Viață și știință - săptămânal științific

Luni, 04 ianuarie 2021, Ziua lui Tit și Leona

Articole recente
Stiinte Sociale
Știința vieții
Știința neînsuflețită
Astronomie
Concurență

Legături ascunse către schimbările climatice

Radiațiile ultraviolete și stratul de ozon

În filme educaționale, prelegeri și discuții, se pune întrebarea în numeroase cazuri dacă modificările conținutului de ozon și ale radiațiilor UV sunt cauzate de schimbările climatice sau pot fi legate de aceasta. Fără o explicație detaliată, atât răspunsul afirmativ, cât și cel negativ sunt înșelătoare pentru cei care nu se ocupă zilnic de subiect. Autorul articolului nostru este un angajat al Departamentului de teledetecție al Observatorului Principal György Marczell al Serviciului Național de Meteorologie, care prezintă cele mai recente rezultate interne, internaționale și de măsurare, analiza datelor și calculul modelului, de ce nu există un răspuns simplu la această întrebare .

La fel ca Pământul, învelișul de gaz legat și co-rotativ din jurul planetelor cu o crustă solidă - adică atmosfera - complică energia radiantă „pașnică” și simplă din jurul planetei. Atmosferele planetare sunt sisteme fizice extrem de complexe, deci și energia lor este destul de complexă. În sistemul solar, pe lângă atmosfera Pământului, trei corpuri cerești au atmosfere în mod similar stabile, constante și relativ dense: Venus, Marte și cea mai mare lună a lui Saturn, Titan. Datorită apropierii lor și, prin aceasta, au studiat destul de bine, atmosferele lui Venus și Marte sunt deosebit de cunoscute, deși surprizele pot ajunge în continuare în atenția experților. Aceste două atmosfere pot fi folosite foarte bine ca laborator pentru a înțelege mai bine funcționarea atmosferelor planetare, deoarece reprezintă două extreme comparativ cu Pământul nostru: atmosfera lui Venus este mult mai densă și cea a lui Marte este mult mai rară.

Radiația electromagnetică cu unde scurte de la steaua centrală este sursa de energie pentru planetă. Dacă planeta nu are atmosferă, energia este foarte simplă: radiația de intrare încălzește suprafața, se formează o temperatură stabilă a suprafeței și radiază în infraroșul îndepărtat în funcție de temperatura respectivă (adică în distribuția corespunzătoare a lungimii de undă). În cazul în care planeta are o atmosferă, situația se complică într-o anumită măsură, în funcție de densitatea și compoziția chimică a atmosferei.

Deși ozonul se găsește în atmosferă de la suprafața pământului până la cele mai înalte straturi, datorită mecanismului său de formare, există un interval de altitudine în care există un nivel deosebit de ridicat de ozon, acesta fiind denumit în mod obișnuit stratul de ozon. Radiația UV-C, care inițiază reacții de formare a ozonului, intră doar o cantitate neglijabilă sub stratul de ozon, UV-B poate fi deja măsurat în cantități mici (dar foarte importante) pe suprafața pământului și majoritatea UV-A trece prin atmosferă.

Gazele care alcătuiesc atmosfera absorb o parte din radiația care pătrunde în ea. Radiațiile sunt, de asemenea, împrăștiate (adică, deviază de la direcția inițială de deplasare), pe de o parte, de moleculele de gaz și, pe de altă parte, de nori și aerosoli, care sunt, de asemenea, absorbanți.

Ca urmare, cantitatea de radiații care ajunge în cele din urmă la suprafață este foarte complicată. Suprafața emite radiații cu unde lungi (infraroșu) corespunzătoare temperaturii formate, dar o parte din aceasta este absorbită de gazele atmosferei din domeniul infraroșu, iar atmosfera o radiază în sus și înapoi la suprafață. Ca urmare a acestui mecanism destul de complex, excesul de căldură este prins în interiorul sistemului în comparație cu starea atmosferică. Astfel, temperatura "perceptibilă" măsurabilă extern a planetei va fi mai mare decât ar fi fără prezența atmosferei - acest lucru se numește efect de seră. Pentru Pământ, această diferență este de aproximativ 30 de grade Celsius. Datorită atmosferei extrem de dense de pe Venus, această valoare este de aproximativ 500 de grade Celsius, în timp ce pe atmosfera rară Marte este de numai 6-7 grade Celsius.

