Озон в кольце огня. Как извержение вулканов влияет на атмосферу

Тихоокеанское братство кольца

Может показаться, что извержения вулканов — последнее из бедствий, о которых стоит беспокоиться жителям России. Но не стоит забывать о Тихоокеанском вулканическом огненном кольце — области повышенной сейсмической активности, где сконцентрировано множество действующих вулканов и происходят частые землетрясения. В нашей стране в зону его влияния попадают Камчатка и Курильские острова. Камчатский полуостров богат на крупные вулканы: Ключевской (самая высокая точка Камчатки, 4754 метра) непрерывно извергается с июня с выбросами на высоту до 5 км и продолжает извергаться до сих пор. В конце октября столб пепла от Безымянного достигал высоты 10–11 км, а от Шивелуча в апреле — 20 км, что вызвало крупнейший пеплопад в регионе за последние 60 лет. А на Курилах активно извергается вулкан Эбеко на острове Парамушир — так, в марте, в мае, в августе и в октябре 2023 года он выбрасывал в воздух столбы пепла по 2,5–3,5 км высотой.

Вулканы доставляют местным жителям немало неприятностей, даже когда не извергают лаву: пирокластический поток из горячего воздуха, песка, пыли и каменных обломков может сжечь все на своем пути в радиусе десятков километров вокруг кратера, а растянувшийся на сотни километров шлейф пепла заставляет людей носить респираторы и разгребать серые «сугробы» на земле и мешает самолетам, которые вынуждены менять траекторию полета или отменять рейсы.

В прошлом году внимание ученых привлек другой вулкан Тихоокеанского огненного кольца, подводный Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай, расположенный в полинезийском королевстве Тонга. Его извержение продлилось несколько недель — с последних дней декабря 2021-го до середины января 2022 года. За это время произошло четыре подводных взрыва, выбросивших в воздух в сумме 10 кубических километров скальных пород, пепла и донных отложений. В столице Тонга, Нукуалофе, с неба падали хлопья пепла и мелкие камни. Облако пепла достигло высоты 39 км и перекрыло солнечный свет в радиусе 60 км от вулкана. Выброс стал крупнейшим со времен извержения вулкана Пинатубо в 1991 году и самым мощным после Кракатау в 1883-м. Из-за вызванного вулканом землетрясения цунами докатились не только до близлежащих островов, но и до побережья Перу, где утонули два человека, а также до Новой Зеландии, Австралии, Японии, Дальнего Востока и США, включая Мексиканский залив и Карибское море в Атлантике.

Во время извержения 2014–2015 годов острова Хунга-Тонга и Хунга-Хаапай оказались объединены поднявшимся со дна вулканом. Новое извержение, начало которого запечатлено на видео, длилось с конца декабря 2021 года до середины января 2022-го, после чего Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай погрузился обратно под воду, а острова оказались разделены.

Высокая активность Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай привела к тому, что частицы пепла проникли далеко в стратосферу — слой атмосферы на высотах 11–50 км. В стратосфере находится озоновый слой, защищающий Землю от опасного ультрафиолетового излучения, которое вызывает у человека рак кожи и вредит экосистемам планеты. В опубликованной в журнале Science научной статье исследователи из Франции, США, Финляндии и Швейцарии рассказали, какие химические реакции в атмосфере вызвали выбросы вулканического пепла и как это повлияло на ее состав и озоновый слой.

Виноват не только человек

Одной из главных причин разрушения озонового слоя считаются хлорфторуглеводороды и некоторые вещества в аэрозольных баллонах, галогенорганические хладагенты в холодильниках и растворители. Их предписали снять с производства согласно специальному международному соглашению — Монреальскому протоколу, вступившему в силу в 1989 году. Ученые предполагали, что компании найдут замену вредным для атмосферы составам, а примерно через полвека озоновый слой постепенно восстановится. 

