Роль озона в атмосфере

У каждой из гипотез были свои плюсы и минусы. В рамках антропогенной концепции было трудно ответить на вопрос о том почему “дыра” (если она отражает общую тенденцию все возрастающего загрязнения атмосферы) наблюдается, лишь над Антарктикой и только весной. А сторонникам метеорологической природы “дыры” было трудно объяснить, почему последняя не наблюдалась до начала 80-х годов и почему в 80-х она появилась и стала усиливаться год от года.

В октябре 1987 года были получены данные, которые показали, что к антропогенному загрязнению атмосферы явление “озоновой дыры” имеет самое прямое отношение.

Согласно одному из них уменьшение озона связано с увеличением оксидов азота, вызванных в свою очередь солнечной активностью. Как известно, максимум солнечной активности в последнем 11-летнем цикле наблюдается в 1979 – 1983 гг. В это же время наблюдалось увеличение (на 30 – 60%) концентрации оксидов азота в мезосфере Южного полушария. 

В последующем отмечался перенос оксидов на более низкие уровни в стратосферу в период полярной ночи. Фотохимические реакции “азотного” цикла с участием оксидов азота, как мы знаем, приводят к разрушению озона, что обуславливает снижение его концентрации в стратосфере и образовании озоновой дыры. Наблюдавшиеся отставания по времени между максимумом солнечной активности и ореолом развития озоновой дыры в 1985-м и последующих годах объясняются следующим образом.

К моменту максимума и начала спада солнечной активности происходит резкое увеличение нисходящего потока оксидов азота в стратосферу и последующее формирование озоновой дыры. В период спада солнечной активности на границе мезосферы поток оксидов азота уменьшается, но в стратосфере их концентрация максимальна, а, следовательно, содержание озона минимально. Наконец, на последней стадии, которая началась в 1986г. и к90-м годам еще не закончилась, в минимуме солнечной активности содержание оксидов азота в стратосфере уменьшается, а количество озона должно увеличиваться и состояние озонового слоя должно возвратиться к первоначальному.

Такой механизм мог реально объяснить процесс формирования озоновой дыры. В его пользу до последнего времени говорил тот факт, что в 1988 г. наблюдалось значительное увеличение концентрации озона по сравнению с предыдущим годом, осенью которого отмечалось максимальное разрушение озонового слоя над Антарктидой. Однако измерения 1989г. показали, что дыра вновь появилась, т.е. вместо ее исчезновения, при спаде солнечной активности, начинают отмечаться колебания величины от года к году.

Помимо этого, в рамках данного механизма остаются без ответа, по крайней мере, два вопроса. Первый: почему в процессе предшествующих 11-летних циклов солнечной активности не формировалась озоновая дыра? В частности, один из предыдущих циклов, максимум, которого приходится на 1958 – 1960гг., обладал активностью большей, чем текущий. Однако в те годы отмечено лишь небольшое снижение концентрации озона, которое возможно связанно с последствиями ядерных испытаний. Второй вопрос: почему озоновая дыра формировалась только в Южном полушарии?

Другой предполагаемый механизм связывает образование озоновой дыры с “хлорным” циклом антропогенного происхождения. Механизм, связанный с реакциями хлорного цикла, предполагает поступление хлорных соединений в полярную стратосферу благодаря циркуляции атмосферы. А в атмосферу разрушающие озон соединения поступают с поверхности Земли непрерывно из миллионов аэрозольных упаковок, бытовых холодильников, рефрижераторов, в результате выбросов химических заводов и т.д. И не смотря на то, что хозяйственная деятельность человека пока еще не привела к заметному снижению суммарного содержания озона в атмосфере, фреоны могут быть причастны к разрушению озонового слоя над Антарктидой – таково мнение большой группы ученых.

Но и в этом механизме есть безответный вопрос: почему антропогенно обусловленный механизм не проявил себя в Северном полушарии, где поступление хлорных, бромистых и других соединений, разрушающих озон, идет более интенсивно?

Третий возможный механизм – так называемый динамический – пытается объяснить формирование озоновой дыры чисто циркуляционными процессами в стратосфере и мезосфере и горизонтальным перераспределением озона при общем его постоянстве. Опуская аргументацию сторонников такого механизма, отмечу лишь, что при указанной циркуляции должен происходить отток озона из полярной озоносферы и его накапливание в полосе 60 – 70 градусов южной широты.

Хотя такое накапливание и наблюдалось, но ожидаемый по этой теории баланс озона в Южном полушарии отсутствовал,– суммарное содержание озона там в этот период снижалось. Так, в основании результатов измерений, проведенных в ходе полетов исследовательского самолета НАСА между Калифорнией и Чили, в сентябре – октябре 1989г. произошло значительное обеднение (до 15-30%) слоя озона за пределами озоновой дыры в южных широтах до 50 градусов.

