Восстановление озонового слоя

Восстановление  озонового слоя

Хотя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов хлор- и бромсодержащих фреонов путём перехода на другие вещества, например фторсодержащие фреоны^[4], процесс восстановления озонового слоя займёт несколько десятилетий. Прежде всего, это обусловлено огромным объёмом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые имеют время жизни десятки и даже сотни лет. Поэтому затягивание озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года.^[5]

Озон в атмосфере. Озоновый слой - ультрафиолетовый щит Земли

Озон содержится в атмосфере до высот 100 км, но в  ничтожно малом количестве (до 0,001 %), однако без него жизнь на земле  была бы совсем не такой, какой мы наблюдаем  её сейчас. Молекула озона О₃ образуется соединением молекулы О₂ и атома О, когда они вместе встречаются еще с одной молекулой М, которой может быть любая частица, в том числе и молекула азота N₂. Она необходима, чтобы поглотить энергию, которая выделяется при образовании О₃. Нижняя граница слоя атмосферы, где образуется большое количество озона, находится на высоте 10–15 км, а верхняя – на высоте около 50 км. Этот слой называется озоносферой. Максимум концентрации молекул озона соответствует высоте около 25 км, однако, даже здесь имеется не более 5–10 молекул озона на миллион молекул воздуха. Озон, образующийся выше 8–12 км, часто называют стратосферным озоном, чтобы отличить его от тропосферного озона, который образуется в результате других процессов в приземном слое атмосферы. О тропосферном озоне будет рассказано позднее в теме "Загрязняющие вещества и смоги". Количество тропосферного озона не превышает 10% от общего содержания озона в атмосфере. Общее содержание озона в вертикальном столбе атмосферы, если его привести к нормальному давлению (760 мм. рт. ст.) и температуре (0°С), и собрать в слой, то высота этого слоя составит около 3 мм.

Однако озоносфера почти полностью поглощает губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи Солнца. Под ультрафиолетовой радиацией УФ Солнца понимается радиация в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,01 мкм (см. рис. 1). По воздействию на живые клетки её делят на три части: УФ-А (0,4–0,315 мкм), УФ-В (0,315–0,380 мкм) и УФ-С (корче 0,28 мкм). УФ-С губителен для живого организма даже в небольших дозах, вследствие разрушения молекул белка, к счастью, УФ-С полностью поглощается озоносферой и не доходит до земной поверхности. УФ-В доходит до земли лишь в небольших дозах, более всего у земли наименее опасного УФ-А. В целом воздействие УФ на человека можно свести к следующему: 1) распаду белка; 2) канцерогенное действие; 3) ослабление иммунной системы; 4) ожог или даже рак кожи; 5) глазные (катаракта) и инфекционные заболевания 6) аллергические заболевания; 7) мутагенное действие.

Рис. 1. Спектральные диапазоны полного  или частичного поглощения солнечного излучения атмосферой.

Озоновый слой охватывает всю Землю, но его толщина сильно меняется, возрастая от экватора к  полюсу. Озон образуется в течение  всего года в стратосфере над  экваториальным поясом. Благодаря переносу его воздушными течениями он перемещается в направлении полярных широт. На планете четко выделяется тропическая  область недостаточно малого содержания озона в зоне от 35° с. ш. до 35° ю. ш., где средняя приведенная толщина слоя О₃ около 2,6 мм. К северу и югу от нее толщина слоя больше – 3,5 мм. Кыргызстан находится на границе комфортной и недостаточной зон содержания озона. Озон испытывает значительные вариации в течение года, причем они минимальны над тропиками и максимальны в высоких широтах. Максимальные значения содержания озона на всех широтах наблюдается в конце зимы и весной, минимальные - осенью и начале зимы. С увеличение широты происходит сдвиг времени наступления максимума на более поздние месяцы. Так, в Алма-Ате максимум толщины слоя озона наблюдается в феврале, в Санкт-Петербурге – в марте, на о. Диксон – в мае.