Energie minimă

Fiecare sistem fizic din Univers trebuie să se conformeze principiului căutării pentru un minim de energie. Pentru atmosfera planetelor de suprafață solidă, cea mai ușoară formă de eliberare de energie este răcirea în spațiul „gol, rece”, adică emiterea în spațiu a celei mai mari radiații cu unde lungi. Această radiație cu undă lungă emisă constă din două componente: radiația ascendentă emisă de atmosferă și radiația emisă de suprafața pământului. Atmosfera este probabil cel mai bine optimizată prin ajustarea conținutului de vapori de apă. Vaporii de apă sunt cel mai semnificativ gaz absorbant de radiații din gama infraroșu, în cantități mari în atmosferă și pot fi „bine mobilizați” în procese. Atmosfera „funcționează” astfel pentru a seta cel mai mic conținut posibil de vapori de apă, ca urmare a cărui cantitate cât mai mare de radiații cu unde lungi emise de suprafața pământului trece prin atmosferă în spațiu. Fiecare proces al sistemului complex al mecanismului atmosferei servește acestui scop. Procesele și fenomenele pe care le experimentăm aici pe pământ ca „vreme” (vânt, formarea norilor, cicloni, precipitații, furtuni etc.), manifestările lucrului atmosferei asupra acestui.

Reprezentare schematică simplificată a transmisiei radiației atmosferice.

F0 este radiația cu unde scurte care intră în sistem din exterior, o parte din care este reflectată din atmosferă, iar F este cantitatea de radiație absorbită de nori și poluanții atmosferici și aerosoli din atmosferă. Astfel, diferența dintre F0 și F iese la suprafață. Suprafața planetară emite radiații cu unde lungi de dimensiunea SG, din care gazele din atmosferă absorb (absorb) o cantitate de AA, iar o cantitate de ST trece prin atmosferă. Atmosfera în sine iradiază, în sus cantitățile UE și în jos cantitățile ED. Astfel, radiația totală cu unde lungi emise de planetă va fi suma ST și a UE (aceasta se numește „OLR” în termenul englezesc Outgoing Longwave Radiation:? Outgoing longwave radiation).

Dar există și posibilitatea controlului pe partea de unde scurte. Din nou, vaporii de apă sunt probabil instrumentul principal. Dacă radiația cu unde lungi de ieșire începe să scadă, o puteți reechilibra pe măsură ce veniturile din partea cu unde scurte cresc. Acest lucru se poate face, de exemplu, prin creșterea cantității de aerosoli absorbiți în unde scurte pe măsură ce condițiile se schimbă, astfel încât egalitatea să fie restabilită.

Climă stabilă

Din punct de vedere energetic, temperatura suprafeței planetelor este determinată de trei factori importanți: energia absorbită de radiația stelei centrale (în cazul nostru, Soarele), energia geotermală generată în interiorul planetei și care ajunge la suprafața planetei și compoziția atmosfera. În cazul Pământului, totul sugerează că energia geotermală nu este comparabilă cu cea care vine de la Soare, deci este neglijabilă.

Condiția pentru existența unui climat stabil este aceea că suma energiei reținute de atmosferă (absorbită, care rămâne în atmosferă) și a energiei geotermale de suprafață trebuie să fie egală cu energia care rămâne în spațiu, adică radiația cu unde lungi emise . Este un proces aparent simplu, dar în realitate incredibil de complicat. Pe termen lung, radiația de undă scurtă care intră depinde de procesul evolutiv al stelei centrale și de modificările parametrilor ceresti-mecanici care descriu circulația și rotația axială a planetei, precum și modificările proprietăților de reflexie a undelor scurte ale atmosferei planetare. Energia geotermală este determinată de schimbarea proceselor de producție a energiei în interiorul planetei în timp, energia de ieșire este determinată de proprietățile de emisie în infraroșu și de proprietățile de absorbție în infraroșu ale suprafeței planetei (adică schimbarea concentrației de gaze cu efect de seră).

Acestea trebuie reglementate pe termen lung de sistem și, în plus, circumstanțele interne se schimbă. De exemplu, schimbarea învelișului de vegetație contiguu într-o zonă mai mare (să zicem, plantarea unei zone necultivate până acum) schimbă albedo (capacitatea de a reflecta radiația de undă scurtă) a acelei zone, adică radiația reflectată (radiația de undă scurtă care rămâne în atmosferă). Prin urmare, sistemul trebuie să se autoregleze și, ca urmare a acestor „reglări fine”, parametrii fizici individuali se schimbă încet, proprietățile fizice ale întregului sistem modificându-se ușor. Noi percepem acest proces ca fiind o schimbare climatică. În același timp, primul înseamnă că schimbările climatice sunt un proces necesar în toate atmosferele planetare.

Dincolo de violet

Ozonul joacă un rol crucial în formarea vieții terestre, întrucât viața a reușit să scape pe uscat până când scutul de ozon s-a format în jurul Pământului și a protejat organismele vii de radiațiile UV care le-au distrus.

