Хотя озонный слой лежит на высоте десятков километров, его успешно изучают и с поверхности Земли. Такие измерения проводятся, в частности, почти в центре Москвы – в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН). О том, как исследовать атмосферный озон, находясь в комнатных условиях, рассказывает заведующий Лабораторией спектроскопии миллиметровых волн ФИАН Сергей Борисович Розанов.

    – Сергей Борисович, как проводятся сегодня озонные измерения?

    – В определённый момент люди осознали, что атмосферный озон защищает жизнь на Земле от биологически активного излучения Солнца и что сохранять его жизненно важно, а для этого нужно регулярно контролировать его содержание в атмосфере.

    Сейчас делать это можно двумя способами: напрямую (там, где находится прибор или датчик) или дистанционно, регистрируя излучение (самих молекул озона либо рассеянное/поглощённое озоном излучение внешнего источника) в разных диапазонах волн, от ультрафиолетового до миллиметрового.

    По рассеянию/поглощению озоном солнечного света в оптическом или УФ-диапазонах измеряют общее содержание этого газа в атмосфере. Тут основную роль играют наземные и спутниковые оптические спектрометры.

    Исследовать озон детальнее (в частности, содержание и изменение газа на разных высотах) помогает анализ его вертикального распределения, который проводят с помощью летательных аппаратов – самолётов, аэростатов, ракет, спутников – или с поверхности Земли. Мы проводим измерения вертикального распределения озона, регистрируя его излучение на миллиметровых волнах непосредственно в здании ФИАН на Ленинском проспекте.

    – А чем для озонометрии привлекательны миллиметровые волны?
    – Наземные измерения на этих волнах замечательны тем, что мы можем исследовать широкий диапазон высот – от нижней стратосферы (около 15 км) до верхней атмосферы, до области мезопаузы (80-90 км). Наблюдения можно проводить круглосуточно. А ещё ММ-волны рассеиваются и поглощаются в атмосфере намного меньше, чем оптическое излучение, поэтому измерения можно проводить почти при любых погодных условиях (в облачную погоду, снегопад и т.п.).

    – Как озонометрия развивалась в вашей лаборатории?

    – В середине 80-х годов под руководством проф. А.Е. Саломоновича и д.ф.-м.н. С.В. Соломонова была создана высокочувствительная спектральная аппаратура, и с 1987 г. сотрудниками Лаборатории спектроскопии ММ волн в содружестве с Лабораторией космической радиоспектроскопии АКЦ ФИАН (рук. проф. Р.Л. Сороченко) с помощью этой аппаратуры были начаты наблюдения озона в г. Пущино, в Радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН. Для наблюдений была выбрана спектральная линия озона с частотой 142,2 ГГц (длина волны 2,1 мм). начиная с 1996 г., исследования озона были продолжены в Москве, с помощью размещенного в ФИАН спектрометра-озонометра третьего поколения. Все эти работы были поддержаны директором Отделения оптики, член-корр. РАН И.И. Собельманом.

    – Как проводятся измерения?

    – Основной инструмент – разработанный в ФИАН спектрометр ММ-диапазона. С его помощью мы регистрируем тепловое излучение атмосферы на частотах выбранной спектральной линии озона и по форме спектра определяем вертикальное распределение озона в атмосфере. Необходимые при этом сведения о температуре и давлении атмосферы на разных высотах над Москвой мы получаем из Британского центра атмосферных данных.

    Измерения проводятся так. Мы открываем окно лаборатории, и излучение атмосферы, проходя через тонкую радиопрозрачную плёнку (она сохраняет в комнате постоянную температуру, важную для стабильной работы озонометра), попадает на антенну. В приёмнике излучение преобразуется по частоте, усиливается и поступает в анализаторы спектра, данные с которых обрабатываются в компьютере.

    Время измерения единичного спектра (обычно около 3 минут) и количество измеряемых спектров (обычно – 20) задаются оператором. Дальше спектры суммируются с учётом поглощения излучения озона в парах воды в тропосфере. Наконец, с помощью специальных математических методов рассчитывается вертикальное распределение озона.

    Сейчас мы также проводим испытания нового передвижного озонометра. В нём используются дополняющие друг друга акустооптический и фильтровой анализаторы спектра. С этим озонометром мы работаем не только днём, но и ночью. Ночные наблюдения особенно интересны, потому что на больших высотах содержание озона заметно увеличивается именно ночью. Так что несколько ночей мы уже провели за такими наблюдениями.

