Озоновые дыры характеристика. Озоновые дыры: причины и последствия

Прежде всего следует уяснить: озоновая дыра, вопреки своему названию, — это не брешь в атмосфере. Молекула озона отличается от обычной молекулы кислорода тем, что состоит не из двух, а из трех атомов кислорода, соединенных друг с другом. В атмосфере озон сконцентрирован в так называемом озоновом слое , на высоте примерно 30 км в пределах стратосферы. В этом слое происходит поглощение ультрафиолетовых лучей, испускаемых Солнцем, — иначе солнечная радиация могла бы нанести большой вред жизни на поверхности Земли. Поэтому любая угроза озоновому слою заслуживает самого серьезного отношения. В 1985 году британские ученые, работавшие на Южном полюсе, обнаружили, что во время антарктической весны уровень озона в атмосфере там значительно ниже нормы. Ежегодно в одно и то же время количество озона уменьшалось — иногда в большей степени, иногда в меньшей. Подобные, но не столь ярко выраженные озоновые дыры появлялись также над Северным полюсом — во время арктической весны.

В последующие годы ученые выяснили, отчего появляется озоновая дыра. Когда солнце прячется и начинается долгая полярная ночь, происходит резкое падение температуры, и образуются высокие стратосферные облака, содержащие кристаллики льда. Появление этих кристалликов вызывает серию сложных химических реакций, приводящих к накоплению молекулярного хлора (молекула хлора состоит из двух соединенных атомов хлора). Когда появляется солнце и начинается антарктическая весна, под действием ультрафиолетовых лучей происходит разрыв внутримолекулярных связей, и в атмосферу устремляется поток атомов хлора. Эти атомы выступают в роли катализаторов реакций превращения озона в простой кислород, протекающих по следующей двойной схеме:

Cl + O 3 —> ClO + O 2 и ClO + O —> Cl + O 2

В результате этих реакций молекулы озона (O 3) превращаются в молекулы кислорода (O 2), причем исходные атомы хлора остаются в свободном состоянии и снова участвуют в этом процессе (каждая молекула хлора разрушает миллион молекул озона до того, как они удалятся из атмосферы под действием других химических реакций). Вследствие этой цепочки превращений озон начинает исчезать из атмосферы над Антарктидой, образуя озоновую дыру. Однако вскоре, с потеплением, антарктические вихри разрушаются, свежий воздух (содержащий новый озон) устремляется в этот район, и дыра исчезает.

В 1987 году в Монреале состоялась Международная конференция, посвященная угрозе озоновому слою, и промышленно развитые страны договорились о сокращении, а в конечном итоге и о прекращении производства хлорированных и фторированных углеводородов (хлорфторуглеродов, ХФУ) — химических веществ, разрушающих озоновый слой. К 1992 году замена этих веществ на безопасные проходила так успешно, что было принято решение о полном их уничтожении к 1996 году. Сегодня ученые верят, что лет через пятьдесят озоновый слой восстановится полностью.

ОЗОНОВАЯ ДЫРА - разрыв озоносферы (диаметром св. 1000 км), возникший над Антарктидой и перемещающийся в населенные районы Австралии. Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. 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.

Озо́новая дыра́ - это локальное падение концентрации озона в озоновом слоеЗемли. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра, но меньших размеров. На данном этапе развития человечества, мировые учёные доказали, что на Земле существует громадное количество озоновых дыр. Но наиболее опасная и крупная расположена над Антарктидой.

Как появляются озоновые дыры? Как их заштопать?

Роуланд и Молина предположили, что атомы хлора могут вызвать разрушение больших количеств озона в стратосфере. Иногда утверждается, что так как молекулы фреонов намного тяжелее азота и кислорода, то они не могут достигнуть стратосферы в значительных количествах. Поэтому даже такие тяжёлые газы, как инертные или фреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе и стратосферы.

Ввиду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не возникает.

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. В 1985 принята Венская конвенция об охране озонового слоя, в 1987 — Монреальский протокол. Часть их способна достигать земной поверхности и через трещины диффундировать в атмосферу.

1992 год ознаменовался для ученых тем, что уже над Северным полушарием в Антарктике образовалась еще одна озоновая дыра, с гораздо меньшим диаметром. А в 2008 году диаметр первого обнаруженного в Антарктиде озонового явления достиг максимальных рекордных размеров – 27-ми миллионов квадратных километров. Так как озоновый слой призван защищать поверхность нашей планеты от переизбытка ультрафиолетового солнечного излучения, то озоновые дыры можно считать реально опасным для живых организмов явлением.

В 20 — 50 километрах над поверхностью Земли в атмосфере находится слой озона. Озон - это особая форма кислорода. Озоновый слойатмосферы очень тонок. Если всем имеющимся в наличии озоном атмосферы равномерно покрыть участок площадью в 45 квадратных километров, то получится слой толщиной в 0,3 сантиметра.

Что такое озоновый слой и почему его разрушение вредно?

