Озоновый слой

Озоновый слой — часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км, в котором под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца кислород (О2) ионизируется, приобретая третий атом кислорода, и получается озон (О3). Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения.

Космические лучи были открыты в 1912 г. В. Гессом. Различают первичные космические лучи - космические лучи до входа в атмосферу и вторичные космические лучи, образовавшиеся в результате процессов взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли.

Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Наибольшая плотность озона встречается на высоте 20 км, наибольшая часть в общем объёме — на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

Что значит озоновая дыра? Озон это кислород (О2), который на высоте от 12 до 50 километров под воздействием солнечных лучей ионизируется, приобретая при этом еще один атом кислорода, в результате чего и получается озон (О3). Озоновый слой есть скопление молекул озона в верхних слоях атмосферы, этот слой и предохраняет жизнь на земле от опасных ультрафиолетовых лучей. Обширные зоны, где наблюдается снижение концентрации озона в верхних слоях атмосферы, получили названия Озоновые дыры.

Первую озоновую дыру обнаружили в 1985 году над южным полюсом Земли. Она периодически то появлялась, то пропадала. Восстановление озонового слоя над Антарктидой происходило в то время, когда южный полюс Земли был повернут к Солнцу. Над Антарктикой зафиксирована самая большая озоновая дыра за всю историю наблюдений за озоновым слоем. "С 21 по 30 сентября над Антарктикой зафиксирована самая большая озоновая дыра из тех, которые когда-либо приходилось наблюдать. Ее площадь составляет 27 млн 454 тыс. кв. км", - приводит пресс-служба NASA слова ученого Пола Ньюмана из Центра космических полетов Годдарда. В том случае, если бы погодные условия были нормальными, то дыра, как ожидалось, составила бы до 24 млн 87 тыс. кв. километров."Полученные данные говорят о том, что озона в этой части атмосферы практически не осталось. По всей видимости озоновая дыра 2006 г. побьет все рекорды", - отмечает директор подразделения Глобального мониторинга в лаборатории изучения систем Земли Национальной океанографической и атмосферной администрации США Дэвид Хофманн. По данным NASA, более низкая температура атмосферы приводит к увеличению озоновой дыры, тогда как теплая погода способствует образованию небольших "дырочек". Информация метеорологических спутников и зондов говорит о том, что в конце сентября температура воздуха над Антарктикой была ниже средних показателей на пять градусов по Цельсию. Это и стало причиной увеличения прогнозируемого размера озоновой дыры. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра меньших размеров. Несмотря на то, что в настоящее время изменения озонового слоя над Арктикой не идут ни в какое сравнение с теми изменениями, которые произошли в Антарктиде, в арктической стратосфере были выявлены аналогичные процессы.

Разрушения озонового слоя происходит главным образом из-за химической активности его молекул. Вступая в связи с такими веществами как хлор, бром, водород, метан они входят в реакцию с ними, в результате чего молекулы озона образуют иные химические соединения, теряя при этом свои свойства задерживать солнечную радиацию. К уменьшению концентрации озона в атмосфере так же 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 в виду 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. Промышленность, бытовые приборы и транспорт подымает содержание этих веществ в атмосфере, и разрушение озонового слоя происходит быстрее, чем его восстановление. Главными веществами, вносящими вклад в разрушению 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.

Истончается и сам озоновый слой Земли. С разрушением озонового слоя повышается интенсивность ультрафиолетового излучения, которое оказывает самое различное воздействие на людей, животных, растения, материалы: может привести к ослаблению иммунной системы организма, вызвать серьезное поражение глаз (по имеющимся данным, число заболеваний катарактой увеличится на 0,6% при разрушении озонового слоя на 1%, в результате на Земном шаре ослепнет порядка 100 тыс. человек). Есть расчеты, согласно которым Ежегодно по этой причине заболевают около 10 тыс. человек. Каковы будут последствия разрушения порядка 15% суммарного озона? Связанное с этим увеличение УФ-радиации, достигающей поверхности земли, по некоторым данным, приведет к увеличению на 30% несмертельными заболеваниями рака кожи. Однако воздействие солнечных лучей весьма связано с образом жизни: люди, носящие головные уборы в жарком климате, в меньшей мере подвержены риску, чем принимающие солнечные ванны в умеренном. В особенности важно учитывать, что в некоторых районах Европы и Северной Америки за последние 30 лет на 200% увеличилось число заболеваний раком, связанных с УФ-радиацией и, предположительно, с образом жизни. Но если человек может защитить себя от ультрафиолетового излучения, животный и растительный мир остается перед ним беззащитным.

