Истощение озонового слоя

В 1985 году, на Южном полушарии, над Антарктидой, группой британских учёных: Дж. Шанклин , Дж. Фармен, Б. Гардинер, опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature, была впервые обнаружена озоновая дыра диаметром свыше 100 км Каждый август она появлялась, а в декабре — январе прекращала своё существование. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра, но меньших размеров. На настоящий момент, мировые ученые доказали, что на Земле существует громадное количество озоновых дыр. Но наиболее опасная и крупная расположена над Антарктикой.

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. Ввиду 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 образуется 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.

Известно, что стратосферный  озон практически полностью поглощает  УФ-B-излучение (электромагнитное излучение Солнца с длиной волны λ=290÷320 нм), губительное для всех живых организмов. Истощение озонового слоя, вызываемое хлорфторуглеродами, приводит к увеличению количества УФИ-B, достигающего поверхности Земли. Следствием этого является увеличение числа случаев рака кожи у людей (меланома, карцинома и др.) и возникновение других серьёзных проблем, таких как повреждение зерновых культур и гибель значительных количеств морского фитопланктона.

К уменьшению концентрации озона  в атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение  полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению озона из приполярных широт, и образование полярных стратосферных облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее ввиду отсутствия континентальной поверхности, температура выше на несколько градусов, чем в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. 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 иодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере.

Еще в 1973 году химики Франк Шервуд Роуланд и Марио Молина в Университете Калифорнии начали изучение воздействия хлорфторуглеродов (ХФУ) в атмосфере Земли. Они открыли, что молекулы ХФУ достаточно стойки в атмосфере до тех пор как поднимутся в средние слои стратосферы, где они под действием УФ-излучения диссоциируют с образованием атомарного хлора. Роуланд и Молина предположили, что эти атомы хлора могут вызвать разрушение больших количеств озона в стратосфере. Их выводы были основаны на аналогичной работе Пауля Джозефа Крутцена и Харольда Джонстоуна, которые показали, что оксид азота (II) (NO) может ускорять разрушение озона. За работу по этой проблеме в 1995 году Крутцену, Молине и Роуланду была присуждена Нобелевская премия по химии.

Гипотеза Роуланда — Молины жёстко оспаривалась представителями промышленности, производящей аэрозоли и галогеноалканы. Председатель правления компании "Дюпон" говорил, что теория истощения озонового слоя — это "рассказ научной фантастики... груз мусора... изложенный абсурдно". Компания “Дюпон” потратила миллионы долларов на кампанию в прессе по защите фреонов. Кроме “Дюпон” целый ряд компаний во всём мире производил и производит различные типы фреонов без отчисления лицензионных платежей. Президент Precision Valve Comporation Роберт Абпланалп (изобретатель первого практичного аэрозольного спрея) писал ректору Университета Калифорнии, что недоволен публичными утверждениями Роуланда.

В защиту фреонов часто  приводился аргумент о высокой массе  молекул фреонов, из-за которой они  якобы не способны достичь стратосферы. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не сортируются по весу. Для диффузионного расслоения газов в атмосфере потребовались бы тысячи лет, что в динамической атмосфере невозможно. Процессы вертикального массопереноса, конвекции и турбулентности полностью перемешивают атмосферу намного быстрее. Поэтому даже такие тяжёлые газы, как фреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе и стратосферы. Это подтверждают экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере. Также измерения показывают, что требуется порядка пяти лет для того чтобы газы выделившиеся на поверхности Земли достигли стратосферы. 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.

С целью защиты озонового слоя с помощью снятия с производства некоторых химических веществ, которые разрушают озоновый слой, к Венской конвенции об охране озонового слоя 1985 года был разработан так называемый Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. На настоящий момент 196 государств-членов ООН ратифицировали первоначальную версию Монреальского протокола, но не все страны ратифицировали последующие поправки. Так, например, только 161 страна подписала Пекинскую поправку. СССР подписал Монреальский протокол в 1987 году, а в 1991 году Россия, Украина и Белоруссия подтвердили свою правопреемственность этому решению. И все же, если страны, подписавшие протокол, будут его придерживаться и в будущем, то можно надеяться, что озоновый слой восстановится к 2050 году. Кофи Аннан, бывший генеральным секретарем ООН с 1997 по 2006 год, сказал, что «возможно, единственным очень успешным международным соглашением можно считать Монреальский протокол».