Озоновые дыры в озоновом слое атмосферы. Причины и последствия

     3. Открытие проблемы и дальнейшее развитие ситуации вокруг этого открытия.

     «Исследователи  должны были выйти за рамки химии атмосферных явлений», - написал Ричард Бенедикт, официальный представитель Госдепартамента США в администрации Рейгана. По словам Бенедикта, игравшего ключевую роль в переговорах по Монреальскому протоколу, научное сообщество, для того, чтобы «переварить» анализ Роуленда и Молина, «должно было связать воедино дисциплины, позволяющие изучать Землю как взаимосвязанную систему физических, химических и биологических процессов, происходящих на планете, в воде и атмосфере... Ученые разработали еще более совершенные модели компьютерного симулирования взаимодействий между энергетическими, физическими и химическими процессами стратосферы на десятилетия вперед. Они использовали воздушные шары, ракеты и спутники для того, чтобы отслеживать поведение удаленных газов, концентрация которых не превышала нескольких молекул в триллионе молекул воздуха». Для расчетов потерь озона необходимо было рассчитать сезонные колебания, одиннадцатилетний, солнечный цикл и множество других факторов.

     Вследствие  волны научных и общественных обсуждений проблемы, поднятой исследованием  Роуленда и Молина, были приняты  политические решения. Этот процесс  достиг своей кульминации 11 мая 1977 года, когда три федеральных ведомства  США - Комиссия по безопасности потребительских товаров, Агентство по охране окружающей среды и Комиссия по вопросам продуктов питания и медицинских препаратов - объявили о графике выведения из употребления аэрозольной продукции, содержащей ХФУ.

     В свете вышесказанного, необходимо остановиться на двух принципиальных моментах. Во-первых, журналисты оказывают плохую услугу своей аудитории, когда утверждают, что озон страдает от использования аэрозолей. Не сами аэрозоли, а ХФУ в них, используемые в качестве распыляющих компонентов, будут представлять опасность для озонового слоя до тех пор, пока не возымеют действия запреты на использование этих веществ во всех странах. Во-вторых, даже полное прекращение использования ХФУ в аэрозолях не решит проблему разрушения озонового слоя. В производстве ХФУ используют в виде растворителей, хладонов и компонентов пенопластов, поэтому именно эти производства остаются источником поступления в атмосферу фреонов в огромных количествах. Приведенные выше две ошибки, к сожалению, довольно часто встречаются в журналистских материалах. В 1985 году, после трех лет переговоров, при участии О.О.Н., было подписано международное соглашение - Венская конвенция. Венская конвенция установила механизмы международного сотрудничества в области исследований, мониторинга и обмена информацией о выбросах, концентрациях ХФУ и галогенов, а также выработала правовой статус озона стратосферы. Кроме того, Венская конвенция определила сроки разработки международных соглашений по конкретному сокращению выбросов.

     В тот же самый год произошло еще одно событие, которое повлияло на признание научным сообществом и общественностью проблемы озонового слоя. В 1985 году была обнаружена антарктическая озоновая дыра.

     Данные, полученные в рамках программы «Британские  антарктические исследования», результаты которой были обнародованы в 1985 году, показали, что концентрации озонового слоя над Антарктикой уменьшались каждый год, начиная с конца 70-х годов. Памела Зурер в своей статье в журнале «Новости химии и инженерии» написала, что британские ученые под руководством Джо Фармана обнаружили полное его разрушение на отдельных высотах на протяжении нескольких весенних недель. Масштабы озоновых потерь превысили даже наихудшие сценарии, предсказанные научными моделями.

     До  открытия, сделанного в рамках «Британских антарктических исследований», многие ученые не были уверены в том, что количество озона сокращается на самом деле. С 1985 года, после открытия антарктической озоновой дыры, научное сообщество объявило о проведении лабораторных экспериментов, полевых исследований и создании компьютерных моделей, для того чтобы улучшить понимание озона стратосферы.