В 1978 году, основываясь на данных о действии фреонов на озоновый слой атмосферы, правительство Соединенных Штатов Америки (США) запретило производство и продажу аэрозолей, содержащих фреоны. Правда, производители аэрозолей, а вместе с ними и многие ученые, считают неубедительной теорию разрушения озонового слоя. В 1985 году английские ученые сделали поразительное открытие. Они обнаружили над Антарктидой огромную «дыру» в озоновом слое. Это отверстие площадью с США появляется ежегодно весной.

Площадь так называемой озоновой дыры, ежегодно формирующейся в стратосфере над Антарктидой, в 1,7 раз превышает площадь самого материка, сообщили в национальном метеорологическом управлении Японии. Озоновая «дыра» образовывается в результате разрушения озонового слоя под влиянием таких газов, как фреон, и формируется каждый год в период с августа по декабрь.

Озоновые дыры - причины и последствия

Она появлялась каждый год в августе и прекращала свое существование в декабре-январе. 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.

Присутствуют галогенуглеводороды и в газах гидротермальных источниках. Так, до сих пор способствуют образованию озонных дыр твердые частицы, попавшие в стратосферу еще в 1991 году при извержении вулкана Пинатубо на Филиппинских островах. Озоновая дыра представляет опасность для живых организмов, поскольку озоновый слой защищает поверхность Земли от чрезмерных доз ультрафиолетового излучения Солнца.

История открытия озоновых дыр в атмосфере

Озоновая «дыра» (снижение концентрации озона в атмосфере) постоянно суествует над Антарктикой; зимой увеличивается, к весне — до максимума. И никакого «полного восстановления озонового слоя» не может быть Надо отметить, что озон — газ нестабильный, его молекулы довольно быстро распадаются. Постоянное наблюдение за озоновой дырой Антарктики ведётся с 1987 г.; установлено, что её размеры примерно стабильны — от 21 до30 млн.кв.км.

Озоновый слой располагается в стратосфере на высоте приблизительно 25 километров от земной поверхности. А виноваты в появлении озоновых дыр опять же люди. Нет, конечно, они не изорвали озоновый слой в прямом смысле.

В результате отсутствия солнечного излучения, во время полярных ночей озон не образуется. Это утверждение справедливо для средних и высоких широт. В остальных хлорный цикл ответственен только за 15-25 % потерь озона в стратосфере. Компания DuPont после обнародования данных об участии фреонов в разрушении стратосферного озона восприняла эту теорию в штыки и потратила миллионы долларов на кампанию в прессе по защите фреонов.

Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это, см. например справа график распределения фреона CFC-11 по высоте. Но это не так. И криптон с атомарной массой 84, и гелий с атомарной массой 4, имеют одну и ту же относительную концентрацию, что около поверхности, что до 100 км высоты.

Возникая ежегодно в августе, данная озоновая дыра исчезала в период с декабря по январь. В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой образуя стабильный фтороводород. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. В месте такого взаимодействия озоновый слой разрушается — исчезает. Впервые озоновую дыру обнаружила в 1985 году группа ученых из Великобритании во главе с Джо Фарменом (Joe Farman).

Озоновые дыры - «дети» стратосферных вихрей

Хотя озона в современной атмо сфере немного - не более одной трехмиллионной от остальных газов, - роль его чрезвычайно велика: он задерживает жест кое ультрафиолетовое излучение (коротковолновую часть солнечного спектра), разрушающее белки и нуклеиновые кислоты. Кроме того, стратосферный озон - важный климатический фактор, определяющий краткосрочные и локальные изменения погоды.

Скорость реакций деструкции озона зависит от катализаторов, в роли которых могут выступать как естественные атмосферные окислы, так и вещества, попадающие в атмосферу в результате природных катаклизмов (например, мощных извержений вулканов). Однако во второй половине прошлого века было обнаружено, что катализаторами реакций разрушения озона могут также служить вещества промышленного происхождения, и человечество не на шутку обеспокоилось...

Озон (О 3) представляет собой сравнительно редкую молекулярную форму кислорода, состоящую из трех атомов. Хотя озона в современной атмосфере немного - не более одной трехмиллионной от остальных газов, - роль его чрезвычайно велика: он задерживает жесткое ультрафиолетовое излучение (коротковолновую часть солнечного спектра), разрушающее белки и нуклеиновые кислоты. Поэтому до появления фотосинтеза - и, соответст­венно, свободного кислорода и озонового слоя в атмосфере - жизнь могла существовать только в воде.

Кроме того, стратосферный озон - важный климатиче­ский фактор, определяющий краткосрочные и локальные изменения погоды. Поглощая солнечное излучение и передавая энергию другим газам, озон нагревает стратосферу и тем самым регулирует характер планетарных тепловых и циркулярных процессов во всей атмосфере.