Хотя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов хлор- и бромсодержащих фреонов путём перехода на другие вещества, например фторсодержащие фреоны, процесс восстановления озонового слоя займёт несколько десятилетий. Учеными ведутся поиски других путей восстановления озонового слоя. Например для этой цели предлагалось создать фабрики по производству озона, после чего доставлять оный на самолетах в атмосферу. Другим вариантом является создание аэростатов оснащенных лазерами, имеющих питание от солнечных батарей, которые будут использовать кислород для создания озона. Наиболее же реальным выходом из этой ситуации является сокращение вырубки лесов, и увеличением зеленых насаждений. Прежде всего, это обусловлено огромным объёмом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые имеют время жизни десятки и даже сотни лет. Поэтому затягивание озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года.

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.

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 (подробнее про вклад различных циклов см. ст. озоновый слой). То есть вмешательство человека сильно увеличивает вклад хлорного цикла. И при имевшейся тенденции к увеличению производства фреонов до вступления в действие Монреальского протокола (10 % в год) от 30 до 50 % общих потерь озона в 2050 году обуславливалось бы воздействием фреонов.  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. Что же касается полярных озоновых дыр, то здесь ситуация совершенно иная. Механизм разрушения озона 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.

Переход на озоносберегающие технологии не только экологически, но и экономически обоснован-Российская Федерация приняла на себя все обязательства СССР, и с 2000 года в соответствии с Монреальским протоколом в России прекращено производство озоноразрушающих веществ. Поскольку в силу ряда причин экономического, политического и финансового характера Россия не успела разработать и внедрить собственные альтернативные технологии, это привело к практически полной ликвидации российского производства аэрозолей и холодильного оборудования. Фактически, альянс DuPont — ICI монополизировал производство оборудования для синтеза 1,1,1,2-тетрафторэтана, который в период подписания Монреальского протокола позиционировался как единственная альтернатива озоноразрушающим хладонам. К счастью, большая часть промышленных холодильных установок в России работает на аммиаке, а именно: 70 % холодильных установок для овоще- и фруктохранилищ, 60 % — в мясной промышленности, 50 % — в кондитерском производстве, 80 % — в производстве пива и напитков. Аммиак хотя и является высокотоксичным, пожаро- и взрывоопасным веществом, но не приводит к разрушению озона.

DuPont инициировал запрет старых и переход на новые типы фреонов потому что у них истекал срок действия патента-DuPont после обнародования данных об участии фреонов в разрушении стратосферного озона восприняла эту теорию в штыки и потратила миллионы долларов на компанию в прессе по защите фреонов. Председатель DuPont писал в статье в журнале Chemical Week от 16 июля 1975 года, что теория разрушения озона - это научная фантастика, вздор, не имеющий смысла. Кроме DuPont целый ряд компаний во всём мире производил и производит различные типы фреонов без отчисления лицензионных платежей.

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. Процессы вертикального массопереноса, конвекции и турбулентности полностью перемешивают атмосферу ниже турбопаузы намного быстрее. 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, см. например справа график распределения фреона CFC-11 по высоте. Также измерения показывают, что требуется порядка пяти лет для того чтобы газы выделившиеся на поверхности Земли достигли стратосферы, см. второй график справа. 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. 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. Конечно, всё вышесказанное справедливо только для газов, которые относительно стабильны, как фреоны или инертные газы. Вещества, которые вступают в реакции, а также подвергаются различным физическим воздействиям, скажем растворяются в воде, имеют зависимость концентрации от высоты.

Основными источниками галогенов являются природные, а не антропогенные- 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. Также природные соединения менее устойчивы, чем фреоны, например метилхлорид имеет атмосферное время жизни всего порядка года, по сравнению с десятками и сотнями лет для фреонов. Поэтому их вклад в разрушении стратосферного озона довольно мал. Даже редкое по своей силе извержение вулкана Пинатубо в июне 1991 года вызвало падение уровня озона не за счёт высвобождаемых галогенов, а за счёт образования большой массы сернокислых аэрозолей, поверхность которых катализировала реакции разрушения озона. К счастью, уже через три года практически вся масса вулканических аэрозолей была удалена из атмосферы. Таким образом, извержения вулканов являются сравнительно краткосрочными факторами воздействия на озоновый слой, в отличие от фреонов, которые имеют времена жизни в десятки и сотни лет.

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.

Озон разрушается только над Антарктикой- Это неверно, уровень озона также падает во всей атмосфере. Это показывают результаты долговременных измерений концентрации озона в разных точках планеты.

Механизм образования

Схема реакции галогенов в стратосфере включающая реакции галогенов с озоном

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 в виду 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 разрушению 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. Основные реакции, вносящие вклад в разрушение озона приведены в статье про озоновый слой.