Озоновый слой, его формирование и значение для жизни на Земле

     Распределение температуры контролирует динамические процессы в атмосферном газе. Таким образом, вся система циркуляции в стратосфере, включая и вертикальный перенос газа, зависит от распределения озона. И если под влиянием антропогенных процессов распределение озона заметно изменится, должна измениться вся картина динамических процессов, включая и взаимодействие стратосферы и тропосферы.

     Расчеты с помощью атмосферных моделей  показывают, что если повсеместно уменьшить концентрацию озона в два раза, то в мезосфере произойдет охлаждение атмосферного газа на 20° С. Это охлаждение в большей части стратосферы (18–40км) составит 6 – 8° С, а на стыке тропосферы и стратосферы (7 – 18км) – 2 – 3° С.

     До  этого времени я рассматривала  лишь одно оптическое свойство молекул  озона – поглощать мягкое ультрафиолетовое излучение. Однако молекулы O3 обладают и другими свойствами, существенными для теплового режима атмосферы. Наиболее важное из них – способность поглощать излучение в инфракрасном диапазоне, точнее в полосе с длиной волны примерно 9,6мкм

Для того чтобы понять важность этого свойства озона для теплового режима атмосферы, я немного отступлю от основной линии этого пункта реферата и кратко рассмотрю формирование теплового режима атмосферы и поверхности Земли.

     В чем же суть так называемого парникового  эффекта? Суть его состоит в том, что поверхность Земли поглощать  энергию падающего на неё солнечного излучения (ближнего ультрафиолетового, видимого, инфракрасного – всего, которое до неё дошло, почти не поглотившись в воздухе) и переизлучает эту энергию в виде тепловых лучей сугубо в инфракрасной области. Если бы это инфракрасное излучение не поглощалось в атмосфере и не уходило назад в космическое пространство, на Земле было бы невыносимо холодно. Но этого не происходит потому, что большая часть переизлученной энергии не покидает нижних слоев атмосферы, а поглощается там облаками и различными малыми составляющими.

     Наиболее  активны в этом поглощении две  атмосферные составляющие – углекислый газ и пары воды. Именно они обеспечивают задержку в атмосфере большей части инфракрасного излучения. Однако существует так называемое окно прозрачности в полосе 8 – 13 мкм, где суммарное поглощение указанными двумя составляющими (CO2 и H2O) мало. В этой области в роли основного поглотителя выступает озон. Как отмечалось выше, озон имеет сильную полосу поглощения в области 9,6мкм, которая и обеспечивает захват уходящего инфракрасного излучения в середине окна. Отмечу, что у молекулы озона имеются и другие полосы поглощения в инфракрасной области (например, с длиной волны 13,8 и 14,4 мкм). Но там они накладываются на сильные полосы поглощения H2O и CO2.

     В последние два десятилетия человечество все больше беспокоит проблема усиления парникового эффекта из–за увеличения в атмосфере количества CO2. Факт монотонного роста концентрации двуокиси углерода в тропосфере в результате человеческой деятельности (уменьшение площади лесов, сжигании органического топлива, и другие промышленные процессы) установлен с высокой степенью достоверности. Этот рост за последние 20 лет составляет 0,3–0,4% в год.

Если  тенденция роста CO2 в последующие  десятилетия сохранится, то удвоение количества CO2 в атмосфере, которое существовало в доиндустриальную эру, должно произойти примерно в середине XXI в. Правда, наиболее оптимистические модели предсказывают такое удвоение лишь к 2100г. Конечно, реальная картина будет зависеть, прежде всего, от того, как быстро будет расти потребляемое человечеством количество энергии и насколько удастся заменить существующие сегодня источники энергии новыми, чистыми в экологическом отношении.

     При удвоении количества двуокиси углерода в атмосфере ожидаемое увеличение средней температуры нижней атмосферы составляет 2–3°С в средних и низких широтах и 5–6°С в полярных областях. При удвоении количества углекислого газа в стратосфере, должно произойти понижение температуры (на 10–15° С), поскольку молекулы CO2 принимают активное участие в процессах охлаждения стратосферного воздуха. Такое изменение климата Земли может иметь очень серьезные последствия для многих регионов земного шара. Именно поэтому в настоящее время идет активное обсуждение возможностей уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу и замедление роста количества CO2.

Но не только рост концентрации CO2 может привести к усилению парникового эффекта. Свой вклад вносит и рост концентрации озона в тропосфере, вызванный  антропогенным загрязнением атмосферы.

     Конечно, картина с озоном далеко не проста, как в случае CO2. Ведь молекулы O3 играют роль и в процессах нагрева атмосферного газа (за счет поглощения ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере и инфракрасного излучения поверхности в основном в тропосфере) и в процессах его охлаждения (за счет излучения молекулами O3 части поглощенной энергии). Значит можно ожидать уменьшение количества озона в стратосфере из антропогенных источников и увеличение его в тропосфере.

     Все эти сложности приводят к тому, что оценить суммарный эффект ожидаемого изменения количества озона не так просто. Тем не менее наиболее надежные, по моему мнению являются расчеты по математическим моделям, учитывающим как радиационные, так и конвективные эффекты, показывают, что при ожидаемом удвоении количества озона в тропосфере и уменьшении в двое в стратосфере климатический эффект должен быть в большей мере подобен эффекту от ожидаемого удвоения количества двуокиси углерода, но с меньшей амплитудой. Иначе говоря, если в случае удвоения CO2 вероятно увеличение температуры в среднем по Земле на 3–4°С, то в случае описанного изменения количества озона это увеличение составит около 1° С. Уменьшение вдвое количества стратосферного озона также должно вызвать эффект, подобный эффекту удвоения количества CO2,– охлаждение стратосферы на 15–20°С

     Следует отметить, что антропогенное увеличение количества озона в тропосфере, которое я рассматриваю, прежде всего, с точки зрения дополнительного вклада в парниковый эффект, неизбежно будет сопровождаться и другими отрицательными эффектами. Озон обладает токсическими свойствами, которые могут приводить к поражению легочных тканей человека (и животных), ставя таким образом под угрозу здоровье людей. Ожидается влияние обогащенного озоном воздуха на растения, а также на различные (особенно легкоокисляющиеся) материалы.