Неустойчивые молекулы озона в естественных условиях образуются и распадаются под действием различных факторов живой и неживой природы, причем в ходе длительной эволюции этот процесс пришел к некоторому динамическому равновесию. Скорость реакций деструкции озона зависит от катализаторов, в роли которых могут выступать как естественные атмосферные окислы, так и вещества, попадающие в атмосферу в результате природных катаклизмов (например, мощных извержений вулканов).

Однако во второй половине прошлого века было обнаружено, что катализаторами реакций разрушения озона могут также служить вещества промышленного происхождения, и человечество не на шутку обеспокоилось. Особенно общественное мнение взбудоражило открытие над Антарктидой так называемой озоновой «дыры».

«Дыра» над Антарктидой

Заметную убыль озонового слоя над Антарктидой - озоновую дыру - впервые обнаружили еще в 1957 г., в Международный геофизический год. Настоящая же история ее началась через 28 лет со статьи в майском номере журнала Nature , где было высказано предположение, что причиной аномального весеннего минимума ОСО над Антарктидой служит промышленное (в том числе и фреонами) загрязнение атмосферы (Farman et al. , 1985).

Было установлено, что озоновая дыра над Антарктидой возникает обычно раз в два года, держится около трех месяцев, а затем исчезает. Она представляет собой не сквозное отверстие, как может показаться, а углубление, поэтому более правильно говорить о «провисании озонового слоя». К сожалению, все дальнейшие исследования озоновой дыры в основном были направлены на доказательство ее антропогенного происхождения (Roan, 1989).

Сегодня существуют разные гипотезы относительно химических и динамических механизмов образования озоновых дыр. Однако в химическую антропогенную теорию не укладывается много известных фактов. Например, рост содержания стратосферного озона в отдельных географических регионах.

Вот самый «наивный» вопрос: почему дыра образуется в южном полушарии, хотя фреоны вырабатываются в северном, при том что неизвестно, имеется ли в это время воздушное сообщение между полушариями?

Ни одна из существующих теорий не опирается на широкомасштабные детальные измерения ОСО и исследования процессов, про­исходящих в стратосфере. Ответить на вопрос о степени изолированности полярной стратосферы над Антарктидой, как и на ряд других вопросов, связанных с проблемой образования озоновых дыр, удалось лишь с помощью нового метода слежения за движениями воздушных потоков, предложенного В. Б. Кашкиным (Кашкин, Сухинин, 2001; Kashkin et al. , 2002).

Воздушные потоки в тропо­сфере (до высоты 10 км) с давних пор прослеживали, наблюдая за поступательными и вращательными перемещениями облаков. Озон, по сути, также представляет собой огромное «облако» над всей поверхностью Земли, и по изменениям его плотности можно судить о движе­нии воздушных масс выше 10 км, - так же, как мы узнаем направление ветра, глядя на облачное небо в пасмурный день. Для этих целей плотность озона следует измерять в точках пространственной решетки с определенным временным интервалом, например, каждые 24 часа. Проследив, как изменилось поле озона, можно оценить угол его поворота за сутки, направление и скорость движения.

С помощью нового метода была исследована динамика озонового слоя в 2000 г., когда над Антарктидой наблюдалась рекордно большая озоновая дыра (Kashkin et al. , 2002). Для этого использовались спутниковые данные о плотности озона по всему южному полушарию, от экватора до полюса. В результате было установлено, что содержание озона минимально в центре воронки так называемого циркумполярного вихря, которая образовалась над полюсом, на чем мы подробно остановимся ниже. На основе этих данных была выдвинута гипотеза природного механизма образования озоновых «дыр».

Глобальная динамика стратосферы: гипотеза

Циркумполярные вихри образуются при движении стратосферных воздушных масс в меридиональном и широтном направлениях. Как это происходит? На теплом экваторе стратосфера выше, а на холодном полюсе - ниже. Воздушные потоки (вместе с озоном) скатываются со стратосферы как с горки, и движутся все быстрее от экватора к полюсу. Движение с запада на восток происходит под воздействием силы Кориолиса, связанной с вращением Земли. В результате потоки воздуха как бы наматываются, как нити на веретено, на южное и северное полушария.

«Веретено» воздушных масс вращается в течение всего года в обоих полушариях, но более выражено в конце зимы и начале весны, потому что высота стратосферы на экваторе почти не меняется в течение года, а на полюсах она выше летом и ниже зимой, когда там особенно холодно.

Слой озона в средних широтах создается за счет мощного притока с экватора, а также в результате фотохимических реакций, происходящих на месте. А вот озон в районе полюса обязан своим происхождением в основном поступлению с экватора и из средних широт, и его содержание там довольно низкое. Фотохимические реакции на полюсе, куда солнечные лучи падают под малым углом, идут медленно, а значительная часть озона, поступающего с экватора, успевает разрушиться в пути.