На процессы разрушения озонового слоя, как выяснилось, может существенное влияние оказывать  человек. В середине семидесятых  годов, стало известно, что некоторые  вещества могут вызывать уменьшение содержания стратосферного озона. Это - фреоны (газы, используемые в холодильниках  и аэрозольных баллончиках) и  продукты, возникающие при полетах  высотной авиации, при запусках ракет, а также многие другие азотистые  вещества, используемые на поверхности  земли.

Фреоны и другие азотистые вещества, высвобожденные около земной поверхности, медленно поднимаются и в конце концов через 10-20 лет достигают верхней границы озонового слоя, где оказываются под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. К сожалению, под действием которого молекулы этих веществ расщепляются с образованием хлора и азота, которые с свою очередь могут реагировать с озоном и уменьшать его содержание в атмосфере.

В 1985 г. английские ученые опубликовали статью, в которой  утверждалось, что каждой весной, начиная  с 1980 г., над Антарктидой образуются значительные области уменьшения общего содержания озона. Этот результат журналисты превратили в сенсацию, объявив о  существовании "озоновой дыры" над Антарктидой. Это название в последующие годы укоренилось не только в популярной литературе, но стало широко использоваться в научных статьях. Однако, термин этот условный, т.к. речь идет не о каких-то областях в атмосфере, где вообще отсутствует озоновый слой, единственный защитник живого на Земле от губительной ультрафиолетовой радиации Солнца, а рассматривается явление весеннего уменьшения содержания озона над Антарктидой. Сегодня принято аномалии озона относить к "озоновым дырам", если дефицит озона превышает 30%.

Причина образования  озоновой дыры над Антарктидой связана, прежде всего, с систематическим  увеличением в стратосфере Земли  окислов хлора, и других озоноразрушающих веществ. Глубина и пространственные размеры этой дыры имеют тенденцию к увеличению. Так, в первой половине 90-х годов площадь озоновой дыры составляла 15 млн. кв. км и продолжительность её существования изменялась в пределах 32-63 дня, в 1995 году она превышала 20 млн. кв. км и продолжительность составляла 71 день. В конце 1999 года появилась информация о том, что площадь озоновой дыры достигла 25 млн. кв. км, и периферия её располагается уже у берегов Новой Зеландии. При этом было зарегистрировано самое минимальное количество озона (начиная 1985 года), и которое уменьшилось примерно в три раза по сравнению с уровнем озона над Антарктидой в 70-х годах. В октябре 2000 года, новозеландские ученые посчитавшие современные размеры озоновой дыры (29,53 млн. кв. км), указали, что в зону её действия уже попал город Пунта-Аренас (Чили), а в скором, отдельные сегменты озоновой дыры начнут угрожать Аргентине, Австралии и ЮАР (см. рис 2).

Рис. 2. "Озоновая дыра" над Антарктидой.

Сейчас площадь  озоновой дыры сравнима с размерами  Северной Америки. Пока, ученые не решаются говорить об уменьшении размеров озоновой дыры. Скорее, они заявляют о её стабилизации, т.к. уже третий год (1999-2001 гг.) дыра не превосходит границ 30 млн. кв. км. При  сохранении современного уровня выбросов разрушающих озон веществ в атмосферу  размер озоновой дыры начнет уменьшаться  только через 50-60 лет.

В последние годы области дефицита озона были зарегистрированы и над Северным полушарием. Площадь  этих областей существенно меньше антарктической озоновой дыры и они могут наблюдаться  над различными регионами Северного  полушария, их принято называть локальными озоновыми дырами.

Одна из таких  локальных озоновых дыр наблюдается  над Центральной Азией, которая  первый раз бала замечена в августе 1984 г. В дальнейшем, она наблюдалась  в апреле 1985 г., в апреле 1988 г., с  апреля по июнь 1990 г., в апреле 1992 г., с января по июнь 1993 г., с февраля  по июнь 1995 г., с марта по май 1997 г. Максимальное истощение озонового слоя над горным регионом Центральной Азии было зарегистрировано в апреле 1997 года и составило 18%. Эти данные были получены в результате многолетних, круглогодичных, ежесуточных наблюдений параметров атмосферы над горным регионом Центральной Азии. Наблюдения проводились на уникальной научной станции Иссык-Куль, которая расположена на берегу озера Иссык-Куль, в 10 км западнее города Чолпон-Ата.

