Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature Communications, атмосфера Земли усилила свою способность удалять загрязняющие вещества из воздуха, включая газ, способствующий потеплению климата, — метан.
Изучение способности атмосферы к самоочищению, считающееся прорывом в науке о климате и понимании химии атмосферы, было сосредоточено на определении количества ее неуловимого двигателя — гидроксильного радикала (ОН), который лауреат Нобелевской премии Пауль Крутцен назвал «моющим средством атмосферы».
Исследование, проведенное Национальным институтом водных и атмосферных исследований Новой Зеландии (NIWA), выявило существенную тенденцию в способности атмосферы к самоочищению, применив передовой метод анализа двух длительных измерений образцов воздуха из Новой Зеландии и Антарктиды, начиная с конца 1980-х годов.
Исследование подчеркивает, что без повышенной очищающей способности гидроксила метан внес бы еще больший вклад в глобальное потепление.
Долгосрочное исследование, проведенное учеными NIWA совместно со специалистами из Университета Виктории в Веллингтоне, GNS Science и коллегами из Финляндии, показывает, что способность атмосферы к самоочищению усиливается в Южном полушарии примерно с 1997 года.
В ходе 33-летнего научного исследования основное внимание было уделено самому сильному окислителю атмосферы — OH, а в качестве надежного трассера (индикатора) был выбран радиоуглеродный монооксид (14CO). Сверхредкая форма монооксида углерода образуется при попадании космических лучей в атмосферу Земли, причем скорость его образования хорошо изучена, как и его удаление под действием OH.
OH очень реактивен и очень недолговечен, говорит Сильвия Никол, специалист по атмосфере NIWA. «OH — это крошечный химический поглотитель. Он состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода со свободным неспаренным электроном и образуется в атмосфере, когда ультрафиолетовый свет солнца сталкивается с озоном в присутствии водяного пара».
Он вступает в реакцию с вредными следовыми газами, включая оксид углерода и метан, в самом нижнем слое атмосферы, тропосфере, которая простирается до средней высоты 11 км от поверхности Земли.
«В 1970-х годах было сделано важное открытие: ОН образуется в тропосфере в результате реакций, обеспечивающих окисление таких газов, как оксид углерода, метан и этан. Несмотря на то, что время жизни ОН может составлять всего лишь менее секунды, он играет жизненно важную роль в очищении атмосферы».
По словам Сильвии Никол, поскольку высокореактивный гидроксил контролирует время жизни большинства газов в атмосфере, присутствие ОН имеет решающее значение для контроля концентраций некоторых парниковых газов, особенно метана. «Хотя гидроксильные радикалы появляются в крошечных количествах на короткое время, они удаляют оксид углерода и почти 90% метана из воздуха, поэтому это жизненно важно для поддержания качества воздуха».
По словам главного технического специалиста NIWA Гордона Брейлсфорда, который десятилетиями собирал пробы воздуха, динамическая природа OH, а также его очень низкие концентрации означают, что его крайне сложно наблюдать и точно количественно определять.
«Ультрафиолетовый свет влияет на выработку гидроксила, поэтому уровень этого очистителя атмосферы имеет очень большие колебания в течение дня и года. ОН образуется только в дневные часы, то есть его уровень падает почти до нуля ночью и он более распространен летом».
По словам ученых, в прошлых попытках отслеживать тенденции в OH использовался метилхлороформ, но его использование было прекращено в соответствии с Монреальским протоколом 1987 года по защите озонового слоя, что делает его использование нецелесообразным.
«Традиционные методы и модели, прогнозирующие распространенность гидроксила на основе метилхлороформа и других подобных промышленных газов, также дали противоречивые предполагаемые оценки изменений уровней гидроксила и его способности очищать атмосферу. Поэтому вместо этого мы использовали полученный естественным путем радиоактивный оксид углерода (14CO) — трассер, возникновение которого из-за космических лучей мы понимаем гораздо лучше, что позволило нам выработать тенденцию в скорости его удаления OH в течение длительного периода времени».
Записи с двух удаленных станций мониторинга в Южном полушарии, датированные концом 1980-х годов, дали качественные данные для анализа, говорит Гордон Брейлсфорд. «Регулярные и последовательные измерения, охватывающие 33 года на двух участках, дают первые доказательства долгосрочного увеличения OH».
Образцы с двух разных станций наблюдения оказались информативными для понимания роли ОН, говорит ведущий автор статьи в журнале, специалист по атмосфере и климату доктор Олаф Моргенштерн, чья работа расширила ранее разработанную модель «химия-климат».
«Данные по Новой Зеландии с 1997 года показывают ежегодное снижение концентрации 14CO на 12% (± 2%). Измерения из Антарктиды показывают еще большее снижение на 43% (± 24%), но только в период с декабря по январь, в разгар лета в Южном полушарии».
«Результаты этих исследований свидетельствуют о том, что окислительная способность атмосферы, обусловленная гидроксилом, за последние десятилетия усилилась. Результаты подтверждают и подкрепляют наши модели и согласуются с данными по всему миру, которые предполагают, что ОН увеличивается во всем мире».
Исследователи изучили, какие процессы и атмосферные соединения вызывают изменения в уровнях OH, выявив три основных фактора увеличения гидроксила и один фактор, сдерживающий увеличение OH. «Тенденции к увеличению гидроксила обусловлены оксидами азота, которые в основном производятся автотранспортными средствами, промышленным сжиганием, молниями и лесными пожарами.
«На гидроксил также влияет истощение стратосферного озона и водяной пар, количество которого увеличивается в условиях глобального потепления, в то время как ОН имеет значительное смещение из-за метана, который также быстро увеличивается, что приводит к уменьшению гидроксила. Знание этих четырех факторов подсказывает нам, что может ждать ОН в будущем, в частности, что увеличение вполне может обернуться снижением из-за изменений в нашей деятельности».
По его словам, тенденция к увеличению OH, обнаруженная в этом исследовании, подразумевает, что темпы выбросов метана увеличились больше, чем предполагалось при постоянном OH. «Иными словами, метан внес бы еще больший вклад в глобальное потепление, если бы не это усиление способности атмосферной очистки».
«Все четыре фактора — оксиды азота, озон, глобальное потепление и метан — демонстрируют тенденции, вызванные человеком. Деятельность человека влияет на способность климатической системы усиливать свою окислительную способность. Эти результаты подчеркивают важную роль, которую деятельность человека играет в формировании климатической системы, влияя на способность гидроксида очищать атмосферу и поддерживать качество воздуха».