Но воздушные массы движутся так не всегда. В самые холодные зимы, когда стратосфера над полюсом очень низко опускается над поверхностью Земли и «горка» становится особенно крутой, ситуация меняется. Стратосферные потоки скатываются так быстро, что возникает эффект, знакомый каждому, кто наблюдал, как вода стекает через отверстие в ванне. Достигнув определенной скорости, вода начинает быстро вращаться, а вокруг отверстия образуется характерная воронка, создаваемая центробежной силой.

Нечто подобное происходит и в глобальной динамике стратосферных потоков. Когда потоки стратосферного воздуха набирают достаточно большую скорость, центробежная сила начинает отжимать их от полюса к средним широтам. В результате воздушные массы движутся от экватора и от полюса навстречу друг другу, что приводит к формированию быстро вращающегося «вала» вихря в области средних широт.

Обмен воздухом между экваториальной и полярной областями прекращается, озон с экватора и из средних широт на полюс не поступает. Кроме того, оставшийся на полюсе озон, как в центрифуге, отжимается к средним широтам центробежной силой, поскольку он тяжелее воздуха. В результате концентрация озона внутри воронки резко падает - над полюсом образуется озоновая «дыра», а в средних широтах - область высокого содержания озона, соответствующая «валу» циркумполярного вихря.

Весной антарктическая стратосфера прогревается и поднимается выше - воронка исчезает. Воздушное сообщение между средними и высокими широтами восстанавливается, к тому же ускоряются фотохимические реакции образования озона. Озоновая дыра исчезает до новой особенно холодной зимы на Южном полюсе.

А что в Арктике?

Хотя динамика стратосферных потоков и, соответственно, озонового слоя в северном и южном полушариях в целом схожа, озоновая дыра время от времени возникает только над Южным полюсом. Над Северным полюсом озоновых дыр не возникает, поскольку зимы там мягче и стратосфера никогда не опускается настолько низко, чтобы воздушные потоки набрали скорость, необходимую для образования воронки.

Есть и еще одно важное отличие. В южном полушарии циркумполярный вихрь вращается почти в два раза быстрее, чем в северном. И это неудивительно: Антарктида окружена морями и вокруг нее существует циркумполярное морское течение - по существу, вместе вращаются гигантские массы воды и воздуха. Иная картина в северном полушарии: в средних широтах там находятся материки с горными хребтами, и трение воздушной массы о земную поверхность не позволяет циркумполярному вихрю набрать достаточно большую скорость.

Однако в средних широтах северного полушария иногда появляются небольшие озоновые «дыры» иного происхождения. Откуда они берутся? Движение воздуха в стратосфере средних широт гористого северного полушария напоминает движение воды в мелком ручье с каменистым дном, когда на поверхности воды образуются многочисленные водовороты. В средних широтах северного полушария роль рельефа поверхности дна играют перепады температур на границе континентов и океанов, горных массивов и равнин.

Резкая смена температуры на поверхности Земли приводит к формированию в тропосфере вертикальных потоков. Стратосферные ветры, наталкиваясь на эти потоки, создают вихри, которые могут вращаться в обоих направлениях с равной вероятностью. Внутри них появляются области с пониженным содержанием озона, то есть озоновые дыры, намного меньшие по размеру, чем на Южном полюсе. И нужно отметить, что такие вихри с разными направлениями вращения были обнаружены при первой же попытке.

Таким образом, динамика стратосферных воздушных потоков, которую мы проследили, наблюдая за облаком озона, позволяет дать правдоподобное объяснение механизма образования озоновой дыры над Антарктидой. По-видимому, подобные изменения озонового слоя, обусловленные аэродинамическими явлениями в стратосфере, имели место задолго до появления человека.

Все вышесказанное вовсе не означает, что фреоны и другие газы промышленного происхождения не оказывают разрушающего действия на озоновый слой. Однако ученым еще предстоит выяснить, каково соотношение природных и антропогенных факторов, влияющих на образование озоновых дыр, - делать поспешные выводы в столь важных вопросах недопустимо.

Существует много гипотез, пытающихся объяснить сокращение концентрации озона. Причины его колебаний в атмосфере Земли связаны:

• · с динамическими процессами, происходящими в атмосфере Земли (внутренние гравитационные волны, Азорский антициклон и др.);
• · с влиянием Солнца (колебания его активности);
• · с вулканизмом, как следствием геологических процессов (истечение из вулканов фреонов, участвующих в разрушении озонового слоя, вариации магнитного поля Земли и др.);
• · с естественными процессами, происходящими в верхних оболочках Земли, включая деятельность азотопродуцирующих микроорганизмов, морские течения (феномен Эль-Ниньо), лесные пожары и др. ;
• · с антропогенным фактором, связанным с хозяйственной деятельностью человека, когда продуцируются в атмосферу значительные объемы озонразрушающих соединений.

В последние десятилетия действие антропогенных факторов резко возросло, что привело к возникновению экологических проблем, которые неожиданно были самими людьми превращены в глобальные: парникового эффекта, кислотных дождей, уничтожения лесов, опустынивания территорий, загрязнения среды вредными веществами, сокращения биологического разнообразия планеты.

