Разрушение озонового слоя Земли началось значительно раньше, чем считалось до сих пор. К такому выводу пришли учёные Массачусетского технологического института (MIT), которые с помощью современных методов моделирования атмосферы восстановили события прошлого столетия. Согласно результатам исследования, первые признаки антропогенного истощения озона могли появиться уже в 1957 году — почти за три десятилетия до открытия знаменитой антарктической озоновой дыры в 1985 году.
Озоновая дыра над Антарктидой была обнаружена в середине 1980-х годов после того, как учёные зафиксировали резкое уменьшение концентрации стратосферного озона, защищающего Землю от опасного ультрафиолетового излучения. Позднее было установлено, что основной причиной этого стали хлорфторуглероды (CFC) — промышленные вещества, широко применявшиеся в холодильной технике, кондиционерах, аэрозольных баллончиках, производстве пеноматериалов и растворителей. Благодаря международным усилиям по отказу от этих соединений состояние озонового слоя постепенно улучшается, особенно над Антарктидой.
Авторы новой работы решили провести своеобразный мысленный эксперимент. Они задались вопросом, смогли бы учёные обнаружить первые признаки разрушения озонового слоя намного раньше, если бы в середине XX века уже существовали современные спутники, высокоточные приборы наблюдения и методы анализа атмосферы. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи под руководством атмосферного химика Сьюзен Соломон смоделировали химические процессы в атмосфере на протяжении всего прошлого века с использованием современных вычислительных моделей.
Расчёты показали, что первые достоверные признаки антропогенного разрушения озона стали бы заметны уже в 1957 году. Причём этот сигнал возник бы вовсе не над Антарктидой, а в верхней стратосфере над тропиками. Именно там естественные колебания содержания озона минимальны, поэтому влияние человеческой деятельности легче отличить от природного фона.
Ещё одним неожиданным открытием стало то, что причиной самого раннего разрушения озона оказались не хлорфторуглероды. Исследование показало, что первым веществом, вызвавшим заметное истощение озонового слоя, был четыреххлористый углерод — промышленный растворитель, который начали широко использовать ещё в 1930-х годах для химической чистки одежды и обезжиривания различных поверхностей.
Первый автор исследования, аспирант MIT Цзянь Гуань, отметил, что традиционно считается, будто именно хлорфторуглероды стали причиной разрушения озонового слоя. Однако моделирование показало существование другого соединения, которое начало оказывать негативное влияние значительно раньше. По словам исследователя, этот результат стал большой неожиданностью.
Не менее удивлена оказалась и Сьюзен Соломон — один из ведущих специалистов по изучению озонового слоя, которая в своё время первой доказала ключевую роль хлорфторуглеродов в разрушении антарктического озона. По ее словам, мысль о том, что разрушение озонового слоя могло начаться уже в конце 1950-х годов, полностью изменила ее представления о развитии этих процессов. Она подчеркнула, что полученные результаты демонстрируют необходимость продолжать постоянный мониторинг атмосферы, чтобы понимать, как она реагирует на деятельность человека и насколько успешно восстанавливается.
Озон представляет собой молекулу, состоящую из трёх атомов кислорода, которая естественным образом образуется в верхних слоях атмосферы. В стратосфере озоновый слой играет роль защитного экрана, поглощая значительную часть солнечного ультрафиолетового излучения и предотвращая его вредное воздействие на живые организмы.
В конце 1980-х годов после открытия озоновой дыры Соломон организовала научные экспедиции в Антарктиду для изучения состава стратосферы. Тогда учёные обнаружили неожиданно высокие концентрации диоксида хлора — соединения, появление которого свидетельствовало о разрушении озона свободными атомами хлора. Незадолго до этого химик Марио Молина предположил, что под действием солнечного излучения молекулы хлорфторуглеродов распадаются в стратосфере с высвобождением атомов хлора, которые затем разрушают молекулы озона. Именно работы Молины и исследования Соломон позволили окончательно доказать связь между хлорфторуглеродами и истощением озонового слоя. Впоследствии Молина стал одним из лауреатов Нобелевской премии по химии 1995 года.
Практически сразу после этого большинство стран мира подписали Монреальский протокол, предусматривающий постепенный отказ от озоноразрушающих веществ. Благодаря этому соглашению концентрации многих опасных соединений начали снижаться, а учёные уже фиксируют первые признаки восстановления озонового слоя.
В новой работе исследователи использовали 16 различных компьютерных моделей атмосферы, которые воспроизводили изменения химического состава воздуха на разных высотах и широтах. При расчётах учитывались как антропогенные факторы, так и природные процессы, включая извержения вулканов и климатическое явление Эль-Ниньо, которые также влияют на содержание озона. Это позволило определить диапазон естественных колебаний и отделить его от изменений, вызванных деятельностью человека.
Кроме статистики промышленного производства различных химических веществ за последние десятилетия учёные использовали данные ледяных кернов, извлечённых в Арктике и Антарктике. Эти многовековые слои льда сохраняют следы химического состава атмосферы прошлых эпох. Анализ ледяных кернов показал, что концентрация четыреххлористого углерода начала заметно увеличиваться уже в 1940-х годах, что хорошо согласуется с историей его промышленного использования.
После объединения данных компьютерного моделирования, архивной промышленной статистики и информации из ледяных кернов исследователи обнаружили, что устойчивый сигнал антропогенного разрушения озона действительно становится различимым уже в 1957 году. Хотя уменьшение содержания озона происходило по всему миру, наиболее отчётливо его можно было бы выявить именно в верхней стратосфере тропических широт благодаря минимальному уровню естественной изменчивости в этом регионе.
Авторы также подтвердили, что единственным озоноразрушающим веществом, концентрация которого росла настолько рано, был четыреххлористый углерод. Хлорфторуглероды начали широко применяться лишь значительно позже. Сам четыреххлористый углерод впоследствии был практически выведен из обращения во многих странах не только из-за его воздействия на озоновый слой, но и вследствие опасности для здоровья человека. При длительном воздействии он способен вызывать нарушения работы нервной системы и считается вероятным канцерогеном. После введения строгих ограничений в рамках Монреальского протокола в 1990-х годах его содержание в атмосфере постепенно снижается.
По мнению авторов исследования, новые результаты ещё раз подчёркивают необходимость продолжать наблюдения за концентрациями четыреххлористого углерода, хлорфторуглеродов и других озоноразрушающих веществ. Несмотря на прекращение их массового использования, многие из этих соединений способны сохраняться в атмосфере десятилетиями, поэтому постоянный мониторинг остаётся важной частью контроля за восстановлением озонового слоя Земли.
Исследование в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.