Изменяющийся озоновый слой

Вся жизнь на земле зависит от существования на большой высоте в атмосфере тонкого слоя ядовитого газа – озонового слоя. Молекула озона – О3, это одна из разновидностей элементарного кислорода – О, в молекуле которого находится три атома вместо двух, как в обычной молекуле кислорода – О2.
Озон был открыт К. Ф. Шонбейном в 1839 году при наблюдении за электрическими разрядами, однако лишь в 1850 году было установлено, что озон является одной из естественных составляющих атмосферы. Его название происходит от греческого слова, означающего «запах», что связано с наличием у присутствующего в больших концентрациях озона резкого характерного запаха.
Озон довольно редко встречающийся компонент в атмосфере Земли: на каждые десять миллионов молекул воздуха приходится примерно три молекулы озона. Если весь озон, содержащийся в атмосфере, распределить по поверхности земного шара, то получится слой толщиной всего около 3 мм. Образуется озон в стратосфере в результате воздействия солнечной радиации на молекулы кислорода, молекулы кислорода разлагаются на отдельные атомы кислорода, которые в свою очередь соединяются с молекулярным кислородом, и образуется озон. Мощность солнечного излучения влияет на скорость его образования. В среднем в атмосфере Земли ежесекундно образуется и исчезает около 100 тонн озона.
Полагают, что озоносфера возникла около пятисот миллионов лет назад, когда в атмосферу начал поступать биогенный (фотохимического происхождения) кислород. С возникновением 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 (+ 30о 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 широких высотах она становится в 1,5 – 2,0 раза мощнее, сильно варьирует с сезоном (максимум толщи для северного полушария — весна) и может измениться в течение нескольких суток на 20-30%.
В основном (около 90 процентов), озона сконцентрировано в верхних слоях атмосферы – стратосферы, на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли. Если рассматривать столб озона, проходящий через всю атмосферу, то он имеет максимальное давление в нижней части стратосферы на высоте 19-23 км над поверхностью Земли.
Этот озоновый слой поглощает, за исключением небольшой доли, почти все вредное ультрафиолетовое излучение (УФ-В), с длиной волны менее 310 нм, источником которого является солнце. Именно поэтому он защищает растительный и животный мир от УФ-В излучения, которое в больших дозах может оказаться особенно вредным для жизни на Земле. Таким образом, любое повреждение озонового слоя приводит к увеличению интенсивности УФ-В излучения, достигающего поверхности Земли.
Уменьшение количества озона может привести к опасным последствиям, причем не только для человека, но и для других форм жизни на земле (животных, растительности, микроорганизмов), состояния материалов и качества воздуха, а также для химии тропосферы. Увеличение интенсивности УФ-В излучения, которому удается проникнуть через озоновый слой, может наносить значительный вред здоровью человека, например, вызывать возникновение катаракты глаз: по имеющимся оценкам, усиление процесса разрушения стратосферного озона на 1 процент приводит к увеличению случаев заболевания катарактой на 0,6-0,8 процентов (в масштабе планеты это дополнительно 100-150 тыс. случаев). УФ-В излучение может привести к повреждению генетической ДНК и подавлению деятельности иммунной системы, что может стать довольно серьезной проблемой в тех районах, где инфекционные заболевания являются обычным явлением. Среди группы населения со светлым цветом кожи УФ-В излучение может стать фактором роста случаев немеланомного рака кожи: результаты исследований свидетельствуют о том, что сокращение озона на 1 процент вызывает увеличение числа случаев раковых заболеваний на 2 процента. При этом, однако, умеренное излучение, которое содействует образованию витамина Д в кожной ткани, оказывает благоприятное воздействие. С усилением воздействия УФ-В излучения, особенно в детском возрасте, связан риск возникновения более серьезного заболевания – меланомы кожи. В настоящее время меланома является одной из наиболее распространенных видов раковых опухолей, которыми страдают люди с белым цветом кожи.
Животные также испытывают на себе аналогичные последствия, связанные с более интенсивным УФ-В излучением. Морская фауна и флора особенно уязвимы при воздействии УФ-В излучения, что вызывает определенную тревогу, поскольку морская среда является источником более 30% имеющегося в мире животного белка, потребляемого человеком. УФ-В излучение наносит ущерб рыбам, креветкам, крабам и другим представителям морской флоры и фауны на ранних этапах их развития и приводит к сокращению продуктивности фитопланктона, который является основой морской пищевой цепи. Фитопланктон, обитающий главным образом в районе полюсов и поэтому особенно испытывающий на себе последствия разрушения озона, в результате сокращения озона на 16 процентов может уменьшиться в объеме на 5 процентов, что означает потерю примерно 7 млн. тонн рыбы в год. УФ-В излучение может замедлить рост растений, что может отразиться на урожайности сельскохозяйственных культур и их качестве, а также нанести ущерб лесным массивам. Уменьшение продуктивности морских экосистем и экосистем суши может в свою очередь сократить объем поглощения диоксида углерода (СО2), ускоряя, таким образом, процесс глобального потепления.
До начала 1970-х годов никто не имел представления о том, что деятельность человека таит в себе угрозу разрушения озонового слоя. Затем ученые определили две потенциальные проблемы: угроза от выбросов от сверхзвуковых самолетов, совершающих полеты в нижней стратосфере, и угроза от химических веществ, используемых в холодильном и кондиционирующем оборудовании и в качестве пропеллентов (газов-вытеснителей) в аэрозольных упаковках.
