Исследование выявило химическую связь между дымом от лесных пожаров и разрушением озонового слоя

Австралийские лесные пожары в 2019 и 2020 годах стали историческими событиями из-за того, насколько далеко и быстро они распространились, а также как долго и сильно они горели. В общей сложности разрушительные пожары «Черного лета» охватили более 43 миллионов акров земли и уничтожили или вытеснили почти 3 миллиарда животных. Пожары также выбрасывали в атмосферу более 1 миллиона тонн частиц дыма, достигая высоты до 35 километров над поверхностью Земли — масса и распространение сопоставимы с массой извергающегося вулкана.

Теперь атмосферные химики из Массачусетского технологического института обнаружили, что дым от этих пожаров вызвал химические реакции в стратосфере, которые способствовали разрушению озона, защищающего Землю от поступающего ультрафиолетового излучения. Исследование команды, появившееся на этой неделе в Труды Национальной академии наукпервым установил химическую связь между дымом от лесных пожаров и разрушением озонового слоя.

В марте 2020 года, вскоре после того, как пожары утихли, команда наблюдала резкое падение содержания диоксида азота в стратосфере, что является первым этапом химического каскада, который, как известно, заканчивается разрушением озонового слоя. Исследователи обнаружили, что это падение диоксида азота напрямую связано с количеством дыма, который пожары выбрасывают в стратосферу. По их оценкам, эта химия, вызванная дымом, истощила столб озона на 1 процент.

Чтобы поместить это в контекст, они отмечают, что поэтапный отказ от озоноразрушающих газов в соответствии с международным соглашением об остановке их производства привел к восстановлению около 1 процента озона от более ранних сокращений озона за последние 10 лет, а это означает, что лесные пожары отменили эти тяжелые последствия. -недолгий дипломатический успех. Если в будущем лесные пожары станут более сильными и частыми, как, по прогнозам, они будут связаны с изменением климата, прогнозируемое восстановление озона может быть отложено на годы.

«Пожары в Австралии выглядят пока самым крупным событием, но по мере того, как мир продолжает нагреваться, есть все основания полагать, что эти пожары станут более частыми и интенсивными», — говорит ведущий автор Сьюзан Соломон, профессор Ли и Джеральдин Мартин. Экологические исследования в Массачусетском технологическом институте. «Это еще один тревожный сигнал, как и озоновая дыра в Антарктике, в том смысле, что он показывает, насколько плохими могут быть вещи на самом деле».

В число соавторов исследования входят Кейн Стоун, научный сотрудник Департамента наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института, а также сотрудники из нескольких учреждений, включая Университет Саскачевана, Цзинаньский университет, Национальный центр атмосферных исследований и Университет Нью-Йорка. Колорадо в Боулдере.

Химический след

Известно, что массивные лесные пожары порождают пирокумуло-дождевые облака — возвышающиеся облака дыма, которые могут достигать стратосферы, слоя атмосферы, расположенного на высоте от 15 до 50 километров над поверхностью Земли. Дым от лесных пожаров в Австралии достиг стратосферы на высоте 35 километров.

В 2021 году соавтор Соломона Пэнфэй Ю из Цзинаньского университета провел отдельное исследование воздействия пожаров и обнаружил, что скопившийся дым нагрел части стратосферы на целых 2 градуса по Цельсию — потепление, которое сохранялось в течение шести месяцев. . Исследование также обнаружило признаки разрушения озона в Южном полушарии после пожаров.

Соломон задавался вопросом, мог ли дым от пожаров истощать озон из-за химического состава, похожего на вулканические аэрозоли. Крупные извержения вулканов также могут достигать стратосферы, и в 1989 году Соломон обнаружил, что частицы этих извержений могут разрушать озон посредством серии химических реакций. Когда частицы образуются в атмосфере, они собирают влагу на своей поверхности. После намокания частицы могут вступать в реакцию с циркулирующими в стратосфере химическими веществами, включая пятиокись азота, которая вступает в реакцию с частицами с образованием азотной кислоты.

Обычно пятиокись азота_{реагирует с солнцем с образованием различных видов азота, в том числе диоксида азота, соединения, которое связывается с хлорсодержащими химическими веществами в стратосфере. Когда вулканический дым превращает пятиокись азота в азотную кислоту, двуокись азота падает, а соединения хлора идут другим путем, превращаясь в моноокись хлора, основной антропогенный агент, разрушающий озон.}

«Эта химия, как только вы пройдете эту точку, станет хорошо зарекомендовавшей себя», — говорит Соломон. «Если у вас меньше диоксида азота, вам нужно больше монооксида хлора, а это истощает озон».

Облачная инъекция

В новом исследовании Соломон и ее коллеги изучили, как концентрация диоксида азота в стратосфере изменилась после австралийских пожаров. Если бы эти концентрации значительно снизились, это означало бы, что дым от лесных пожаров истощает озоновый слой посредством тех же химических реакций, что и некоторые извержения вулканов.

Команда обратилась к наблюдениям за двуокисью азота, сделанным тремя независимыми спутниками, которые исследовали Южное полушарие в течение разного времени. Они сравнили записи каждого спутника за месяцы и годы до и после пожаров в Австралии. Все три записи показали значительное падение содержания диоксида азота в марте 2020 года. Для записи одного спутника это падение представляет собой рекордно низкий показатель среди наблюдений за последние 20 лет.

Чтобы убедиться, что уменьшение диоксида азота было прямым химическим эффектом дыма от пожаров, исследователи провели моделирование атмосферы, используя глобальную трехмерную модель, которая имитирует сотни химических реакций в атмосфере, от поверхности до стратосферы. .

Команда ввела в модель облако частиц дыма, имитируя то, что наблюдалось во время лесных пожаров в Австралии. Они предположили, что частицы, подобно вулканическим аэрозолям, собирают влагу. Затем они запускали модель несколько раз и сравнивали результаты с симуляциями без дымового облака.

В каждом моделировании, включающем дым от лесных пожаров, команда обнаружила, что по мере увеличения количества частиц дыма в стратосфере концентрация диоксида азота уменьшалась, что соответствует наблюдениям трех спутников.

«Поведение, которое мы наблюдали, все больше и больше аэрозолей и все меньше и меньше диоксида азота, как в модели, так и в данных, — это фантастический отпечаток пальца», — говорит Соломон. «Наука впервые установила химический механизм, связывающий дым лесных пожаров с разрушением озонового слоя. Это может быть только один химический механизм из нескольких, но он явно существует. Это говорит нам о том, что эти частицы влажные, и они должны были вызвать некоторое разрушение озонового слоя».

Она и ее сотрудники изучают другие реакции, вызванные дымом лесных пожаров, которые могут еще больше способствовать удалению озона. В настоящее время основным фактором разрушения озонового слоя остаются хлорфторуглероды или ХФУ — химические вещества, такие как старые хладагенты, запрещенные Монреальским протоколом, хотя они продолжают оставаться в стратосфере. Но поскольку глобальное потепление приводит к более сильным и частым лесным пожарам, их дым может оказать серьезное и долгосрочное воздействие на озоновый слой.

«Дым от лесных пожаров — это токсичная смесь органических соединений, которые представляют собой сложные звери», — говорит Соломон. «И я боюсь, что озон подвергается воздействию целой серии реакций, которые мы сейчас яростно пытаемся распутать».

Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом и НАСА.