Часть ученых считает, что именно хозяйственная деятельность человека во многом увеличила долю галогенового пути распада стратосферного озона, что спровоцировало возникновение озоновых дыр.

Монреальский протокол 1987 г. запретил производство хладогенов, которые в последние полвека позволяли сохранять пищевые продукты и тем самым не только позволили сделать жизнь человека более комфортной, но и спасали жизни многим миллионам людей, страдающим от нехватки продовольствия. По мере запрещения дешёвых хладоагентов слаборазвитые страны оказались не способны приобретать дорогостоящие рефрижераторы. Поэтому они не могут хранить произведенную ими сельскохозяйственную продукцию. Дорогостоящее импортное оборудование, разработанное в странах инициаторов «борьбы с озоновыми дырами», приносит им немалые доходы. Запрещение хладоагентов способствовало повышению смертности населения именно в беднейших странах.

Сегодня можно с уверенностью говорить о том, что нет каких-либо строго научно доказанных свидетельств относительно разрушительного влияния искусственно созданных хлорфлюокарбонных молекул на озоновый слой планеты. Но в научной среде преобладает точка зрения, по которой во второй половине XX века причиной уменьшения толщины озонового слоя является антропогенный фактор, который в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привел к значительному утонению озонового слоя.

Фреоны -- фторсодержащие производные насыщенных углеводородов (главным образом метана и этана), используемые как хладагенты в холодильных машинах. Кроме атомов фтора, в молекулах фреонов содержатся обычно атомы хлора, реже -- брома. Известно более 40 различных фреонов. Большинство из них выпускается промышленностью.

Хладон 22 (Фреон 22) -- относится к веществам 4-го класса опасности. Под действием температур свыше 400°C может разлагаться с образованием высокотоксичных продуктов: тетрафторэтилена (4-й класс опасности), хлористого водорода (2-й класс опасности), фтористого водорода (1-й класс опасности).

Таким образом, полученные данные укрепили вывод многих (но не всех!) исследователей в том, что наблюдаемая потеря озона в средних и высоких широтах в основном обусловлена антропогенными хлор- и бромсодержащими соединениями.

Но согласно другим представлениям образование «озоновых дыр» в значительной мере естественный, периодический процесс, не связанный исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации. Эту точку зрения сегодня разделяют не многие не только по причине отсутствия у них аргументов, а по причине того, что оказалось выгоднее идти в кильватере «глобальных утопий». Многие ученые, в отсутствии средств на научные исследования, стали и становятся жертвами грантов для обоснования идей «глобального экологического шовинизма» и виновности в этом прогресса.

Как указывает Г. Крученицкий, А, Хргиан, крупнейший специалист России по озону, практически первым обратил внимание на то, что образование и исчезновение озоновых дыр в северном полушарии коррелирует с атмосферно-динамическими, а не химическими процессами. Содержание озона может измениться на несколько десятков процентов в течении двух - трех суток. То есть дело не в озоноразрушающих веществах, а в динамике самой атмосферы.

Е. Борисенков, крупный специалист в области изучения атмосферы, на основе обработки данных девяти западноевропейских станций за двадцать три года установил корреляцию между 11-летними циклами солнечной активности и изменениями озона в атмосфере Земли.

Причины возникновения озоновых дыр в большинстве своем связывают именно с антропогенными источниками соединений, проникающими в стратосферный слой атмосферы Земли. Однако есть одна загвоздка. Она состоит в том, что основные источники озоноразрушающих соединений не располагаются в полярных (южных и северных) широтах, а сконцентрированы ближе к экватору и практически целиком находятся в северном полушарии. В то время как наиболее частые явления возникновения утонения мощности озонового слоя (собственно появление озоновых дыр) наблюдаются в Антарктиде (южном полушарии) и реже и Арктической зоне.

То есть источники озоноразрушающих соединений должны быть быстро и хорошо перемешиваться в атмосфере Земли. При этом быстро покидать нижние слои атмосферы, где также должны наблюдаться их реакции с участием озона. Справедливости ради необходимо отметить, что в тропосфере озона значительно меньше, чем в стратосфере. К тому же «срок жизни» этих соединений может достигать нескольких лет. Поэтому они могут достигать стратосферы в условиях доминирующих вертикальных перемещений воздушных масс и тепла. Но здесь появляется трудность. Поскольку основные движения, связанные с тепломассопереносом (тепло + переносимая воздушная масса), осуществляются именно в тропосфере. А поскольку температура воздуха уже на высоте 11-10 км постоянна и составляет около - 50?С, то этот тепломассоперенос тропосферного слоя в стратосферный должен быть замедлен. И участие антропогенных источников, разрушающих озоновый слой, может оказаться не столь значительным, как считается до сих пор.