     В сентябре 1987 года США присоединились к основополагающему международному соглашению - Монреальскому протоколу  по веществам, разрушающим озоновый слой (смотри стр. 82). Монреальский протокол, устанавливающий ограничения на использование ХФУ и галогенов, был подписан двадцатью четырьмя государствами и Европейским экономическим сообществом (ЕЭС), получив таким образом поддержку большинства развитых стран мира.

     Данные, полученные в результате американских экспедиций в Антарктику в 1986 и 1987 годах, а также данные НАСА, полученные в 1987 году, главным образом подтвердили, что хлор, выделяющийся из ХФУ, бром из галогенов и метилбромида несут  ответственность за разрушение озонового слоя, а также за образование антарктической озоновой дыры. В 1988 году в совместном докладе «О тенденциях озона» НАСА и Национальное управление по океану и атмосфере (NOAA) представили полный анализ результатов международных исследований газов стратосферы. Доклад «Тенденции озона» подтвердил теорию разрушения озонового слоя.

     Однако  не это стало самой плохой новостью в истории с озоновым слоем. Центр  по космическим полетам им. Годдарда, НАСА и Лаборатория по мониторингу  и диагностике климата NOAA в Болдере, штат Колорадо, зарегистрировали рекордно низкое содержание озона в 1993 году, о чем НАСА сообщило в пресс-релизе 18 октября 1993 года.

     «Эти  рекордно низкие уровни (озона в  Антарктике) были зарегистрированы станцией Южного полюса Антарктики в конце сентября и в начале октября 1993 года и были подтверждены данными, полученными со спутника», - объявило НАСА. Количество озона упало до уровня менее чем 100 единиц Добсона с уровня в 275 единиц Добсона в середине августа того же года. НАСА сообщило, что точность показаний составила плюс-минус 5 единиц Добсона. Единицы Добсона показывают общее количество озона в столбе воздуха от земной поверхности до верхней точки атмосферы. Измерения проводятся путем спектрального анализа поглощенного ультрафиолетового излучения.

     Подтвердив  показания наземного спектрофотометра Добсона замерами, проведенными с  воздушных шаров, НАСА назвало полученные данные «самыми низкими из когда-либо полученных в мире».

     В то время, как НАСА и NOAA выразили надежду, что «недавно принятые международные соглашения по выведению из обращения ХФУ позволят восстановить в течении ста лет естественный уровень озона», Центр космических полетов им. Годдарда признал, что «ежегодная тенденция формирования озоновых дыр сохранится в следующем столетии». По мнению ученых центра «эта ситуация сохранится до тех пор, пока в стратосфере не упадет уровень содержания хлора».

     Старший научный консультант NOAA Дэвид Хофман сказал, что новые данные показывают «увеличение глубины озоновой дыры».

     В своем пресс-релизе от 18 октября 1993 года НАСА и NOAA высказали предположение, что «на величину озоновой дыры в предшествующем и в этом году могли повлиять окислы серы в верхней атмосфере, попавшие туда вследствие извержения вулкана Пинатубо в июне 1991 года на Филиппинах». Влияние крупного извержения вулкана на озоновый слой стало предметом оживленных дискуссий. Тем не менее, старший научный консультант Фонда по охране окружающей среды Майкл Опенгеймер настаивал на том, что естественные феномены, подобные извержениям вулканов, не могут оправдать задержку в проведении превентивных мер. Ничего нельзя поделать с вулканами, - сказал Опенгеймер в ответ на пресс-релиз НАСА/NOAA, - но мы можем и должны постепенно вывести из обращения озоноразрушающие химические вещества, контроль за которыми недостаточен в рамках Монреальского протокола.

     В 1991 году данные со спутников НАСА показали растущую тенденцию разрушения озонового  слоя над территориями плотно заселенными  людьми. «Масштабы потерь озона были больше, площадь подверженная разрушению озона увеличилась, и процесс разрушения сохранялся в течение более длительного периода времени, чем предполагалось раньше», - написала Памела Зурер.

