Исследовалась связь между временем распада западного полярного стратосферного вихря и временем начала заполнения озонной дыры в Антарктиде. Было показано, что начало распада полярного вихря самым тесным образом связано с началом заполнения озонной дыры в Антарктике. Анализировались многолетние данные о количестве озона и о циркуляции атмосферы на антарктических станциях Хэлли-Бей и Южный Полюс. В 10 случаях наблюдался ранний распад (около 10 октября) полярного западного стратосферного вихря. В эти годы максимальное в году количество озона на указанных станциях достигалось уже 12 ноября. Количество озона в максимуме достигало в этих случаях примерно 420 м-атм-см. В 17 других случаях полярный стратосферный вихрь распадался только к 8 ноября. Эта затяжка привела к тому, что озон не успевал за оставшееся время достичь таких величин, как в прежних случаях. Количество озона увеличивается после развала полярного вихря только в продолжение последних нескольких дней ноября. Но в этих случаях величина годового максимума значительно меньше и составляет только 375 м-атм-см против 420 м-атм-см при распаде вихря к 10 октября.

Если же полярный стратосферный вихрь распадается в сентябре или первых числах октября, то в полярную стратосферу поступает из средних широт воздух, богатый озоном. Поэтому понижение количества озона (озонная дыра) в этих случаях минимально.

На образование озонной дыры оказывает влияние не только длительное существование западного полярного стратосферного вихря, вследствие чего преграждается путь стратосферного воздуха из средних широт в полярную область. Исчезновение озона в полярную ночь связано с такими малыми газовыми составляющими, как HOCl, Cl₂, ClNO₂. Эти составляющие образуются из других составляющих, содержащих хлор и азот, которые имеются в стратосферном резервуаре практически всегда. Превращение резервуарных газовых составляющих в более активные (в смысле воздействия на озон) формы идет очень эффективно. Образованные в этих реакциях молекулы HOCl, Cl₂, ClNO₂ под действием солнечного излучения весной в Антарктике создают атомные соединения хлора, которые принимают участие в химическом цикле распада озона.

Как видно, во всех реакциях образуются молекулы.

Это вещество конденсирует и превращается в лед. Химические реакции на поверхности аэрозолей, то есть гетерогенные реакции, протекают эффективно на высотах 12–22 км. Скорость их зависит от поверхностной концентрации аэрозолей, от частоты столкновений между молекулами газа и аэрозольными поверхностями, HCl и H₂O в виде ледяных частиц и, конечно, от вероятности этих реакций при происшедшем одном столкновении.

Количество соединений, образующихся в результате этих реакций, очень сильно зависит от того, сколько имеется в начале NO_x (конкретное NO + NO₂ + ClNO₃ + 2N₂O₅). Очень важно, что скорость указанных реакций зависит от степени освещенности солнечным излучением во время этих процессов. То, что приведенные выше гетерогенные реакции выбраны правильно, подтверждают расчеты, выполненные по ним для различных условий, измеренных как самолетами-лабораториями DC-8 и ER-2, так и приборами TOMS, установленными на спутнике «Нимбус-7». Как уже говорилось, эти эксперименты проводили американские исследователи в Антарктике в периоды развития озонной дыры.

Согласно выполненным расчетам по приведенным выше гетерогенным химическим реакциям, содержание в столбе HNO₃ соответствует отношению смеси, равному примерно 2,5 × 10^-12 ниже 18 км на широте 70^о южной широты. В полярном стратосферном вихре в том же месте отношение смеси для HNO₃ составляет только 1,5 × 10^-12. Эти результаты хорошо согласуются с данными измерений на самолетах-лабораториях ER-2.

Расчетное количество HCl (небольшие величины) также хорошо согласуется с данными измерений в том случае, если гетерогенные процессы протекают в продолжение всего сентября. Это условие вполне реальное.

