Озоновые дыры

Оглавление

1. Роль озонового слоя

В атмосфере Земли слой озона, называемый озоносферой, расположен в стратосфере  на высотах 21-26 км. Озоносфера - защитная оболочка, предохраняющая биосферу от биологически активной ультрафиолетовой радиации Солнца с длиной волны менее 310 нм¹. Полагают, что озоносфера возникла около полумиллиарда лет назад, когда в атмосферу начал поступать биогенный (фотосинтетического происхождения) кислород. С появлением озоносферы появилась возможность развития сложных форм жизни на суше. В нынешней атмосфере концентрация озона в данной точке в данный момент времени определяется балансом большого числа противоборствующих процессов. В тропической зоне (± 30° относительно экватора) озоносфера относительно тонкая (приведенная к нормальным условиям толщина 0,26 см) и весьма устойчивая - мало меняется с сезоном и ото дня ко дню. На более высоких широтах она становится в 1,5-2,0 раза мощнее, сильно варьирует с сезоном (максимум толщи для северного полушария - весна) и может изменяться за несколько суток на 20-30%. Распределение озона также влияет на термический режим атмосферы. Динамика озоносферы в данном случае интересна сама по себе из-за ее непосредственных гелиобиологических последствий. В центре основной полосы ультрафиолетового поглощения озона близ 260 нм ослабление настолько велико, что изменение толщи озоносферы в ее пределах никак не сказывается на интенсивности приземного излучения. Однако на краю полосы, как раз близ максимума эффективности канцерогенного действия на кожу человека (290-300 нм), сравнительно небольшие изменения толщи озоносферы приводят к заметным изменениям потока излучения близ земной поверхности. В специальной литературе можно часто встретить такую оценку (весьма приближенную): уменьшение толщи озоносферы на 1% приводит на средних широтах к увеличению интенсивности радиации в полосе В (т. е. в диапазоне длин волн 290-320 нм) на 2%. Современные изменения показывают, что эта оценка несколько завышена. Более точная величина составляет 1,2±0,1% на 1% уменьшения толщи озона². В среднем в атмосфере Земли ежесекундно образуется и исчезает около 100 т озона.

Концентрации озона  О3 в слое по широтам и по сезонам  года изменяются. Наиболее устойчив озоновый слой в зоне тропиков, где Солнце обеспечивает постоянное и интенсивное ультрафиолетовое (УФ) излучение, а наименее устойчив - у полюсов. Молекулы О3 интенсивно поглощают УФ-излучение Солнца в диапазоне длин волн около X = 0,25 мкм, слабо при X = 0,4 мкм и вновь интенсивно при X = 0,6 мкм. Поэтому озоновый слой можно рассматривать как защитный экран для живых организмов на Земле от потоков УФ-излучения Солнца. Наибольший защитный эффект достигается в диапазоне длин волн менее X =0,32 мкм³.

УФ-излучение Солнца по-разному  влияет на живые организмы. В диапазоне  длин волн от 0,4 до 0,32 мкм его негативное влияние на живые организмы незначительно. УФ-излучение с длиной волны в  диапазоне 0,32-0,28 мкм вызывает загар  и оказывает тонизирующее действие на организм человека при малых дозах облучения; ожоги и разрушения нуклеиновых кислот - при больших дозах. По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако из-за большей, чем у у-излучения длины волны он не способен проникать глубоко в ткани и поэтому поражает только поверхностные органы. УФ-излучения с X < 0,28 мкм обладают сильным бактерицидным воздействием и могут привести к злокачественным новообразованиям на открытых участках кожи человека, заболеваниям глаз и ослаблению иммунной системы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако значительное количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом получая большую дозу УФ-облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона. Также такое УФ-излучение нарушает фотосинтез растений, поражает планктон, губительно влияет на животных. Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при увеличении интенсивности жесткого УФ-излучения может серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жесткому УФ-излучению, но при увеличении дозы могут пострадать и они.

Существуют также и  другие последствия изменения интенсивности  ультрафиолетового излучения.

2. Образование и разрушение озона в атмосфере

Разрушение молекул  кислорода О₂ фотонами УФ-излучения сопровождается образованием атомарного кислорода О, который, взаимодействуя с О₂, образует О₃. Одновременно с образованием озона идет его непрерывное разрушение под действием фотонов УФ и видимого излучения Солнца⁴.

Образование озона описывается  уравнением реакции

Необходимый для этой реакции атомарный  кислород выше уровня 20 км образуется при расщеплении кислорода под  действием ультрафиолетового излучения  с X < 240 нм:

Ниже этого уровня такие фотоны почти не проникают, и атомы кислорода образуются в основном при фотодиссоциации двуокиси азота фотонами мягкого ультрафиолета с X < 400 нм.

Разрушение молекул озона происходит при их попадании на частицы аэрозолей, но основной сток озона определяют циклы каталитических реакций в  газовой фазе:

где Y = NO, OH, Cl, Br.

Эти реакции реализуются  не только в озоновом слое, но и в  тропосфере. Они носят цепной характер, приводя к разрушению 10 молекул озона одной молекулой NОх и к разрушению 105 молекул озона при воздействии хлора или его соединений⁵.

Впервые мысль об опасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х годов, тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона представляют выбросы водяного пара и оксидов азота (NOx) из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов и ракет. Однако сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только «Конкорд», совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, из военных самолетов в стратосфере летают практически только сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие, как B1-B или Ту-160, и разведывательные самолеты типа SR-71. Такая нагрузка вряд ли представляет серьезную угрозу для озонного слоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобрений также представляют определенную опасность для озонного слоя, но оксиды азота нестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Запуски ракет также происходят не очень часто, впрочем, хлоратные твердые топлива, используемые в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях «Спейс–Шаттл» или «Ариан», могут наносить серьезный локальный ущерб озонному слою в районе запуска.