     Хотя  и существует научный консенсус  в том, что ХФУ несут ответственность  за разрушение озонового слоя Антарктики, нет ясности в том, почему происходит утончение озонового слоя в северном полушарии. По мнению профессора химии Земли и планетарных наук Джеймса Андерсена из Гарвардского университета, хлор и бром возглавляют список веществ подозреваемых в этом. «Тем не менее, в настоящий момент приоритетом для нас является определение механизма, который отвечает за это утончение озонового слоя. На современном этапе мы не можем предсказать то, как будет развиваться этот процесс в будущем», - процитировала Зурер.

     Между 1986 и 1991 годами мировое потребление  ХФУ -11, -12 и -113 упало на 40 процентов, быстрее, чем предписывалось Монреальским протоколом и даже быстрее, чем -то, к чему призывали наиболее амбициозные Лондонские поправки к Монреальскому протоколу 1990 года, отметила Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата. Американские производители, например, раньше других поверившие, что ХФУ уникальны и незаменимы, обнаружили, как быстро им удается переключиться на альтернативные процессы и химические продукты. Сокращение потребления ХФУ в развитых странах произошло вследствие следующих шагов: замены ХФУ в процессах производства аэрозолей (используются как агенты, способствующие распылению вещества) и пенопластов; использования водяных и полуводяных систем; использование технологий, не требующих промывания, например в производстве или сборке электроники или замены ХФУ на спиртосодержащие растворители; восстановления и рециклирования ХФУ в охладительных системах и замены их на другие, более экологически чистые вещества или на аммиак.

     По  мнению межправительственной группы экспертов, по проблемам изменения климата, даже если меры по контролю, предписанные Лондонскими поправками, будут выполнены всеми странами, «содержание хлора и брома в стратосфере будет увеличиваться в последующие несколько лет». Поэтому образование Антарктической озоновой дыры, вызванное промышленными фреонами, будет повторяться каждую весну. В дополнение к сказанному, свидетельства говорят о том, что фреоны несут также ответственность за разрушение озона стратосферы в средних и высоких широтах. Следует ожидать продолжения этого процесса в течение 90-х годов.

     Причины очевидны - ХФУ, как было отмечено выше, являются долгоживущими веществами и остаются активными в атмосфере в течение десятилетий. Даже если сократится использование и выброс ХФУ в мире, то количество, которое уже попало в атмосферу, и стратосферу будет еще долго разрушать молекулы озона.

     23 апреля 1993 года группа ученых  опубликовала статью в журнале  «Наука» (Science), в которой написала, что самые низкие показатели по содержанию озона в мире пришлись на конец 1992-начало 1993 годов. Тогда уровень его содержания, был на 4 процента ниже среднего за прошедшие 12 лет, и на 2-3 процента ниже за любой из наблюдаемых годов до 1979 года. Отмечались низкие количества озона в широком спектре широт как в южном, так и в северном полушариях. В средних широтах северного полушария (между 30° и 60 ) содержание озона было на 9 процентов ниже нормы. На широте 60° к северу ученые отметили уровень на 14 процентов ниже нормы.

     Эти данные напоминают о том, что потеря озона происходит не только на полюсах. Недавно разработанная теория утверждает, что вихревые потоки на полюсах (циркумполярные ветра) втягивают богатый озоном воздух с больших высот и затем включает этот воздух в глобальную циркуляцию на более низких высотах. Эта теория могла бы объяснить потерю озона в средних широтах в зимний период.

     Даже  если все государства в полном объеме выполнят все меры, предписанные Монреальским протоколом и Лондонскими поправками, современные уровни стратосферного хлора (от 3,3 до 3,5 частиц на миллиард) будут увеличиваться в 90-е годы и достигнут пика (приблизительно 4,1 частиц на миллиард) к 2000 году. IPCC пришел к выводу, что учитывая это увеличение, дополнительные потери озона в средних широтах в 90-х годах будут сравнимы с потерями, наблюдавшимися в 80-е годы.

