Ученые подробно описали цепочку химических реакций, происходящих при попадании дыма в стратосферу
Летом 2019–2020 годов в Австралии в результате лесных пожаров образовались высокие столбы дыма (на фото), которые поднялись в стратосферу и вступили в реакцию с озоновым слоем Земли.
Новое исследование показало, что возвышающиеся облака дыма, выпущенные в стратосферу свирепыми лесными пожарами, могут разъедать озоновый слой Земли благодаря мощной смеси дыма, атмосферной химии и ультрафиолетового света.
В конце 2019 и начале 2020 года небо Австралии почернело из-за густых столбов дыма от лесных пожаров, которые достигли стратосферы. Впоследствии спутниковые данные показали, что дым каким-то образом реагировал с атмосферными молекулами, разрушая озоновый слой Земли (SN: 17.03.22). Но как именно это происходило, было неясно.
Теперь ученые собрали кусочки этой химической головоломки. По словам команды, оказавшись в стратосфере, частицы дыма смогли взаимодействовать со стратосферными газами, а также с затяжными выбросами озоноразрушающих химических веществ. Добавьте к этому солнечную радиацию, и это дымное варево произвело радикалы хлора, тип химического вещества, способного атаковать озон, сообщают исследователи в журнале Nature от 9 марта.
По оценкам исследователей, эта серия событий привела к истощению от 3 до 5 процентов озонового слоя в некоторых частях Южного полушария в 2020 году. Это небольшая часть от общего числа, но она соперничает с масштабами воздействия антропогенных выбросов поглощающих озон хлорфторуглеродов в период их расцвета, говорит атмосферный химик Массачусетского технологического института Сьюзен Соломон.
Когда-то хлорфторуглероды использовались в кондиционерах и холодильниках, но их выброс в атмосферу привел к тому, что над Антарктидой в защитном озоновом слое Земли образовалась большая дыра, которая ограничивает количество солнечного ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности планеты.
В новом исследовании Соломон и ее коллеги сравнили атмосферные наблюдения за хлором, озоном и другими молекулами после лесных пожаров в Австралии с моделированием химии атмосферы. Спутники измерили содержание определенных химических веществ в стратосфере в 2020 году — не только озона, но также газообразного хлороводорода и нитрата хлора, среди прочих. Эти уровни привлекли внимание Соломона.
«То, что мы видели над Австралией, было огромным падением уровня хлористого водорода», — говорит Соломон. «Я подумал, черт возьми, это похоже на Антарктиду. Как такое может происходить над Австралией?»
Газообразный хлористый водород является продуктом распада хлорфторуглеродов, который может десятилетиями сохраняться в стратосфере. Холодная среда над Антарктидой была ключевой частью образования озоновой дыры, потому что при таких температурах газообразный хлористый водород может растворяться в ледяных облаках, путешествующих через стратосферу. Поглощение этого газа необходимо для запуска цепочки реакций, в результате которых образуются химические вещества, разрушающие озоновый слой.
Атмосфера над Австралией слишком теплая для этого процесса, но спутниковые данные показали, что что-то все еще удаляет газообразный хлористый водород из атмосферы. Соломон и ее команда поняли, что виноваты органические частицы в дыме. Эти частицы могут поглощать газообразный хлористый водород даже при более высоких температурах, запуская этот важный первый шаг.
С поглощенным хлористым водородом частицы дыма могут действовать как катализаторы, помогая ускорить другие реакции в атмосфере. В частности, частицы усиливают превращение других хлорсодержащих газов, плавающих в стратосфере, таких как нитрат хлора и хлорноватистая кислота, в соединения хлора, которые очень реагируют на солнечный свет.
Смешивание солнечного ультрафиолетового излучения с этими новыми соединениями хлора приводит к образованию радикалов хлора, свободно вращающихся молекул, которые чрезвычайно химически реактивны и особенно любят атаковать молекулы озона.
По словам Соломона, обнаружение этого процесса разрушения озона, связанного с лесными пожарами, является тревожной потенциальной неудачей в восстановлении озонового слоя. Монреальский протокол 2010 года запрещает использование хлорфторуглеродов, и этот акт оказался обнадеживающе успешным в сокращении озоновой дыры над Антарктидой (SN: 2/10/21). С тех пор озоновый слой демонстрировал признаки восстановления, увеличиваясь примерно на 1 процент за десятилетие, говорит она.
Однако дым от лесных пожаров в Австралии более или менее «уничтожил всю эту тяжелую работу» за год, добавляет Соломон.
Ожидается, что изменение климата повысит интенсивность и частоту лесных пожаров по всему миру, поднимая в небо еще больше высоких огненных облаков (SN: 15/12/20). Соломон говорит, что если эти пожары «являются одноразовой сделкой, то, возможно, это не так уж плохо» для восстановления озона. «Но если это происходит каждые пять лет, это совсем другое дело».
Исследование элегантно объясняет несколько загадочных спутниковых наблюдений, сделанных после австралийских пожаров, говорит Росс Салавич, атмосферный химик из Университета Мэриленда в Колледж-Парке, который не участвовал в работе. По его словам, это объясняет падение содержания хлористого водорода, а также странное увеличение содержания других соединений хлора, таких как нитрат хлора и оксид хлора.
Но «вишенкой на торте», говорит Салавич, является то, как открытие роли органических частиц может улучшить наше понимание того, что контролирует размер озоновой дыры. Это важно не только потому, что мы хотим получить правильные детали, говорит он, но и потому, что «одним из печальных последствий глобального потепления, вероятно, является увеличение частоты и силы лесных пожаров».