Над самой Антарктидой химические реакции, протекающие на поверхности частиц льда, обуславливают высвобождение хлора в активной форме, который разрушает озон. За пределами полярного района частиц льда мало и возможным объяснением разрушения слоя озона может быть активный хлор, выделяющийся при аналогичных реакциях, протекающих на поверхности капелек серной кислоты. Следовательно, одним динамическим механизмом трудно объяснить формирование озоновой дыры. Таким образом, ни один из предложенных механизмов в отдельности не в состоянии дать исчерпывающую разгадку снижения концентрации озона в стратосфере южно - полярного бассейна.

Как уже указывалось, отмечены первые признаки снижения концентрации озона в Северном полушарии. Следует отметить, что характер атмосферных движений в стратосфере обоих полушарий существенно различен. В Северном полушарии температура в среднем выше, а взаимодействие и обмен между полярной областью и средними широтами более эффективны. Разрушение полярного вихря происходит раньше в Северной полярной зоне, что ограничивает эффективность фотохимических реакций, происходящих в вихре при низких температурах. Поскольку циркуляция вихря в арктических широтах слабее, чем устойчивая циркуляция вихря, опоясывающего Антарктиду, в северную субполярную область примесей с воздушными потоками поступает меньше, чем в южную, и образование дыры не происходит.

Не все ученые разделяют озабоченность и тревогу, связанные с появлением озоновой дыры. Критически анализируя утверждение, что озоновая дыра является началом разрушения озоносферы, эти исследователи считают, что антарктическая дыра в это время года представляет обычное естественное явление, которое может усиливаться внеземными факторами, такими, как солнечные протонные вспышки и метеоритные потоки. Имеются даже упреки в том, что противоречивость суждений о причинах возникновения озоновой дыры просто выгодна исследователям, занимающимся наблюдениями атмосферного озона, и подобная неопределенная ситуация является для них желательной.

Поиск достоверного ответа на заданный природой вопрос породил целый спектр мнений о механизме возникновения озоновой дыры и последствиях ее воздействия на нашу планету: начиная от полного благодушия, и кончая предсказанием озоновой катастрофы. Что находится между этими крайними точками зрения – истина или новая проблема,– покажут дальнейшие исследования.

7. ЧЕМ НАМ ГРОЗИТ  «ОЗОНОВАЯ ДЫРА».

Возникновение “озоновых дыр” (сезонное уменьшение содержания озона вдвое и более) впервые наблюдали в конце 70-х годов над Антарктидой. В последующие годы длительность существования и площадь “озоновых дыр” росли, и к настоящему времени они уже захватили южные регионы Австралии, Чили и Аргентины. Параллельно, хотя и с некоторым запозданием, развился процесс истощения озона над Северным полушарием.

Вначале 90-х годов наблюдали 20 – 25 % его уменьшения над Скандинавией, Прибалтикой и северо-западными областями России. В отличных от приполярных широтных зон истощение озона менее выражено, однако, и здесь оно является статистически достоверным (1,5–6,2% за последнее десятилетие).

Истощение озонового слоя может оказать значительное влияние на экологию Мирового океана. Многие из имеющихся в нем систем испытывают стресс уже при существующих уровнях естественной Ультрафиолетовой радиации, и увеличение ее интенсивности для некоторых из них может оказаться катастрофическим. В результате воздействия ультрафиолетового излучения у водных организмов нарушается адаптивное поведение (ориентация и миграция), подавляются фотосинтез и ферментативные реакции, а также процессы размножения и развития, особенно на ранних стадиях. Поскольку чувствительность к ультрафиолетовой радиации разных компонентов водных экосистем существенно различается, то в результате разрушения стратосферного озона следует ожидать не только уменьшения общей биомассы, но и изменение структуры водных экосистем. В этих условиях могут погибать и вытесняться полезные чувствительные формы и усиленно размножаться резистентные, токсичные для окружающей среды, например сине-зеленые водоросли.

Эффективность водных пищевых цепей в решающей степени определяется продуктивностью их начального звена – фитопланктона. Расчеты показывают, что в случае 25%-го разрушения стратосферного озона следует ожидать 35%-го снижения первичной продуктивности в поверхностных слоях океана и 10%-го снижения во всем слое фотосинтеза.

Значимость прогнозируемых изменений становится очевидной, если принять во внимание, что фитопланктон утилизирует более половины углекислого газа в процессе глобального фотосинтеза, и лишь 10-го снижения интенсивности этого процесса эквивалентно удвоению выброса углекислого газа в атмосферу в результате сжигания полезных ископаемых.

Кроме того, ультрафиолетовая радиация подавляет продукцию фитопланктоном диметилсульфида, играющего важную роль в формировании облачности. Последние два феномена могут вызвать долговременные изменения глобального климата и уровня Мирового океана.