     По  расчетам Межправительственной группы экспертов по проблемам изменения  климата (IPCC), к 2000 году потери озона  составят около 6 процентов в летний период и около 10 процентов зимой. Кроме того, в докладе IPCC 1992 года отмечено, что «возросшие в стратосфере уровни аэрозолей, содержащих серу, из естественных (вулкан Пинатубо) или антропогенных источников могут повлечь еще большие потери озона, так как они усиливают каталитический эффект хлор и бром содержащих химических веществ». Если перевести это на доступный язык, то увеличение выбросов, содержащих серу из дымовых труб, заводов и таких природных феноменов, как вулканы может привести к еще большей потере озона, поскольку озоноразрушающая способность хлора и брома будет усилена этими веществами.

     За  последние 10 лет, содержание озона поглощающего ультрафиолет уменьшилось на 3-8%. Колоссальные прорехи, образующиеся в озоновом щите планеты, многие специалисты связывают с разрушительным действием фреонов - веществ, используемых в холодильной технике, и галонов, незаменимых при тушении пожаров. Монреальский протокол 1987 года обязал многие страны, в том числе и Россию, ограничить использование этих веществ, а затем и перейти на их заменители. Во всем мире уже истрачено на это около 100 млрд. долл. Расходы же нашей страны в ближайшее время должны были составить несколько десятков млрд. долл.  
Несмотря на огромные затраты, прогнозы ученых оставались малоутешительными. Фреоны живут десятки лет, а потому озон - даже при условии строгого выполнения всех договоренностей - будет восстанавливаться до середины следующего столетия. Однако тревожный тон по поводу дефицита озона в научных кругах недавно сменился некоторым замешательством. В России, например, сегодняшнее состояние озонового слоя вдруг оказалось в норме. Весной отмечались лишь кратковременные понижения содержания озона в Сибири и на Дальнем Востоке. В июне несколько таких дней было в Приазовье. И это при том, что начиная с 1995 года дефицит озона наблюдали надо всей территорией России: в отдельные дни «недостача» достигала 40%, подвижные «дыры» длительное время висели над севером европейской части нашей страны и Поволжьем.  
Проплешины в озоновом слое ни с того ни с сего «сползли» к югу, дыры появились над экватором, где раньше колебания не превышали 6%. Дефицит озона до 20 и более процентов обнаружили над экваториальной областью планеты - в двух районах с центрами над Тихим океаном и Африкой. Специалисты Центральной аэрологической обсерватории Гидрометцентра (руководитель группы - профессор Черников), которые и обнаружили «дыры» над экватором, считают, что изменения в состоянии озонового слоя, в первую очередь, связаны с общими естественными изменениями климата на планете.

     4. Источники поступления ХФУ в атмосферу.

     Основные  категории продуктов, содержавших  ХФУ и галогены до введения ограничений, включают:

• жесткие пенопласты - используются в качестве изоляционных и упаковочных материалов;
• поролон - используется в мебельном производстве, в матрасах и автомобильных сидениях;
• холодильники - для охлаждения продуктов питания в быту и торговле;
• кондиционеры - в автомобилях и домах;
• растворители - для промывания электронных плат, металлических частей и соединений;
• больничные стерилизаторы;
• огнетушители (используют галоны);
• аэрозольные баллончики - фреоны использовались в качестве пропилентов (веществ, способствующих распылению содержимого) главным образом в Европе и Японии.

     До  введения в США, Канаде и Швеции в 1978 году запрета на использование ХФУ в аэрозолях, аэрозольное производство было крупнейшим потребителем ХФУ. Использование ХФУ в аэрозолях другими странами продолжалось еще довольно долго после того, как США, Канада и Швеция ввели запрет. Более того, мировое производство ХФУ продолжало увеличиваться еще в течение долгого времени после запрета 1978 года.

     США, не нарушая запрета на использование  ХФУ в аэрозолях, тем не менее, остаются крупнейшим мировым потребителем хлорфторуглеродов. В 1989 году на долю США пришлось 29 процентов мирового потребления ХФУ. Автомобильные кондиционеры стали (еще в большей степени, чем аэрозоли) крупнейшим потребителем ХФУ. На их долю пришлось 16 процентов всех ХФУ, потребленных США в 1989 году. Эта практика должна прекратиться согласно Монреальскому протоколу и 1990 года поправкам к «Закону о чистом воздухе».

