автор: Дженнифер Чу, Массачусетский технологический институт
Озон может быть агентом добра или вреда, в зависимости от того, где вы его найдете в атмосфере. Высоко в стратосфере бесцветный газ защищает Землю от жестких ультрафиолетовых лучей солнца. Но ближе к земле озон является вредным загрязнителем воздуха, который может вызывать хронические проблемы со здоровьем, включая боль в груди, затрудненное дыхание и нарушение функции легких.
А где-то посередине, в верхней тропосфере — слое атмосферы, расположенном непосредственно под стратосферой, где летает большинство самолетов, — озон способствует потеплению планеты как мощный парниковый газ.
Есть признаки того, что озон продолжает расти в верхней тропосфере, несмотря на усилия по сокращению его источников на поверхности во многих странах. Теперь ученые MIT подтверждают, что большая часть увеличения озона в верхней тропосфере, вероятно, связана с деятельностью человека.
В статье , опубликованной сегодня (2 августа) в журнале Environmental Science and Technology , группа сообщает, что они обнаружили четкий сигнал влияния человека на тенденции изменения озона в верхних слоях тропосферы в 17-летних спутниковых наблюдениях, начиная с 2005 года.
«Мы подтверждаем, что наблюдается четкая тенденция к росту верхнего тропосферного озона в северных средних широтах, что обусловлено деятельностью человека, а не климатическим шумом», — говорит ведущий автор исследования Синьюань Юй, аспирант кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института (EAPS).
«Теперь мы можем провести больше детективной работы и попытаться понять, какие конкретные виды деятельности человека приводят к этой тенденции изменения озонового слоя», — добавляет соавтор Арлин Фиоре, профессор кафедры наук о Земле, атмосфере и планетах имени Питера Х. Стоуна и Паолы Маланотте Стоун.
Авторами исследования из Массачусетского технологического института являются Себастьян Истхэм и Циндан Чжу, а также Бенджамин Сантер из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Густаво Корреа из Колумбийского университета, Жан-Франсуа Ламарк из Национального центра атмосферных исследований и Джеральд Зимеке из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА.
Запутанная сеть озона
Понимание причин и влияния озона — сложная задача. Озон не выделяется напрямую, а является продуктом «прекурсоров» — исходных ингредиентов, таких как оксиды азота и летучие органические соединения (ЛОС), которые вступают в реакцию в присутствии солнечного света, образуя озон. Эти прекурсоры образуются из выхлопных газов автомобилей, электростанций, химических растворителей, промышленных процессов , выбросов самолетов и других видов деятельности человека.
Сохраняется ли озон в атмосфере и как долго это происходит, зависит от переплетения переменных, включая тип и масштабы человеческой деятельности в данной области, а также естественную изменчивость климата . Например, год сильного Эль-Ниньо может подтолкнуть циркуляцию атмосферы таким образом, что это повлияет на концентрацию озона, независимо от того, какой объем озона в атмосферу вносят люди в этом году.
Особенно сложно отделить антропогенные и климатические причины изменения озона, особенно в верхней тропосфере. Ситуацию усложняет тот факт, что в нижней тропосфере — самом нижнем слое атмосферы, наиболее близком к поверхности земли — озон перестал расти, а в некоторых регионах северных средних широт даже упал за последние несколько десятилетий. Это уменьшение нижнего тропосферного озона в основном является результатом усилий в Северной Америке и Европе по сокращению промышленных источников загрязнения воздуха.
«Вблизи поверхности в некоторых регионах наблюдается уменьшение озона, и его изменения более тесно связаны с выбросами человека», — отмечает Юй. «В верхней тропосфере тенденции озона отслеживаются хуже, но, по-видимому, не связаны с тенденциями вблизи поверхности, и озон легче поддается влиянию изменчивости климата. Поэтому мы не знаем, связано ли это увеличение наблюдаемого озона в верхней тропосфере с деятельностью человека и в какой степени».
Человеческий сигнал на фоне климатического шума
Ю и Фиоре задались вопросом, может ли человеческий «отпечаток» в уровнях озона, вызванный непосредственно деятельностью человека, быть достаточно сильным, чтобы его можно было обнаружить при спутниковых наблюдениях в верхней тропосфере. Чтобы увидеть такой сигнал, исследователи сначала должны были бы знать, что искать.
Для этого они обратились к моделированию климата Земли и химии атмосферы. Следуя подходам, разработанным в климатологии, они рассуждали, что если они могли бы смоделировать ряд возможных изменений климата за последние десятилетия, все с идентичными источниками выбросов предшественников озона, созданными человеком, но каждый из которых начинался с немного отличающихся климатических условий, то любые различия между этими сценариями должны быть вызваны климатическим шумом.
По выводам, любой общий сигнал, который возник при усреднении по моделируемым сценариям, должен быть вызван причинами, вызванными человеком. Такой сигнал, таким образом, был бы «отпечатком пальца», показывающим озон, вызванный человеком, который команда могла бы искать в реальных спутниковых наблюдениях.
Имея в виду эту стратегию, команда провела симуляции, используя самую современную модель химического климата. Они провели несколько климатических сценариев, каждый из которых начинался с 1950 года и заканчивался в 2014 году.
В своих симуляциях команда увидела четкий и общий сигнал во всех сценариях, который они определили как человеческий отпечаток. Затем они рассмотрели продукты тропосферного озона, полученные с помощью нескольких инструментов на борту спутника NASA Aura.
«Честно говоря, я думал, что спутниковые данные будут слишком шумными», — признается Фиоре. «Я не ожидал, что шаблон будет достаточно надежным».
Но спутниковые наблюдения, которые они использовали, дали им достаточно хороший шанс. Команда просмотрела данные о верхнем тропосферном озоне, полученные из спутниковых продуктов с 2005 по 2021 год, и обнаружила, что они действительно могли видеть сигнал антропогенного озона, который предсказывали их моделирования.
Сигнал особенно заметен над Азией, где за последние десятилетия значительно возросла промышленная активность и где обильный солнечный свет и частые погодные явления выносят загрязнения, включая озон и его предшественников, в верхние слои тропосферы.
Теперь Ю и Фиоре пытаются определить конкретные виды деятельности человека, которые приводят к увеличению содержания озона в верхней тропосфере .
«Откуда берется эта растущая тенденция? Это выбросы вблизи поверхности от сжигания ископаемого топлива в двигателях транспортных средств и электростанциях? Это самолеты, которые летают в верхней тропосфере ? Это влияние лесных пожаров? Или некая комбинация всего вышеперечисленного?» — спрашивает Фиоре. «Возможность отделить антропогенные воздействия от естественных изменений климата может помочь в разработке стратегий по борьбе с изменением климата и загрязнением воздуха».
Дополнительная информация: Синьюань Юй и др., Антропогенные отпечатки, обнаруживаемые в тенденциях озона в верхней тропосфере, полученных со спутника, Наука об окружающей среде и технологии (2024). doi.org/10.1021/acs.est.4c01289
Информация о журнале: Экологическая наука и технологии
Предоставлено Массачусетским технологическим институтом
Эта статья переиздана благодаря любезному предоставлению MIT News ( web.mit.edu/newsoffice/ ), популярного сайта, освещающего новости об исследованиях, инновациях и преподавании в MIT.