Содержание 

Оглавление 
 

Проблема  сохранения озонового  слоя Земли(13).

1.   Введение

     Современная кислородная атмосфера Земли  – уникальное явление среди планет Солнечной системы, и эта её особенность  связана с наличием на нашей планете  жизни.

     Глобальная  изменчивость  или  глобальные  изменения в последние годы превратились в основную проблему исследований  в области окружающей  среды главным образом благодаря тому  огромному влиянию,  которое она по  всей вероятности будет оказывать на мировое сообщество.

     Этот  интерес понятен – речь идёт о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. В настоящее время назрела необходимость принять определённые обязательные для всех решения, которые позволили бы сохранить озонный слой. Но чтобы эти решения были правильны, нужна полная информация о тех факторах, которые изменяют количество озона в атмосфере Земли, а также о свойствах озона, о том, как именно он реагирует на эти факторы.

     Озоновому слою Земли посвящено довольно много  публикаций: в одних утверждается, что озоновый слой исчезает быстро и необратимо и жить человечеству осталось недолго, а в других, что озоновые дыры существовали всегда, и это нормальный естественный процесс, на который человечество повлиять никак не может. Так что же происходит с атмосферным азоном?

Озон – одна из наиболее важных составляющих атмосферы  Земли. С экологической точки  зрения наиболее ценное его свойство – это способность поглощать  опасное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца. С другой стороны, он сильнейший окислитель (попросту яд), способный отравлять ту самую флору и фауну, которую защищает, находясь в стратосфере. Отравляющее действие озона приносит пользу при очистке воды от болезнетворных организмов: озонирование воды  - один из лучших способов ее очистки. Кроме того, озон обладает свойством парникового газа, влияющего на изменение климата.

     С точки зрения различных функций  и свойств озон можно условно  разделить на «плохой» и «хороший». «Плохой» озон входящий в состав фотохимического  смога, поразившего многие крупные города, находится в приземном слое тропосферы и, достигнув определенных концентраций, представляет опасность для всего живого. Однако основная часть озона сосредоточена в стратосфере, расположенной над тропосферой на высоте 8 км над полюсами, 17 км над экватором и простирающегося вверх на высоту примерно 50 км. Это – «хороший» озон: он защищает все живое от опасного ультрафиолетового излучения.

     Наиболее  яркое проявление антропогенного воздействия  на озоновый слой Земли – это  антарктическая озоновая дыра, в которой истощение озона составляет более 50%.После осознания последствий разрушения озонового слоя антропогенными источниками были сделаны важные шаги – приняты Венская конвенция (1985) и Монреальский протокол (1987), запрещающие производство озоноразрушающих веществ. По мере сокращения их производства в последнее время отмечается некоторая стабилизация в содержании озона в стратосфере и даже тенденция к его восстановлению.

     Расчеты показывают, что процесс восстановления озона будет происходить  в течение всего текущего столетия. Ускорение этого процесса – еще один важный шаг в решении сложной проблемы сохранения озонового слоя. 

2. Озон в  атмосфере. Озоновый слой - ультрафиолетовый щит Земли

     Озон  содержится в атмосфере до высот 100 км, но в ничтожно малом количестве (до 0,001 %), однако без него жизнь на земле была бы совсем не такой, какой мы наблюдаем её сейчас. Молекула озона О3 образуется соединением молекулы О2 и атома О, когда они вместе встречаются еще с одной молекулой  М, которой может быть любая частица, в том числе и молекула азота N2. Она необходима, чтобы поглотить энергию, которая выделяется при образовании О3. Нижняя граница слоя атмосферы, где образуется большое количество озона, находится на высоте 10–15 км, а верхняя – на высоте около 50 км. Этот слой называется озоносферой.

     Максимум  концентрации молекул озона соответствует  высоте около 25 км, однако, даже здесь  имеется не более 5–10 молекул озона  на миллион молекул воздуха. Озон, образующийся выше 8–12 км, часто называют стратосферным озоном, чтобы отличить его от тропосферного озона, который образуется в результате других процессов в приземном слое атмосферы. О тропосферном озоне будет рассказано позднее в теме "Загрязняющие вещества и смоги". Количество тропосферного озона не превышает 10% от общего содержания озона в атмосфере. Общее содержание озона в вертикальном столбе атмосферы, если его привести к нормальному давлению (760 мм. рт. ст.) и температуре (0°С), и собрать в слой, то высота этого слоя составит около 3 мм.

     Однако  озоносфера почти полностью поглощает губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи Солнца. Под ультрафиолетовой радиацией УФ Солнца понимается радиация в диапазоне длин волн от 0,4 до 0,01 мкм (см. рис. 1). По воздействию на живые клетки её делят на три части: УФ-А (0,4–0,315 мкм), УФ-В (0,315–0,380 мкм) и УФ-С (корче 0,28 мкм). УФ-С губителен для живого организма даже в небольших дозах, вследствие разрушения молекул белка, к счастью, УФ-С полностью поглощается озоносферой и не доходит до земной поверхности. УФ-В доходит до земли лишь в небольших дозах, более всего у земли наименее опасного УФ-А. В целом воздействие УФ на человека можно свести к следующему: 1) распаду белка; 2) канцерогенное действие; 3) ослабление иммунной системы; 4) ожог или даже рак кожи; 5) глазные (катаракта) и инфекционные заболевания 6) аллергические заболевания; 7) мутагенное действие. 