     Каждый  потерянный процент содержания озона  в стратосфере приводит к увеличению интенсивности воздействия ультрафиолетовой, солнечной радиации на 1,5-2 процента, по данным Агентства по охране окружающей среды США. Для человека увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения, прежде всего опасно-воздействием солнечной радиации на кожу и глаза.

     Радиация  с длиной волн в спектре от 280 до 320 нанометров - УФ лучи, которые частично блокируются озоном - могут вызвать преждевременное старение и рост числа раковых заболеваний кожи, а также поражение растений и животных.

     Радиация  с длиной волн больше, чем 320 нанометров, УФ спектра, практически не поглощается озоном и фактически необходима человеку для формирования витамина Д. УФ радиация с длиной волн в спектре 200 - 280 нанометров может вызвать серьезные последствия для биологических организмов. Однако излучение этого спектра практически полностью поглощается озоном. Таким образом, «ахиллесова пята» земной жизни - это излучение довольно узкого спектра УФ волн длиной от 320 до 280 нанометров. С сокращением длины волн усиливается их способность причинять вред живым организмам и ДНК. К счастью, способность озона поглощать ультрафиолетовую радиацию растет пропорционально сокращению длины волны излучения. Потенциальные последствия для здоровья человека с увеличением интенсивности ультрафиолетовой радиации описаны ниже:

     5.1. Увеличение количества случаев заболевания раком кожи.

     По  данным Агентства по охране окружающей среды США в случае разрушения озонового слоя увеличится частота  трех видов рака кожи. Два наиболее распространенных типа рака кожи, это  базальноклеточный рак (базалиома) и плоскоклеточный рак (шиповидный). Сегодня более 500 тысяч американцев ежегодно подвержены таким заболеваниям. В ранней стадии развития эти типы рака излечимы. Третий тип рака, саркома, встречается значительно реже, но это наиболее опасная форма. Ежегодно отмечается около 25 тысяч случаев этого заболевания. В пяти тысячах случаев саркома приводит к летальному исходу, что составляет 65 процентов всех смертей, вызванных всеми видами рака кожи вместе взятыми. Согласно данным Совета безопасности Российской Федерации, с 1970 по 1980 годы в СССР был отмечен рост всех видов раковых заболеваний кожи на 13 процентов и на 8 процентов в период с 1985 по 1986 годы (достигнув почти 80 тысяч). Совет безопасности предсказывает удвоение числа заболевших каждые восемь лет.

     В то время, как ученые в основном согласны с тем, что повышенная УФ радиация вызывает базальноклеточный и плоскоклеточный  рак кожи, связь между солнечной  радиацией и саркомой не так очевидна. Для более мягких форм рака наблюдается  прямая корреляция между временем, проведенным на солнце и возникновением заболевания - это чаще всего происходит у людей в возрасте 70-80 лет в местах, где кожа открыта для воздействия солнечного света (например, лицо и руки). Агентство по охране окружающей среды рассчитало, что увеличение УФ радиации на 2 процента приведет к увеличению случаев заболевания раком (не являющихся саркомой) на 2-6 процентов. Саркома, однако, встречается у более молодых людей и в местах не обязательно подверженных воздействию прямых солнечных лучей. Она имеет тенденцию появляться у людей, вообще не проводящих много времени на открытом воздухе.

     Опасность развития саркомы прямо связана  с чувствительностью кожи отдельного человека к солнечному свету (светлокожие  люди более подвержены этому процессу, чем темнокожие). По данным Института экологической политики и Института по исследованиям энергии и окружающей среды, опубликованным в 1988 году в книге «Как спасти нашу кожу», жертвами такой формы рака становятся почти исключительно люди кавказского происхождения, особенно кавказцы со светлой кожей. Случаи возникновения саркомы были зарегистрированы в последние десятилетия у людей со светлой кожей по всему миру.

     По  подсчетам специалистов, солнечная  радиация в Пунта-АрЭнас достигла таких  размеров, что человек практически полностью обгорает буквально за несколько минут.

     По  сообщению Национального космического агентства NASA, озоновая дыра над Антарктидой  продолжает увеличиваться.