Modificări ale mediilor anuale ale conținutului total de ozon de la Budapesta în perioada 1969 - 2016 pe baza procesării setului de date de măsurare a spectrului solar de ozon al Serviciului Național de Meteorologie

Setul de date de măsurare a spectrului de ozon solar de înaltă precizie al Serviciului Meteorologic Național, care arată modificarea mediilor anuale ale conținutului de ozon, arată că epuizarea ozonului sa oprit la mijlocul anilor 1990 și a început o mică creștere. În mod logic ar rezulta că radiațiile UV sunt reduse. Într-un laborator, acest lucru s-ar întâmpla oricum.

Cu toate acestea, în atmosfera terestră naturală, în ciuda creșterii ozonului, experimentăm o ușoară creștere a radiațiilor UV. În atmosferă, deși, desigur, prevalează aceleași legi fizice, mecanismul de acțiune nu este atât de simplu, deoarece este un sistem fizic foarte complex, astfel încât orice cantitate fizică arbitrară este determinată de mulți factori. Cantitatea de radiații care ajunge la suprafața pământului este influențată de capacitatea atmosferei de a transmite radiații, care depinde în principal de cantitatea de poluanți atmosferici, cantitatea și tipul de nor și cantitatea de gaze care alcătuiesc atmosfera. Deoarece acesta din urmă este constant și norul este foarte variabil pe termen scurt, nu există nicio tendință pe termen lung, deci primul este factorul determinant. Pe măsură ce modernizarea industriei și introducerea tehnicilor de mediu reduc cantitatea de poluanți atmosferici, crește capacitatea atmosferei de a transmite radiații. Pe baza procesării seturilor de date de măsurare, putem spune că efectul de creștere a radiației ultraviolete a transmitanței atmosferei supracompensă efectul de reducere a UV al creșterii conținutului de ozon, prin urmare, experimentăm o ușoară creștere a radiației UV în ciuda faptului că creșterea ozonului.

Incalzind si racind

Ozonul este un absorbant semnificativ nu numai în gama ultraviolete, ci și în infraroșu, deci este o parte importantă a transmiterii radiațiilor în două moduri, care este forța motrice a energiei atmosferei. Ozonul, așa cum s-a menționat, se formează din oxigen printr-o reacție fotochimică care necesită energia celui mai scurt interval de radiații UV, radiații UV-C (radiații cu energie mai mică, adică UV-B, UV-A, lumină vizibilă etc.). incapabil să inițieze această reacție).

Pe măsură ce fotonii solari UV-C călătoresc în atmosferă, aceștia se epuizează pe măsură ce sunt „folosiți” treptat pentru a produce ozon și iniția diverse procese de photoionizare, în timp ce sunt disponibile tot mai multe molecule de oxigen. Într-un anumit interval de altitudine, chiar dacă există deja multe molecule de oxigen, numărul fotonilor UV-C este foarte mic. Prin urmare, există un strat în atmosferă în care condițiile sunt optime pentru proces: sunt încă prezenți suficienți fotoni UV-C și sunt deja suficiente molecule de oxigen. Acesta este un interval de altitudine de aproximativ 15 până la 25 de kilometri, unde formarea de ozon este cea mai eficientă și, prin urmare, o proporție semnificativă din conținutul de ozon al unei coloane de aer date se găsește aici. Deoarece ozonul este un absorbant semnificativ de radiații, acesta încălzește atmosfera în acest interval de altitudine. Acesta este motivul pentru care scăderea temperaturii de la suprafața de deasupra solului în stratosferă este în creștere, iar stratosfera este la o temperatură mai mare decât ar fi în absența ozonului. Astfel, ozonul este legat de schimbările climatice în două moduri.

Cantitățile anuale de radiații UV măsurate la cele cinci stații de măsurare interne ale OMSZ între 1995 și 2016

Pe de o parte, dacă cantitatea scade semnificativ pe o scară mai lungă (climatică), distribuția temperaturii stratosferei după altitudine se modifică. De asemenea, modifică circulația terestră mare, adică afectează un sistem semnificativ de proces în atmosferă pe termen lung, motiv pentru care sistemul trebuie să facă mici modificări și îl vom percepe ca schimbare climatică. Nu știm exact cât a cauzat epuizarea ozonului care a durat aproximativ 3,5 decenii, deoarece magnitudinea efectului, precum și dependența sa de posibilele efecte cu alte consecințe similare, nu poate fi estimată energetic decât cu o incertitudine foarte mare.