Следующий факт, который может снизить роль антропогенного фактора в разрушении озонового слоя Земли, это появление озоновых дыр по большей части в весеннее или зимнее время. Но это, во-первых, противоречит допущению о возможности быстрого перемешивания озоноразрушающих соединений в атмосфере Земли и их проникновению в стратосферный слой высокой концентрации озона. Во-вторых, антропогенный источник озоноразрушающих соединений является постоянно действующим. Следовательно, причину появления озоновых дыр именно весной и зимой, да еще в полярных широтах, антропогенной причиной объяснить сложно. Зато наличие полярных зим и естественное уменьшение солнечной радиации в зимнее время удовлетворительно объясняет естественную причину возникновения озоновых дыр именно над Антарктидой и Арктикой. Например, концентрации озона летом в атмосфере Земли варьируют от 0 до 0,07%, а зимой от 0 до 0,02 %.

В Антарктиде и в Арктике механизм разрушения озона в принципе отличается от более высоких широт. Здесь в основном происходит превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды. Реакция протекает на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. В результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами. При этом, за 40-50% ответственен хлор и порядка 20-40% -- бром.

С приходом полярного лета количество озона увеличивается и снова выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой -- сезонные. Это признают все. Но если всё-таки раньше сторонники антропогенных источников озоноразрушающих соединений были склонны утверждать, что в течение года наблюдалась устойчивая динамика уменьшения концентрации озона, то в последующем эта динамика оказалась противоположной. Озоновые дыры начали уменьшаться. Хотя, по их мнению, восстановление озонового слоя должно занять несколько десятилетий. Поскольку считалось, что в атмосфере накопился огромный объём фреонов антропогенных источников, которые имеют время жизни десятки, и даже сотни лет. Поэтому затягивание озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года. Как видим, этот прогноз не оправдался. Зато усилия по снижению объемов производства фреонов были приняты кардинальные.

организм ультрафиолетовый озоновый морской

“Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания”.

Ж.Б.Ламарк.

С тех пор как сформировалось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, оно стало многообразнее и грозит стать глобальной опасностью для человечества. Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты. Реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.

Можно выделить главные причины, ведущие к экологической катастрофе:

· загрязнение;

· отравление среды обитания;

· обеднение атмосферы кислородом;

· формирование озоновых «дыр».

В данном сообщении обобщены некоторые литературные данные о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр”.

Химические и биологические особенности озона

Озон является аллотропной модификацией кислорода. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О 3 → 3О 2) и высокую окислительную способность. Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH + О 3 → RО 2 . + OH.

Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в среде, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,1 мг/м 3 .

Озона, которым так замечательно пахнет во время грозы, в атмосфере совсем немного - 3-4 ppm (промилле) - (3-4)*10 -4 %. Однако для флоры и фауны планеты его присутствие необычайно важно. Ведь зародившаяся в океанских пучинах жизнь и смогла-то "выползти" на сушу только после того, как 600–800 млн. лет назад сформировался озоновый щит. Поглощая биологически активное солнечное ультрафиолетовое излучение, он обеспечил его безопасный уровень на поверхности планеты. Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняющего все живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям – вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира. Поэтому так важно понять причины возникновения озоновой "дыры" над Антарктикой и уменьшения содержания озона в Северном полушарии.

Озон образуется в верхней стратосфере (40-50 км) при фотохимических реакциях с участием кислорода, азота, водорода и хлора. Атмосферный озон сосредоточен в двух областях – стратосфере (до 90 %) и тропосфере. Что касается распределенного на высоте от 0 до 10 км слоя тропосферного озона, то его-то как раз благодаря неконтролируемым промышленным выбросам становится все больше. В нижней стратосфере (10-25 км), где озона больше всего, главную роль в сезонных и более длительных изменениях его концентрации играют процессы переноса воздушных масс.

Толщина озонового слоя над Европой сокращается стремительными темпами, что не может не волновать умы ученых. За прошлый год толщина озонового «покрытия» сократилась на 30%, а скорость ухудшения естественной защитной оболочки достигла самой высокой отметки за последние 50 лет. Установлено, что химические реакции, разрушающие озон, происходят на поверхности ледяных кристаллов и любых иных частиц, попавших в высокие стратосферные слои над полярными районами. Какую опасность это представляет для человека?

Тонкий озоновый слой (2-3 мм при распределении вокруг Земного шара) не в силах препятствовать проникновению коротковолновых ультрафиолетовых лучей, которые вызывают рак кожи и опасны для растений. Поэтому сегодня из-за высокой активности солнца загорать стало менее полезно. Вообще-то центры экологии должны давать рекомендации населению, как действовать в зависимости от активности солнца, но в нашей стране такого центра нет.

С уменьшением озонового слоя связаны климатические изменения. Понятно, что изменения будут происходить не только на той территории, над которой «растянулась» озоновая дыра. Цепная реакция повлечет за собой изменения во многих глубинных процессах нашей планеты. Это не значит, что везде начнется стремительное глобальное потепление, как нас пугают в фильмах ужасов. Все-таки это слишком сложный и длительный процесс. Но могут возникнуть другие катаклизмы, к примеру, увеличится число тайфунов, смерчей, ураганов.