Передвижной озонометр ММ-диапазона (на фото слева).
Фото предоставлено С.Б. Розановым

    – Много лет обсуждается опасность разрушение озонного слоя. Занимаетесь ли вы этой проблемой?
    – Да, занимаемся. В наших работах мы  изучаем изменения содержания озона в стратосфере над Москвой за последние 20 лет. Так, мы обнаружили аномальные понижения уровня озона в стратосфере, в т.ч. в наиболее чувствительных к техногенным загрязнениям хлором верхних слоях стратосферы. Наиболее опасно для здоровья москвичей истощение озонного слоя в весенние месяцы. Одно из таких событий произошло весной 2011 года, когда была впервые обнаружена арктическая озонная дыра, сопоставимая по степени истощения озона с антарктической. При смещении этой аномалии к Европе содержание озона в стратосфере над Москвой значительно снизилось.   

    Более активно мы приступим к этой проблеме, когда доделаем ещё один прибор. Практически тем же методом, что и «озонный» спектрометр, он будет измерять содержание окиси хлора над Москвой. Мы хотим одновременно определять концентрацию озона и озоноразрушающей окиси хлора, чтобы лучше понять роль последней в том истощении озона, которое мы часто видим зимой^[1].

    – Связана ли Ваша работа с измерениями загрязнения воздуха, которые время от времени упоминаются в СМИ?

    – Мы контактировали с организациями, которые этим занимаются. Измерения проводит Мосэкомониторинг.  Однако они интересуются приземными слоями воздуха, в то время как мы делаем упор на изучение озона в стратосфере и стратосферной погоды.

    Вместе с тем, изменения и аномальные явления в озонном слое влияют на климат. Поэтому получаемые в ФИАН результаты мониторинга озона нужныдля развития климатических моделей, для прогнозирования изменений климата.

    – В каком состоянии сейчас находится озонный слой?

    – Прогнозы вроде бы благоприятные. Начиная с 1980 года содержание озона начало заметно убывать и к 2000-м годам уменьшилось примерно на 3,5 % (в Южном полушарии – из-за потерь озона в антарктических озоновых дырах – примерно на 5-6 %, в Северном полушарии поменьше, около 3 %). Многочисленные измерения, проводимые Всемирной метеорологической организацией, показывают, что в глобальном масштабе мы, видимо, уже прошли минимум. Разрушение озонного слоя замедлилось, и, похоже, наметилась тенденция к его восстановлению – правда, со скоростью на уровне 1 % за десятилетие (хотя есть разногласия по вопросам надёжности этих данных).

    – С чем Вы связываете наметившуюся положительную тенденцию?
    – Пожалуй, прежде всего, мы обязаны этим Венской конвенции по охране озонного слоя и Монреальскому протоколу, принятым в 1980-х годах. То, что человечество так организованно утвердило эти соглашения, сейчас даёт свои результаты. Вообще, защита озонного слоя оценивается многими как одно из самых успешных действий ООН за все годы её существования. Тот редкий случай, когда учёные, политики, промышленники объединились, ответственно подошли к проблеме и быстро приняли меры.

       Конечно, есть трудности, и есть страны, в которых производство пока «завязано» на некоторые озоноразрушающие вещества, но наиболее опасные вещества постепенно заменяются более безопасными. Всё это сейчас ещё делается с учётом того, не будут ли эти заменители усугублять парниковый эффект. Это другая большая проблема, и здесь тоже нужны согласованные действия^[2].

Беседовала О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-информ»

______________________________

[1]    Хлор и его производные относятся к главным разрушителям атмосферного озона, наряду с азотными и водородными соединениями. При этом циклы разрушения идут каталитически, то есть «по кругу». Один атом хлора, оказавшийся в стратосфере, может разрушить несколько сотен молекул озона, превращаясь в окись хлора, затем обратно в хлор. К тексту

[2]    По условиям принятого на недавнем климатическом саммите в Париже соглашения, человечество должно «как можно скорее достичь глобального пика выбросов парниковых газов» и впоследствии интенсивно их сокращать, чтобы во второй половине столетия прийти к балансу газов, выбрасываемых в атмосферу и поглощаемых естественным путём. К тексту