Приведенные данные свидетельствуют, о том, что в  конце ХХ столетия не только в Южном, но и в Северном полушарии, в том  числе и над нашим регионом, появление озоновых дыр с дефицитом  озона в 10–40%, т.е. в 2,5–9 раз превышающий максимальный уровень естественных колебаний, стало обыденным явлением. Проблема утраты озонового слоя может привести к возрастанию ультрафиолетовой радиации Солнца, что будет оказывать влияние не только на все население планеты, но и на все живое на Земле.

Озо́новый слой — часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), в которой под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулярный кислород (О₂) диссоциирует на атомы, которые затем соединяются с другими молекулами О₂, образуя озон (О₃). Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов^[1] и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20—25 км, наибольшая часть в общем объёме — на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

История открытия озонового слоя

Открывателями озонового  слоя были французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон. В 1912 году им удалось с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы.

Озоновая дыра — это локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли.

Озоновая дыра диаметром  свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 году в Южном полушарии над  Антарктидой группой британских ученых во главе с Джорджем Фарманом. Она появлялась каждый год в августе  и прекращала свое существование  в декабре—январе. В 2008 году размер озоновой дыры над Антарктикой достиг рекордных размеров в 27 млн. км². В 1992 году было обнаружено, что над Северным полушарием в Арктике также образовывалась озоновая дыра, но меньших размеров.

Процесс образования  озоновой дыры

Сначала предполагали, что  на озон влияют частицы, выбрасываемые  при атомных взрывах; пытались объяснить  изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В  конце концов было четко установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды, которые появляются как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений.

Антропогенные загрязнения

NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самолетов приводит к разрушению озонового слоя. Источником NО в стратосфере служит также газ N₂О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого ультрафиолетового излучения.

Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в  атмосферу больших масс различных  химических соединений. Большинство  антропогенных источников сконцентрировано в городах, занимающих лишь небольшую часть территории нашей планеты. В результате движения воздушных масс с подветренной стороны больших городов образуется многокилометровый шлейф загрязнений.

Общая загрязненность воздуха  возрастает, источником которого является автомобильный транспорт.

Вторым по мощности источником антропогенных органических загрязнителей  служит промышленное производство. В  выбросах предприятий химической и  нефтехимической промышленности присутствует широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья, промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза. Так, в газовых выбросах заводов  синтетических моющих средств содержатся алканы, а также карбонильные соединения, эфиры, карбоновые кислоты. Заводы синтетического каучука загрязняют воздух исходными мономерами и растворителями. Предприятия лесохимической промышленности выделяют альдегиды, кетоны, спирты и карбоновые кислоты, множество терпенов (терпены-углеводороды, продукты жизнедеятельности растений, молекулы которых построены из изопреновых звеньев). Целлюлозно-бумажные комбинаты выбрасывают большие газообразных веществ (одорантов), таких, как метил- и диметилсульфиды, диметилдисульфиды, а также формальдегид, спирты и фенолы.

Заметным источником органических загрязнителей атмосферы становится коммунальное хозяйство городов (жилые  и общественные здания, предприятия  тепло- и водоснабжения, химчистки, свалки). Хотя вклад этого источника  в суммарную антропогенную эмиссию  невелика, отсюда поступают основные количества опасных долгоживущих загрязнителей (например, диоксидов), поэтому они участвуют в формировании глобального фона некоторых органических экотоксикантов.

Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать  со многими неорганическими и  органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в  разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы  кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, моноксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой образуя стабильный фтороводород. Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона. Йод также не разрушает стратосферный озон, так как йодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере.

Естественные  процессы разрушения озонового слоя

Процессы дегазации мантии Земли сопровождаются выделением широкого спектра органических соединений. Так, в пробах газов вулканов острова  Кунашир и Камчатки идентифицировано около 100 органических соединений с  длиной цепи до 12 углеродных атомов. Источников богатых углеводородами газов являются грязевые вулканы, чаще всего встречающиеся  в нефтеносных областях.