Установлено, что «дыры» в озоновом слое возникают над Арктикой и Антарктидой. Это объясняется тем, что на полюсах образуются кислотные облака разрушающие озоновый слой. Получается, что озоновые дыры возникают не от активности солнца, как принято считать, а от повседневно деятельности всех жителей планеты, в том числе и нас с вами. Потом «кислотные бреши» смещаются, причем чаще всего в Сибирь.

С использованием новой математической модели удалось связать воедино данные наземных, спутниковых и авиационных наблюдений с уровнями вероятных будущих выбросов в атмосферу озонразрушающих соединений, временем их переноса в Антарктику и погодой в южных широтах. При помощи модели был получен прогноз, согласно которому озоновый слой над Антарктикой восстановится в 2068 году, а не в 2050 году, как считалось.

Известно, что в настоящее время уровень озона в стратосфере над территориями, удаленными от полюсов, ниже нормы примерно на 6%. В тоже время, в весенний период содержание озона над Антарктикой может снижаться на 70% относительно среднегодовой величины. Новая модель позволяет более точно прогнозировать уровни содержания озонразрушающих газов над Антарктикой и их временную динамику, определяющую величину озоновой «дыры».

Использование веществ, разрушающих озон, ограничено Монреальским протоколом. Считалось, что это приведет к быстрому «затягиванию» озоновой дыры. Однако новые исследования показали, что в действительности темпы ее уменьшения станут заметными только с 2018 года.

История изучения озона

Первые наблюдения за озоном относятся к 1840 г., но бурное развитие проблема озона получила в 20-е годы прошлого столетия, когда в Англии и Швейцарии появились специальные наземные станции.

Дополнительный путь для изучения связей переноса озона и стратификации атмосферы открыли самолетные зондирования озона атмосферы и выпуски озонных зондов. Новая эпоха отмечена появлением искусственных спутников Земли, наблюдающих атмосферный озон и дающих обширный объем информации.

В 1986 году был подписан Монреальский протокол по ограничению производства и потребления озоноразрушающих веществ, разрушающих озоновый слой. На сегодняшний день к Монреальскому протоколу присоединились 189 стран. Установлены сроки прекращения производства и других озоноразрушающих веществ. По модельным прогнозам при соблюдении Протокола уровень хлора в атмосфере снизится к 2050 г. до уровня 1980 г., что может привести к исчезновению антарктической «озоновой дыры».

Причины образования “озоновой дыры”

Летом и весной концентрация озона повышается. Над полярными областями она всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980-х гг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получило название «озоновая дыра» (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не было).

Позднее, в 90-е гг прошлого века такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. Феномен Антарктической “озоновой дыры” пока не понятен: то ли “дыра” возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс.

Среди версий образования озоновых дыр можно назвать:

· влияние частиц, выбрасываемых при атомных взрывах;

· полеты ракет и высотных самолетов;

· реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны – хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора.

Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (поэтому их называют «хладонами»), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, для тушения пожаров на транспорте, как пенообразователи, для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т/год.

Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным «нарушителем порядка» в озоновом слое.

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.

Источником загрязненности воздушного бассейна являются:

1) Автомобильный транспорт. Можно предполагать, что вклад транспорта в загрязнение воздуха будет увеличиваться с ростом численности автомобилей.

2) Промышленное производство. Базовыми продуктами основного органического синтеза являются этилен (на его основе вырабатывают почти половину всех органических веществ), пропилен, бутадиен, бензол, толуол, ксилолы и метанол. В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленности присутствует широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья, промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза.

3) Аэрозоли. В качестве летучих компонентов (пропелентов) в аэрозольных упаковках широко применяются фторхлоруглеводороды (фреоны). Для этих целей использовалось около 85% фреонов и только 15% - в холодильных установках и установках искусственного климата. Специфика использования фреонов такова, что 95% их количества попадает в атмосферу через 1-2 года после производства. Считают, что почти всё произведённое количество фреонов рано или поздно должно поступить в стратосферу и включиться в каталитический цикл разрушения озона.

Земная кора содержит различные газы в свободном состоянии, сорбированные разными породами и растворённые в воде. Часть этих газов по глубинным разломам и трещинам достигают поверхности Земли и диффундирует в атмосферу. О существовании углеводородного дыхания земной коры говорит повышенное по сравнению с глобальным фоновым содержанием метана в приземном слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами.