В 1971 году Г. С. Джонсон из университета Калифорнии указал на потенциальную опасность, исходящую от большого флота сверхзвуковых самолетов, выбрасывающих значительное количество окиси азота в нижнюю стратосферу, которая, по всей вероятности, ускоряет естественное разрушение озона. Тремя годами позже Ф.Ш. Роулэнд и М. Молина показали, что широко используемые, очень инертные вещества, известные как хлорфторуглероды (ХФУ), переносятся в результате конвективного движения воздуха в стратосферу. В стратосфере они могут поглощать обладающие высокой энергией фотоны из солнечного света и выделять свободный хлор. Высвобожденный хлор после ряда каталитических реакций отщепляет один атом кислорода от молекулы озона, преобразуя, таким образом, озон в молекулярный кислород, т.е. разрушает находящийся в стратосфере озон.
В настоящее время известно, что бром из галоидированных углеводородов, используемых в некоторых огнетушителях (галоны), также может высвобождаться в стратосфере и оказывать даже более разрушительное воздействие на озон. Некоторые хлорфторуглероды и галоидированные углеводороды могут сохраняться в атмосфере более 100 лет. В дальнейшем эти вещества были выделены в группу озоноразрушающих веществ (ОРВ).
Перемешиваемые воздушными потоками галоидоуглеводороды, выброшенные в атмосферу в течение 60 последних лет, могут в течение десятилетий оставаться угрозой для озонового слоя. Они несут в стратосферу тысячи тонн хлора и брома в атомарном виде. Это во много раз больше, чем количество хлора и брома, поступающего в стратосферу естественным путем из океанов в форме хлористого метила и бромистого метила.
На протяжении 70-х и 80-х годов ученые обнаружили, происходящее во все возрастающих масштабах утончение озонового слоя. Это сопровождалось увеличением УФ-В излучения, достигающего поверхности земли: в 1994 году УФ-В радиация по своей интенсивности была на 8-10 процентов выше, по сравнению с показателями 15-летней давности, на уровне 45о северной и южной широты (широта Оттавы и Венеции в северном полушарии и Дунедина в южном) с увеличением соответствующих показателей по мере приближения к полюсам, особенно в южном полушарии.
За последние 10 лет среднегодовая концентрация озона в средних и высоких широтах на высоте около 20 км уменьшилась примерно на 10%.
Кроме общих показателей снижения концентрации озона есть сообщения о локальных изменениях в концентрации озона в атмосфере. В публикациях 1992 года отмечено значительное снижение концентрации озона в атмосфере над Москвой (декабрь 1991 г. – на 20-25%, январь 1992 г. – на 20-45%), над севером европейской части России, Сибирью и Якутией.
В 1975 году потери концентрации озона над территорией России в среднем достигали 25%, а над Якутией – до 30% в зоне радиусом до 1500 км.
По данным Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета, в середине апреля 1997 года 15 млн. км российских земель вновь оказались «накрыты» атмосферой с самой низкой концентрацией озона за всю историю подобных наблюдений.
В опасной зоне находятся Западная и Восточная Сибирь, вплоть до Дальнего Востока. В Якутии, особенно в районе Тикси, недостает 32-37% необходимого озона. Другая опасная зона наблюдалась в районе Мурманска и Архангельска, где не хватало 25% озона.
Уменьшение количества озона особенно заметно над холодным арктическим континентом. В 1985 году специалисты по исследованию атмосферы из Британской антарктической службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 годы на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие, что область понижения содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, то есть значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонового слоя над Антарктидой был Международный Самолетный антарктический озоновый эксперимент. В его ходе ученые 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имелась «озоновая дыра». В начале 80-х годов по измерениям со спутника «Нимбус-7» аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда, она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней не так велико – около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 год содержание озона упало на 5%.
После открытия этого явления было выдвинуто ряд гипотез, его объясняющих. К наиболее достоверной относят гипотезу о взаимном влиянии переохлаждения облаков в нижней стратосфере до температур, близких к –(70-50)оС, и зон, расположенных в околополюсной области, с резко выраженной концентрацией озоноразрушающих примесей. В этой области концентрации CIO и CIO2 в августе и сентябре почти в 100 раз выше, чем вне этой области.
С появлением в августе над Антарктидой солнца оксиды хлора начинают интенсивно разрушать озон, что и приводит к образованию «дыр». После прогрева солнцем зоны над Антарктидой воздушные массы приносят озон в полюсную зону извне, и «озоновая дыра» исчезает.
Таким образом, явление Антарктической «озоновой дыры» — результат сочетания сложных физических, фотохимических и динамических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не происходит. Зимой над Антарктидой образуется устойчивый вихрь, препятствующий потоку богатого озоном воздуха со средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озоновому слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктидой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже –80оС. Можно предположить, что соединения озона конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Все это говорит о том, что ХФУ способны вызвать заметное понижение концентрации озона только в специфических условиях Антарктиды, а для подобного эффекта в средних широтах концентрация активного хлора должна быть значительно выше.
Возможности воздействия человека на природу растут и уже достигли такого уровня, когда можно нанести биосфере непоправимый ущерб. Уже не в первый раз вещество, которое долгое время считалось совершенно безобидным, оказывается на самом деле опасным. Лет сорок назад вряд ли кто-нибудь мог предположить, что обычный аэрозольный баллончик может представлять серьезную угрозу для планеты в целом. К несчастью, далеко не всегда удается вовремя предсказать, как то или иное соединение будет воздействовать на биосферу. Быть может, проблема ХФУ научит с большим вниманием и осторожностью относиться ко всем веществам, попадающим в биосферу в результате человеческой деятельности.