжении четырех десятилетий — с 1980 по 2020 год. Ученых интересовало, насколько климатические аномалии зависят от колебаний озон-кислородного цикла и не являются ли эти колебания лишь пассивным индикатором динамических процессов в нижней стратосфере. Расчет весеннего минимума концентрации озона производился по парциальному давлению для высот с атмосферным давлением от 70 до 30 гектопаскалей на основе усредненных данных о суточных концентрациях этого газа.


Ученые установили, что в течение 30 дней после даты минимума в большинстве случаев происходил явный сдвиг в сторону наступления положительной фазы Арктической осцилляции со средним значением 0,52. Индекс Арктической осцилляции показывает разницу между давлением в средних и полярных широтах. Если он положителен, эта разница велика, и в средние широты не проникает холодный арктический воздух, а западный воздушный перенос устанавливает на континентах Северного полушария более теплые условия. Оказалось, что спустя месяц после озонового минимума большей частью Евразии, включая Сибирь, наблюдалось потепление в среднем на два градуса, а над Западной Европой — на один градус. Кроме того, в средних широтах в Евразии уменьшилось количество осадков, а ближе к полюсу, в том числе на севере Европы — наоборот, возросло.


С помощью модельных экспериментов авторы исследования сумели выделить эффекты весеннего истощения озонового слоя среди других факторов атмосферной динамики. Используя две независимые глобальные химико-климатические модели — WACCM4 и SOCOL-MPIOM — ученые выполнили в каждой из них моделирование в трех вариантах: с возможностью произвольного введения данных по озону, с заданными ежедневными значениями трехмерного распределения концентрации и с заданными средними зональными параметрами озонового слоя. В первом варианте озон может быть исследован во взаимодействии с солнечной радиацией и выступает как активный климатический фактор; два последних варианта рассматривают его лишь как индикатор климатических событий.

Все варианты моделирования подтвердили корреляцию между озоновыми минимумами и наблюдаемыми сезонными аномалиями атмосферного давления на уровне моря, температуры и осадков. Кроме того, в обеих независимых моделях, выполненных с учетом воздействия озона на климатическую ситуацию (то есть по первому варианту), сезонные климатические аномалии получились более выраженными и близкими к наблюденным. Так, температуры в Евразии оказались выше на градус, а давление над полюсом — ниже на четыре гектопаскаля, чем в моделях с заданными параметрами. Среднее значение индекса Арктической осцилляции составило 0,50 — также очень близко к данным наблюдений.


Исходя из различий в результатах моделирования, Фридель и ее коллеги пришли к выводу о том, что весеннее истощение озонового слоя активно влияет на климатическую обстановку в Северном полушарии. Исследователи предложили и объяснение механизма, по которому потеря озона вызывает аномалии. Она приводит к падению поглощения солнечной радиации в нижней стратосфере и ее похолоданию. Из-за этого существование полярного вихря продлевается, а скорость ветра в нижней стратосфере растет. В результате возрастает и разница давлений в средних и полярных широтах, то есть наступает положительная фаза Арктической осцилляции, несущая относительное потепление в Евразию. Кроме того, холодный полярный вихрь сопровождается положительными температурными аномалиями в верхней стратосфере. Когда солнечная радиация попадает в арктический регион и вихрь начинает ослабевать, эти аномалии спускаются в нижнюю стратосферу и способствуют сокращению арктической озоновой дыры.


Фридель с коллегами уверены, что включение данных мониторинга концентрации озона будет способствовать повышению возможностей предсказания климатической обстановки. Несмотря на прогнозируемое восстановление озонового слоя в Арктике, в будущем его эпизодические сезонное истощение не прекратится, а значит, арктический озон будет продолжать играть значимую роль в изменчивости климата.

Ранее N + 1 неоднократно сообщал об исследованиях, посвященных озону в атмосфере Земли. Мы рассказывали о том, как супервулкан Тоба истощил озоновый слой 74 тысячи лет назад и нанес вред обитателям тропических широт, и о том, что меры, предусмотренные Монреальским протоколом, позволят избежать глобального потепления на один градус к концу XXI века. А вот в начале следующего столетия главным источником выбросов такого озоноразрушающего вещества, как трихлорфторметан, по прогнозам ученых, станет океан.

Винера Андреева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.