Проведенные исследования показали, что в газах вулканов Никарагуа содержится заметные количества HF. Анализ проб воздуха, отобранных из кратера вулкана Масайя, также показали наличие в них фреонов наряду с другими органическими соединениями. Присутствуют галогенуглеводороды и в газах гидротермальных источниках. Эти данные потребовали доказательств того, что обнаруженные фторуглеводороды не имеют антропогенного происхождения. И такие доказательства были получены. Фреоны были обнаружены в пузырьках воздуха антарктического льда возрастом 2000 лет. Специалистами НАСА было предпринято уникальное исследование воздуха из герметично запаянного свинцового гроба, обнаруженного в штате Мериленд и достоверно датированного 17 веком. В нем также были обнаружены фреоны. Ещё одно подтверждение существования природного источника фреонов было “поднято ” c морского дна. CFCl 3 обнаружен в воде, извлеченной в 1982 году с глубины более 4000 метров в экваториальной части Атлантического океана, у дна Алеутской впадины и на глубине 4500 метров у берегов Антарктиды.

Заблуждения об озоновых «дырах»

Существует несколько широко распространённых мифов касательно образования озоновых дыр. Несмотря на свою ненаучность, они часто появляются в СМИ – иногда по неосведомлённости, иногда поддерживаемые сторонниками теорий заговоров. Ниже перечислены некоторые из них.

1) Основными разрушителями озона являются фреоны. Это утверждение справедливо для средних и высоких широт. В остальных хлорный цикл ответственен только за 15-25% потерь озона в стратосфере. При этом необходимо отметить, что 80% хлора имеет антропогенное происхождение. То есть вмешательство человека сильно увеличивает вклад хлорного цикла. До вмешательства человека процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона. Механизм разрушения озона в полярных областях в принципе отличается от более высоких широт, ключевой стадией является превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды, которая протекает на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. И в результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами (за 40-50% ответственен хлор и порядка 20-40% - бром).

2) Фреоны слишком тяжелы, чтоб достигать стратосферы .

Иногда утверждается, что так как молекулы фреонов намного тяжелее азота и кислорода, то они не могут достигнуть стратосферы в значительных количествах. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не расслаиваются или сортируются по весу. Оценки требуемого времени для диффузионного расслоения газов в атмосфере требуют времён порядка тысяч лет. Конечно в динамической атмосфере это невозможно. Поэтому даже такие тяжёлые газы, как инертные или фреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе и стратосферы. Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это. Если бы газы в атмосфере не перемешивались, то такие тяжёлые газы из её состава как аргон и углекислый газ образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы поверхность Земли необитаемой. К счастью это не так.

3) Основными источниками галогенов являются природные, а не антропогенные

Источники хлора в стратосфере

Есть мнение, что природные источники галогенов, например вулканы или океаны, более значимы для процесса разрушения озона, чем произведённые человеком. Не подвергая сомнению вклад природных источников в общий баланс галогенов, необходимо отметить, что в основном они не достигают стратосферы ввиду того, что являются водорастворимыми (в основном хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю.

4) Озоновая дыра должна находиться над источниками фреонов

Динамика изменения размера озоновой дыры и концентрации озона в Антарктике по годам.

Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. В виду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Поэтому они легко достигают верхних слоёв атмосферы. Антарктическая «озоновая дыра» существует не постоянно. Она появляется в конце зимы - начале весны.

Причины, по которой озоновая дыра образуются в Антарктике, связаны с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не возникает. С приходом лета количество озона увеличивается и снова выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой - сезонные. Однако, если проследить усреднённую в течение года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется строго определённая тенденция к падению концентрации озона.

5) Озон разрушается только над Антарктикой

Динамика изменения озонового слоя над Аросой, Швейцария

Это неверно, уровень озона также падает во всей атмосфере. Это показывают результаты долговременных измерений концентрации озона в разных точках планеты. Вы можете посмотреть на график изменения концентрации озона над Аросой (Швейцария).

Пути решения проблем

Чтобы начать глобальное восстановление, нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся. Люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, в частности нужны новые посадки лесов.

Для восстановления озонового слоя его нужно подпитывать. Сначала с этой целью предполагалось создать несколько наземных озоновых фабрик и на грузовых самолетах «забрасывать» озон в верхние слои атмосферы. Однако этот проект (вероятно, он был первым проектом «лечения» планеты) не осуществлен. Иной путь предлагает российский консорциум «Интерозон»: производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой «Даза» планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода. Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции «Мир» и создать на высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта.

Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время.

Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, представляется необходимым:

Расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;

Создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;

Организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.

Список литературы

1. (ru -).

2. {{cite web - | url = http://www.duel.ru/200530/?30_4_2 - | title = «Дуэль» Стоит ли оно того? - | accessdate = 3.07.2007 - | lang = ru - }}

3. И.К.Ларин. Озоновый слой и климат Земли. Ошибки ума и их исправление..

4. National Academy of SciencesГалогенуглеводороды: воздействие на стратосферный озон = Halocarbons: Effects on Stratospheric Ozone. - 1976.

5. Бабакин Б. С. Хладагенты: история появления, классификация, применение.

6. Журнал "Экология и жизнь". Статья Е.А. Жадина, кандидат физико-математических наук.