Рис. 1. Спектральные диапазоны полного или частичного поглощения солнечного излучения атмосферой. 

     Озоновый  слой охватывает всю Землю, но его  толщина сильно меняется, возрастая от экватора к полюсу. Озон образуется в течение всего года в стратосфере над экваториальным поясом. Благодаря переносу его воздушными течениями он перемещается в направлении полярных широт. На планете четко выделяется тропическая область недостаточно малого содержания озона в зоне от 35° с. ш. до 35° ю. ш., где средняя приведенная толщина слоя О3 около 2,6 мм. К северу и югу от нее толщина слоя больше – 3,5 мм. Кыргызстан находится на границе комфортной и недостаточной зон содержания озона. Озон испытывает значительные вариации в течение года, причем они минимальны над тропиками и максимальны в высоких широтах.

     Максимальные  значения содержания озона на всех широтах наблюдается в конце  зимы и весной, минимальные - осенью и начале зимы. С увеличение широты происходит сдвиг времени наступления максимума на более поздние месяцы. Так, в Алма-Ате максимум толщины слоя озона наблюдается в феврале, в Санкт-Петербурге – в марте, на о. Диксон – в мае. 

3. Озоновые дыры и причины их возникновения 

     Озон  представляет собой едкий, слегка голубоватый  газ. Его молекула состоит из трех атомов кислорода. Химически озон - это молекула, состоящая из трех атомов кислорода (молекула кислорода содержит два атома). Концентрация озона в атмосфере очень мала, и небольшие изменения количества озона приводят к серьезным изменениям интенсивности ультрафиолета, достигающего земной поверхности. В отличии от обычного кислорода озон неустойчив, он легко переходит в двухатомную, устойчивую форму кислорода. Озон – гораздо более сильный окислитель, чем кислород, и это делает его способным убивать бактерии, подавлять рост и развитие растений. Впрочем, из-за его низкой в обычных условиях концентрации в приземных слоях воздуха эти его особенности практически не влияют на состояние живых систем.

     Гораздо важнее его другое свойство, делающее этот газ совершенно необходимым  для всей жизни на суше. Это свойство – способность озона поглощать  жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. Кванты жесткого УФ обладают энергией, достаточной для разрыва некоторых химических связей, поэтому его относят к ионизирующим излучениям. Как и другие излучения этого рода, рентгеновское и гамма-излучение, оно вызывает многочисленные нарушения в клетках живых организмов. Озон образуется под воздействием высокоэнергетичной солнечной радиации, стимулирующей реакцию между О₂ и свободными атомами кислорода. Под воздействием умеренной радиации он распадается, абсорбируя энергию этой радиации. Таким образом, этот цикличный процесс "съедает" опасный ультрафиолет.

     Молекулы  озона, как и кислорода, электрически нейтральные, т.е. не несут электрического заряда. Поэтому само по себе магнитное  поле Земли не влияет на распределение  озона в атмосфере. Верхний слой атмосферы – ионосфера, практически совпадает с озоновым слоем.

     В полярных зонах, где силовые линии  магнитного поля Земли замыкаются на ее поверхности, искажения ионосферы  весьма значительны. Количество ионов, в том числе и ионизированного  кислорода, в верхних слоях атмосферы  полярных зон снижено. Но главная причина малого содержания озона в области полюсов – малая интенсивность солнечного облучения, падающего даже во время полярного дня под малыми углами к горизонту, а во время полярной ночи отсутствуют вовсе. Площадь полярных «дыр» в озоновом слое – надежный показатель изменений общего содержания озона в атмосфере.

     Содержание  озона в атмосфере колеблется вследствие многих естественных причин. Периодические колебания связаны  с циклами солнечной активности; многие компоненты вулканических газов способны разрушать озон, поэтому повышение вулканической активности ведет к снижению его концентрации. Благодаря высоким, сверураганным скоростям воздушных потоков в стратосфере разрушающие озон вещества разносятся на большие площади. Переносятся не только разрушители озона, но и он сам, поэтому нарушения концентрации озона быстро разносятся на большие площади, а локальные небольшие «дыры» в озоновом щите, вызванные, например, запуском ракеты, сравнительно быстро затягиваются. Только в полярных областях воздух малоподвижен, вследствие чего исчезновение там озона не компенсируется его заносом из других широт, и полярные «озонные дыры», особенно на Южном полюсе, весьма устойчивы.

     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 198г. 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 величены 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. Одну из фотохимических реакций с участием хлора, я рассматривала в одном из предыдущих разделов. 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.