Nici nu se poate spune cu exactitate dacă această perioadă este suficientă pentru a produce o schimbare stabilă din punct de vedere climatic a profilului de temperatură. În plus, este important de menționat că epuizarea ozonului s-a oprit și chiar a început regenerarea scutului de ozon, dar valoarea înainte de perturbare poate fi atinsă cândva în a doua jumătate a secolului nostru, conform calculelor model. Deci, cantitatea de ozon, care anterior era stabilă pe termen lung, nu este încă prezentă în atmosferă, adică epuizarea ozonului se întâmplă de mai bine de cinci decenii, deși a fost mult mai ușoară în ultimele două decenii. Din nou, efectul său de răcire nu poate fi estimat cu exactitate chiar și cu cele mai precise modele de calcul care pot gestiona cât mai multe cantități fizice și procese de influențare. Cu toate acestea, în ultimele decenii a existat o ușoară răcire în stratosferă, care poate fi motivul pentru aceasta, sau cel puțin acest proces poate aduce o contribuție semnificativă.

Efecte inverse

Ceea ce complică complet imaginea este că acest efect, doar subliniat, funcționează și invers. Deoarece temperaturile mai scăzute favorizează dezvoltarea unor condiții care sunt mai susceptibile de a declanșa reacții de epuizare a ozonului, răcirea stratosferică crește șansele de a dezvolta niveluri scăzute de ozon. Ca urmare, concentrațiile de ozon mai mici decât cele normale vor apărea mai frecvent la o anumită locație și, în consecință, cantitatea de ozon va arăta o tendință de scădere la scară climatică.

Ozonul joacă, de asemenea, un rol pe partea radiațiilor cu unde lungi, deoarece este un absorbant în infraroșu, adică un gaz cu efect de seră. Cantitatea sa influențează transmisia radiațiilor cu unde lungi, care, după cum sa menționat anterior, este crucială în procesul de disipare a energiei în atmosferă, în modelarea radiației cu unde lungi de ieșire. Astfel, rolul său în posibila schimbare a climei nu poate fi neglijat.

O altă întrebare importantă este dacă modificările pe termen lung ale stării atmosferei pot afecta cantitatea de ozon? Desigur, da, deoarece, de exemplu, cantitatea de molecule de catalizator implicate în reacția de formare a ozonului poate varia atât de mult încât afectează deja eficiența reacției și, astfel, cantitatea de ozon format. Dar, în același mod, cantitatea de substanțe implicate în reacția de epuizare a ozonului sau chiar procesele dinamice ale stratosferei se pot schimba ușor, ceea ce afectează și concentrația de ozon.

Diverse contoare solare pe platforma de testare a World Solar Radiation Center

Anterior, au fost folosite modele chimice-dinamice complexe pentru a determina dacă epuizarea ozonului putea fi pe deplin explicată prin efectele substanțelor care epuizează ozonul. Ei bine, rezultatele au arătat că toate efectele posibile, presupunând că eficiența fiecărei reacții este maximă, pot fi explicate doar cu 60-70% în cel mai bun caz. Adică, dacă calculele sunt corecte, atunci schimbarea naturală fără influențe externe, pe care o numim autonomia internă a sistemului climatic, joacă un rol foarte semnificativ și nu este de fapt altceva decât efectul schimbărilor climatice necesare.

Spectrofotometre de precizie care măsoară radiația solară cu rezoluție ridicată a lungimii de undă la turnul de măsurare a radiației solare a Observatorului principal György Marczell al OMSZ

Schimbările climatice pot fi, de asemenea, afectate de epuizarea continuă a ozonului de vară, surprinzătoare și dificil de explicat, pe care o trăim în Budapesta de la începutul regenerării ozonului. Datele arată că abaterea medie a ozonului a fost pozitivă în doar 9 luni din cele 80 de luni studiate și, cu excepția a 2 luni, abaterea pozitivă a fost nesemnificativă. Iar mediile pentru întreaga perioadă de vară indică epuizarea ozonului în fiecare an. Motivul pentru aceasta poate fi faptul că, în ultimii ani, fluxul de mase de aer mediteraneene peste Ungaria a devenit mai frecvent în perioada de vară, care se poate datora în principal schimbării climatului. Distribuția medie a latitudinii ozonului ca urmare a reacțiilor de formare a ozonului și de reducere a ozonului și a sistemului de curgere stratosferică arată o imagine că conținutul mediu de ozon crește de la ecuator la poli. Aceasta înseamnă că masele de aer mediteraneene au un conținut de ozon mai mic decât de obicei, astfel încât fluxurile lor mai frecvente reduc conținutul de ozon din atmosfera de deasupra noastră.

Măsura în care efectele acestor fenomene sunt resimțite în cantitatea de radiație UV măsurată pe suprafața pământului este foarte dificil de spus, deoarece ar trebui separată de efecte (cum ar fi cantitatea de aerosoli care afectează transmisia radiațiilor) care nu sunt din nou independent de cele spuse deja.