     Подводя итоги сказанного в этом пункте, следует подчеркнуть, что антропогенное увеличение количества озона в тропосфере предвещает нам также мало радостей, как и антропогенное разрушение стратосферного озона.

     1.4. Местоположение и функции озонового слоя

      Впервые мысль об опасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х годов, тогда считалось, что  основную опасность для атмосферного озона предоставляют 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 представляет 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.

     В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхности составляет в среднем 10^-6%. Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода.

     Озоновый  «экран» расположен в стратосфере, на высотах от7-8 км. на полюсах, 17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 – 24 километров над Землей.

     Слой  озона удивительно тонок. Если бы этот газ сосредоточить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку лишь в 2-4 мм толщиной (минимум – в районе экватора, максимум – у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас, почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод  (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация.

     Озон  поглощает некоторую часть инфракрасного  излучения Земли. Благодаря этому он задерживает около 20% излучения Земли, повышая отепляющее действие атмосферы.

     Озон  – активный газ и может неблагоприятно действовать на человека. Обычно его  концентрация в нижней атмосфере  незначительна и он не оказывает  вредного влияния на человека. Большие количества озона образуются в крупных городах с интенсивным движением автотранспорта в результате фотохимических превращений выхлопных газов автомашин.

     Озон, также,  регулирует жесткость космического излучения. Если этот газ хотя бы частично уничтожается, то, естественно жесткость излучения резко возрастает, а, следовательно, происходят реальные изменения растительного и животного мира.

     Уже доказано, что отсутствие или малая  концентрация озона может или  приводит к раковым заболеваниям, что самым наихудшим образом отражается на человечестве и его способностью к  воспроизводству.  

          II. РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ

          2.1. Причины ослабления озонового щита

     Озоновый  слой защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Обнаружено, что в течение многих лет озоновый слой претерпевает небольшое, но постоянное ослабление над некоторыми районами Земного шара, включая густо населенные районы в средних широтах Северного полушария. Над Антарктикой обнаружена обширная "озоновая дыра".

     Разрушение  озона происходит из-за воздействия  ультрафиолетовой радиации, космических лучей, некоторых газов: соединений азота, хлора и брома, фторхлоруглеродов (фреонов). Деятельность человека, приводящая к разрушению озонового слоя, вызывает наибольшую тревогу. Поэтому многие страны подписали международное соглашение, предусматривающее сокращение производства озоно-разрушающих веществ. Однако озоновый слой разрушает также реактивная авиация и некоторые пуски космических ракет.

       Предполагается множество причин ослабления озонового щита.

       Во-первых, – это запуски космических  ракет. Сгорающее топливо «выжигает» в озоновом слое большие дыры. Когда-то предполагалось, что эти «дыры» затягиваются. Оказалось, нет. Они существуют довольно долго.

       Во-вторых, самолеты. Особенно, летящие  на высотах в 12-15 км. Выбрасываемый ими пар и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время самолеты, летающие ниже 12 км.  Дают прибавку озона. В городах он – один из составляющих фотохимического смога.

     В- третьих – окислы азота. Их выбрасывают  те же самолеты, но больше всего их выделяется с поверхности почвы, особенно при разложении азотных удобрений.

     В – четвертых, это хлор и его  соединения с кислородом. Огромное количество (до 700 тысяч тонн) этого газа поступает в атмосферу, прежде всего от разложения фреонов. Фреоны – это не вступающие у поверхности Земли ни в какие химические реакции газы, кипящие при комнатной температуре, а потому  резко увеличивающие свой объем, что делает их хорошими распылителями. Поскольку при их расширении снижается их температура, фреоны широко используют в холодильной промышленности.

     Каждый  год количество фреонов в земной атмосфере увеличивается на 8-9%.  Они постепенно поднимаются наверх, в стратосферу и под воздействием солнечных лучей становятся активными – вступают в фотохимические реакции выделяя атомарный хлор. Каждая частица хлора способна разрушить сотни и тысячи молекул озона. 

     2.2. Озоновый щит против парникового эффекта

     Около ста лет назад шведский ученый Аррениус предположил, что рост сжигания ископаемого топлива вызовет увеличение содержания углекислого газа СО2 в атмосфере. Это усилит парниковый эффект, и произойдет сильное потепление климата. Данный прогноз в той его части, что касается климата, пока работает слабо. Однако научное и практическое обслуживание этой гипотезы развилось практически в самостоятельную отрасль. Во многих странах принимаются меры по ограничению эмиссии СО2. На этом фоне проблема спасения разрушающегося озонового слоя выглядит пасынком. Не странно ли это?

     Когда в апрельские холода 1997 г. в Москве людей удивляли сводки о жаре на юге Сибири, в газетах проскочило сообщение, что это является частью новых завоеваний всемогущего парникового  эффекта. Да, да, именно того, созданного людьми явления, которое стало угрожать цивилизации после превращения атмосферы Земли в "свалку" газообразных и аэрозольных отходов.