Из биообъектов вторичных звеньев водных пищевых цепей ультрафиолетовое излучение способно непосредственно поражать икру и мальков рыб, личинки креветок, устриц и крабов, а также других мелких животных. В условиях истощения стратосферного озона прогнозируется рост и гибель мальков промысловых рыб и, кроме того, снижение улова в результате уменьшения первичной продуктивности Мирового океана.

В отличие от водных организмов, высшие растения могут частично адаптироваться к увеличению интенсивности естественной ультрафиолетовой радиации, однако в условиях 10-20%-й редукции озонового слоя у них наблюдается торможение роста, уменьшение продуктивности и изменения состава, снижающие пищевую ценность. Чувствительность к ультрафиолетовой радиации может существенно различаться как у растений разных видов, так и у разных линий одного вида. Культуры, районированные в южных регионах, более резистентные по сравнению с районированными в зонах умеренного климата.

Очень важную, хотя и посредственную, роль в формировании продуктивности сельскохозяйственных растений играют почвенные микроорганизмы, оказывающие значительное влияние на плодородие почв. В этом смысле особый интерес представляют фототрофные цианобактерии, обитающие в самых верхних слоях почв и способные утилизировать азот воздуха с последующим использованием его растениями в процессе фотосинтеза. Эти микроорганизмы (особенно на рисовых полях) подвергаются непосредственному воздействию ультрафиолетовой радиации.

Радиация способна инактивировать ключевой фермент ассимиляции азота – нитрогеназу. Таким образом, в результате разрушения озонового слоя следует ожидать уменьшение плодородия почв. Весьма вероятным является также вытеснение и отмирания других полезных форм почвенных микроорганизмов, чувствительных к ультрафиолетовой радиации, и размножением устойчивых форм, часть которых может оказаться патогенными.

8. ОЗОН И ЗДОРОВЬЕ.

Как приятно прогуляться после грозы! Воздух чист и свеж, его бодрящие струи, кажется, без всяких усилий сами втекают в легкие. «Озоном пахнет, – часто говорят в таких случаях. – Очень полезно для здоровья». Так ли это?

Когда-то озон безусловно считали полезным для здоровья. Но если его концентрация превышает определенный порог, он может вызывать массу неприятных последствий. В зависимости от концентрации и времени вдыхания озон вызывает изменения в легких, раздражение слизистых глаз и носа, головную боль, головокружение, снижение кровяного давления; озон уменьшает сопротивляемость организма бактериальным инфекциям дыхательных путей. Предельно допустимая его концентрация в воздухе составляет всего 0,1 мкг/л, а это означает, что озон намного опаснее хлора! Если несколько часов провести в помещении при концентрации озона всего лишь 0,4 мкг/л, могут появиться загрудинные боли, кашель, бессонница, снижается острота зрения. Если долго дышать озоном при концентрации больше 2 мкг/л, последствия могут быть более тяжелыми – вплоть до оцепенения и упадка сердечной деятельности. При содержании озона 8–9 мкг/л через несколько часов происходит отек легких, что чревато смертельным исходом. А ведь такие ничтожные количества вещества обычно с трудом поддаются анализу обычными химическими методами. К счастью, человек чувствует присутствие озона уже при очень малых его концентрациях – примерно 1 мкг/л, при которых йодкрахмальная бумажка еще и не собирается синеть. Одним людям запах озона в малых концентрациях напоминает запах хлора, другим – сернистого газа, третьим – чеснока.

Ядовит не только сам озон. С его участием в воздухе образуется, например, пероксиацетилнитрат (ПАН) СН3–СО–ООNО2 – вещество, оказывающее сильнейшее раздражающее, в том числе слезоточивое, действие, затрудняющее дыхание, а в более высоких концентрациях вызывающее паралич сердца. ПАН – один из компонентов образующегося летом в загрязненном воздухе так называемого фотохимического смога (это слово образовано от английского smoke – дым и fog – туман). Концентрация озона в смоге может достигать 2 мкг/л, что в 20 раз больше предельно допустимой. Следует также учесть, что совместное действие озона и оксидов азота в воздухе в десятки раз сильнее, чем каждого вещества порознь. Не удивительно, что последствия возникновения такого смога в больших городах могут быть катастрофическими, особенно если воздух над городом не продувается «сквозняками» и образуется застойная зона.

Так, в Лондоне в 1952 от смога в течение нескольких дней погибло более 4000 человек. А смог в Нью-Йорке в 1963 убил 350 человек. Аналогичные истории были в Токио, других крупных городах. Страдают от атмосферного озона не только люди. Американские исследователи показали, например, что в областях с повышенным содержанием озона в воздухе время службы автомобильных шин и других изделий из резины значительно уменьшается.