3. Техногенное влияние на озоновый слой

В 1971 г. профессор Г. Джонстон (США) прогнозировал существенное поступление  оксидов азота в озоновый слой от двигателей сверхзвуковых самолетов. При значительном числе полетов (около 500 в сутки) выбросы оксидов азота NO и NO2 из двигателей самолетов могли бы ускорить разрушение озона и существенно снизить его концентрацию. С целью изучения влияния выбросов оксидов азота на озоновый слой в США в 1972 г. были начаты исследования по программе СИАП («Программа оценок воздействия на климат»). К исследованиям привлекли специалистов Европы, где в это время в Англии и Франции создавался сверхзвуковой пассажирский самолет «Конкорд»⁶.

Исследования по программе СИАП показали, что воздействие выбросов высотной авиации, даже при 500 полетах в сутки в течение 4–6 часов, на озоновый слой будут незначительными, а уменьшение содержания озона составит лишь доли процента. Таким образом, программа СИАП дала отрицательное заключение о влиянии авиации на озоновый слой, тем более что количество полетов самолетов в настоящее время существенно меньше 500 в сутки.

Однако еще  до завершения программы СИАП, в 1974 г., М. Молина и Ф. Роуленд из Калифорнийского университета указали на иной путь разрушительного воздействия на озоновый слой – поступление в него хлорфторуглеродов (ХФУ), которые могут вызывать разрушение озона⁷. Начиная с этого времени так называемая хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков.

Когда-то они  рассматривались как идеальные  для практического применения химические вещества, поскольку очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. Как это ни парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и в конце концов проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом, ХФУ переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона, прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическом случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие уже попавших в атмосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых ХФУ фреон-11 (CFCl3) и фреон-12 (CF2Cl2) составляет 75 и 100 лет соответственно.

В ходе этой реакции содержание озона не меняется. Более важной является другая реакция:

Оксиды азота способны разрушать озон, однако они могут  реагировать и с хлором. Например: образующийся в ее ходе хлористый нитрозил является так называемым резервуаром хлора. Содержащийся в нем хлор неактивен и не может вступить в реакцию с озоном. В конце концов такая молекула-резервуар может поглотить фотон или вступить в реакцию с какой-нибудь другой молекулой и высвободить хлор, но она также может покинуть стратосферу. Расчеты показывают, что если бы в стратосфере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бы намного быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлористый водород HCl, образующийся при реакции атомарного хлора и метана СH4.

4. Защита озонового слоя

Во второй половине 70-х годов сформировалось устойчивое мнение о приоритетном негативном воздействии фреонов на озоновый слой, поэтому в 1978 г. США и Скандинавские страны под давлением общественности запретили использование фреонов в аэрозольных баллонах.

Весной 1985 г. была принята Венская конвенция об охране озонового слоя. В конвенции провозглашалась общая цель: сохранение озонового слоя и консультации по предотвращению действий, наносящих ему ущерб. Конкретные действия в защиту озонового слоя были предприняты позже в Протоколе к Конвенции, принятом в сентябре 1987 года в Монреале, ратифицированном 70 странами и вступившем в действие с 1 января 1989 года. Страны, подписавшие Протокол, обязались не превышать уровень производства фреонов-11, 12, 113, 114 и 115, достигнутый в 1986 году, и начиная с 1989 года, сократить этот уровень до 80% к середине 1993 года и до 50% к 1998 году. В числе стран, подписавших Протокол, был и Советский Союз⁸.

Научные исследования на математических моделях показали, что  ограничения Монреальского протокола недостаточны для сохранения озонового слоя в XXI веке, поэтому в июне 1990 года в Лондоне были сформулированы поправки к Монреальскому протоколу, существенно усилившие ранее принятые ограничения. Так, производство и использование фреонов-11, 12, 113, 114 и 115 в 1995 году должно составить 50% от уровня 1986 года, а в 2000 году – полностью прекращено. Лондонский протокол ввел также ограничения на производство и использование таких газов, как метилхлороформ CH3CCl3 и четыреххлористый углерод CCl4.

В России, к  сожалению, продолжают выпускать фреоны 111, 112 и 113 на 7 предприятиях, в том  числе в Кирово-Чепецке, на Пермском и Алтайском комбинитах. В США выпуск таких фреонов прекращен⁹.

5. Новая теория образования «озоновых дыр»

Фреоновая гипотеза разрушения озонового слоя в настоящее время является доминирующей. Однако с ней согласны далеко не все ученые. Так, научный сотрудник МГУ В.Л. Сывороткин создал новую теорию естественного происхождения «озоновых дыр». Суть его теории состоит в следующем: в ядре Земли растворено огромное количество водорода, который непрерывно поступает в атмосферу¹⁰. Взаимодействуя с озоном, водород разрушает его и образует зоны пониженного содержания озона, вплоть до «озоновых дыр». По мнению Сывороткина, на состояние озонового слоя оказывают влияние также метан и соединения азота, прорывающиеся, как и водород, из недр Земли через рифтовые разломы. Особенно активны рифты южного полушария, мощные выбросы глубинных газов характерны и для других рифтовых систем (Исландия, Восточная Африка, Красное море и другие регионы). В России наиболее опасный регион - Прикаспийский. Если предположения Сывороткина верны, то выходит, что техногенные фреоны мало опасны для озонового слоя, а затраты на перевооружение производства, создание новой техники и заменителей фреонов - бессмысленны. Разрабатывать программы борьбы с естественными выбросами газов абсурдно. В этом случае нужно совершенствовать мониторинг атмосферы и принимать адекватные защитные меры.