В результате указанных гетерогенных реакций в продолжение августа должно образовываться значительное количество ClNO₃, хлористых нитратов. Но для этого надо, чтобы начальные концентрации NО_x зимой были примерно равными 2 × 10^-12 на высоте 18 км. Но если начальная концентрация NО_x зимой в два раза меньше, то хлористых нитратов (ClNO₃) с наступлением весны (в августе) образуется пренебрежимо мало. Измерения показывают, что в сентябре имеется на этих высотах большое количество ClNO₃. Оно может возникать по двум причинам. Во-первых, ClNO₃ может образовываться в результате реакций с NO₂, который образовался вследствие фотолиза азотной кислоты. Во-вторых, ClNO₃ в сентябре могут быть теми молекулами, которые не превратились в активные хлорины.

Количество ClO сильно зависит от количества HNO₃, скорости его фотолиза и, конечно, от других гетерогенных химических реакций с его участием.

Именно в каталитическом цикле с участием хлора (Cl₂O₂) происходит основное уменьшение концентрации озона (по крайней мере 80 % этого уменьшения).

Таким образом, для уменьшения озона ключевыми являются концентрации HNO₂ и NO_x. Но понижение количества озона не прямо пропорционально количеству NO_x. При тех значениях NO_x, которые характерны для условий антарктической зимы, уменьшение количества озона особенно эффективно, процесс распада озона ускоряется.

Выполненные американскими специалистами расчеты, основные результаты которых приведены выше, говорят о том, что приведенные гетерогенные реакции реально отражают процессы во время образования озонной дыры в антарктической стратосфере весной.

Приведенные выше реакции играют решающую роль в процессах, приводящих к распаду озона. Эти реакции протекают на поверхности частиц, составляющих полярные стратосферные облака. Значит, чем больше площадь этой поверхности, то есть чем больше частиц стратосферных облаков, а значит, и самих облаков, тем эффективнее образуется озонная дыра. От чего же зависит эффективность образования полярных стратосферных облаков?

Образование стратосферных облаков зависит прежде всего от температуры стратосферы в данном месте. Они формируются зимой, когда стратосферный воздух над Антарктикой сильно охлаждается из-за отсутствия солнечного излучения. Измерения подтверждают, что стратосферные облака образуются именно на тех высотах, где температура очень низкая. Весной в Антарктике температура атмосферы увеличивается на больших высотах, затем это потепление постепенно распространяется вниз. Значит, по мере развития весны высота, на которой могут образовываться стратосферные облака (там должна быть температура порядка 195 К, не менее), должна понижаться. Спутниковые измерения высоты облаков действительно подтверждают, что в начале весны в Антарктике (сентябрь и начало октября) стратосферные облака наблюдались на высоте 16 км. В последующие дни октября они наблюдались ниже.

Измерения стратосферных облаков приборами, установленными на спутниках, начали проводиться с 1987 года. Было показано, что в 1987 году они наблюдались (в то же самое время весны) выше, чем в 1985 году. Дело в том, что температура стратосферы весной 1987 года была ниже, чем весной 1985 года. Полярные стратосферные облака наиболее эффективно образуются при низких температурах, даже, лучше сказать, при очень низких температурах (около 195 К). Это, собственно, и понятно, поскольку эти облака содержат главным образом лед, образующийся при конденсации HNO₃ и H₂O. Частицы льда в полярных стратосферных облаках играют важную роль, так как создают очень эффективную среду для образования хлоринов из водородных хлоринов и азотных хлоринов. Изменение теплового режима может приводить к образованию Cl₂ и O₂, которые под действием солнечного излучения (фотолиз) распадаются на атомы. Далее они эффективно влияют на количество озона. Здесь вырисовывается очень важная для проблемы озона причинно-следственная цепочка: увеличивая количество CO₂ в стратосфере, мы уменьшаем ее температуру, а значит, увеличиваем эффективность образования полярных стратосферных облаков. Это в свою очередь приводит в конце концов к уменьшению количества озона в стратосфере.