Но разрушить озоновый слой могут и вулканы — такой эффект наблюдали, например, после извержения уже упомянутого Пинатубо на Филиппинах. В стратосферу тогда попало 15–20 мегатонн SO2 (диоксида серы). Выброс способствовал образованию парникового эффекта и привел к увеличению озоновой дыры над Антарктикой. Кстати, одной из причин, хотя далеко не главной и не единственной, роста этой озоновой дыры по итогам исследования 2015 года называют извержение вулкана Эребус, расположенного на острове Росса у побережья Антарктиды.

Выброс водяного пара в атмосферу в результате извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 2021–2022 годов оказался крупнейшим за всю историю спутниковых наблюдений. Примерно 10% всего среднегодового количества пара в стратосфере в короткий срок было выброшено на высоту до 55 км. Ученые немедленно запустили метеозонды с французского острова Реюньон, чтобы собрать образцы воды и взвешенных в воздухе частиц (аэрозолей) из облака вулканического пепла и получить данные о состоянии озонового слоя, который значительно пострадал из-за извержения. Данные метеозондов дополнили наблюдениями со спутников и результатами изучений того, как в атмосфере рассеивается и поглощается ультрафиолет, при помощи спектроскопии. 

Озон обречен?

Благодаря тому, что ученые действовали быстро, им удалось узнать, какие химические реакции произошли в атмосфере сразу после извержения. Оказалось, что уровень содержания озона в стратосфере западной части Индийского и Тихого океана снизился примерно так же, как после извержения вулкана Пинатубо. Содержание озона в атмосфере оценивается в единицах Добсона, каждая из которых равна слою в 10 микрометров при стандартных давлении и температуре. После извержения Пинатубо озона стало меньше на 13–20 единиц Добсона, а после извержения Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай — на 18,3 единицы. Однако в 2022 году такое падение уровня озона произошло всего за неделю, а не за три-шесть месяцев, как в 1991-м. А это значит, что через аналогичный срок может успеть разрушиться еще больше молекул озона. Почему же озоновый слой в этом регионе «прохудился» так быстро?

«Повышенная влажность в стратосфере, эффект охлаждения за счет излучаемого тепла и большая площадь поверхности аэрозольных частиц в шлейфе вулканического пепла создали идеальные условия для того, чтобы озоновый слой в тропической стратосфере стал тоньше на 5% всего за неделю», — отметили исследователи во вступлении к научной статье.

В описанных условиях из выброшенных вулканом хлоридов водорода и брома (HCl и HBr) и молекул воды в атмосфере формируются химически активные соединения — монооксиды хлора и брома (ClO и BrO). Эти соединения катализируют распад молекул озона, образуя молекулы кислорода и свободные атомы хлора, которые продолжают разрушать уже новые молекулы озона, производя новые молекулы ClO. Эта цепная реакция распада озона гораздо быстрее происходит на поверхности взвешенных частиц-аэрозолей с диоксидом серы SO2 — а такие аэрозоли, как мы упоминали выше, вулканы выбрасывают в огромном количестве.

Данные метеозондов подтвердили, что процесс шел именно так: в атмосфере концентрация HCl снизилась на 0,4 миллионные доли на единицу объема, а содержание опасного для озона ClO возросло на такую же величину. В этом случае  содержание первого соединения стало меньше потому, что из него образовалось второе соединение.

В будущем авторы исследования хотят лучше понять закономерности протекания этих химических реакций в облаках пепла и на основе полученных данных разработать программы для более точного моделирования химических превращений, угрожающих озоновому слою во время извержений в тропиках. Если научиться предсказывать эти процессы, можно заранее оценить вред для озонового слоя и найти способы его уменьшить.

Влиять на эти химические реакции может и выбрасываемый вулканами водяной пар, который задерживается в стратосфере на четыре-пять лет и тоже участвует в разрушении молекул озона. Так извержения вулканов усиливают и без того чрезмерный парниковый эффект в атмосфере, что вместе с разрушением озона, в норме отражающего часть солнечного спектра, делает климат жарче. И чем лучше человечество разбирается в этих процессах, тем больше понимает, на какие из них оно способно повлиять.