     Особенно  сильное влияние дыра оказывает  на один из чилийских городов - Пунта-АрЭнас, где уже сегодня показатели солнечной радиации настолько высоки, что местным жителям рекомендуется, как можно меньше находиться на улице. По подсчетам специалистов, солнечная радиация достигла таких размеров, что человек практически полностью обгорает буквально за несколько минут.

     Хотя  местные власти настойчиво рекомендуют  жителям по возможности не выходить из дома в течение дня, многие жители Пунте-АрЭнас весьма легкомысленно  относятся к рекомендациям специалистов.

     В этом году, размеры озоновой дыры достигли рекордных размеров за последние 15 лет. Площадь озоновой дыры возросла до 29,3 миллиона квадратных километров, что в три раза больше территории Соединенных Штатов. Об этом в четверг сообщил исследователь атмосферы Стивен Вуд со ссылкой на данные Национального управления по аэронавтике и космонавтике США.

     Другой  новозеландский ученый отметил, что  отколовшиеся от озоновой дыры фрагменты  могут угрожать Аргентине и даже Южной Африке, а также - Австралии  и Новой Зеландии.И хотя в настоящее время во всем мире запрещено использование веществ, разрушающих озоновый слой, полное исчезновение дыры следует ожидать не ранее 2050 года.

     5.2. Подавление иммунной системы человека.

     По  данным Агентства по охране окружающей среды США ультрафиолетовая радиация ослабляет способность иммунной системы противостоять определенным заболеваниям.

     5.3. Поражение глаз.

     Ультрафиолетовая  радиация может повредить роговую  оболочку глаза, соединительную оболочку глаза, хрусталик и сетчатку глаза. Ультрафиолетовая радиация может вызвать фотокератозиз (или снежную слепоту), похожий на солнечный ожег роговой или соединительной оболочки глаза. Увеличение воздействия ультрафиолетовой радиации на людей в следствии разрушения озонового слоя приведет к увеличению числа людей с катарактой, по мнению авторов «Как спасти нашу кожу». Катаракта закрывает хрусталик глаза, снижая остроту зрения, и может вызвать слепоту.

     Другие  потенциальные последствия, связанные  с разрушением озонового слоя стратосферы описаны ниже и взяты частично из книги «Как спасти нашу кожу»:

     5.4. Уничтожение урожаев.

     Способность поглощать ультрафиолетовую радиацию сильно отличается в зависимости  от организма. Таким образом, ультрафиолетовая радиация вредно сказывается на росте растений, уменьшая размер листьев и, тем самым, сокращая полезную площадь для улавливания энергии. По данным Агентства по охране окружающей среды США, растение останавливается в развитии и вообще отмечается уменьшение массы растения, подверженного воздействию ультрафиолетовой радиации.

     Тем не менее, сегодня отсутствует научная  информация, которая могла бы однозначно ответить на вопрос о влиянии ультрафиолетового  излучения на растения. Изучены были только четыре из десяти экосистем  Земли - леса умеренной полосы, сельскохозяйственные экосистемы, травяные экосистемы умеренной полосы, экосистемы тундры и высокогорной тундры. Более того, данные были получены в лабораторных условиях, где растения в целом более чувствительны к ультрафиолетовой радиации, по сравнению с растениями, произрастающими в естественных условиях.

     Исследования, проведенные Университетом Мериленда, показали, что две трети растений проявили чувствительность к ультрафиолетовой радиации и обнаружили большую устойчивость некоторых сорняков, по сравнению с культурными растениями, к ней. Отдельные исследования показали, что сокращение озона на 25 процентов может привести к существенному сокращению урожаев соевых бобов.

     Многие  организмы выработали механизмы, защищающие их от солнечной радиации: сокращение времени контакта с радиацией (некоторые морские организмы избегают активности в середине дня, когда ультрафиолетовое излучение наиболее сильное); пигментная защита; восстановление поврежденных ДНК или тканей. Тем не менее, в случае увеличения интенсивности солнечной радиации многим организмам существующих механизмов будет явно недостаточно для защиты.