Проблема стратосферного озона

Озон (О_э) в тропосфере относится к токсичным газообразным компонентам. Предельно допустимая концентрация 0₃ в составе воздуха, которым мы дышим, составляет ~10~⁵ % об.

Стратосферный озон играет жизненно важную роль в защите всего живого на Земле от губительной УФ-радиации. Озон сильно поглощает УФ-излучение в диапазоне волн 220—290 нм (с максимумом поглощения при X = 255 нм). Показатели поглощения озона в этом участке спектра настолько велики, что солнечная радиация для данного диапазона длин волн существенно поглощается в верхней части озонового слоя — на высоте 45—50 км и более. Благодаря этому температура воздуха в верхней части стратосферы (на высоте около 50 км) возрастает до значений, близких к 0 °C.

Наблюдается озон в слое от земной поверхности до высоты около 70 км, основная же масса сосредоточена в слое 15—55 км с максимумом концентрации на высоте 20—30 км.

Озон является одним из важнейших компонентов стратосферы, но его общее содержание удивительно мало.

Если весь озон сосредоточить в одном слое, толщина слоя молекул ()₃

составит всего ~3 мм.

Содержание озона начало уменьшаться в результате антропогенной деятельности с начала 1960;х гг., что связывают с увеличением в стратосфере количества оксидов азота под влиянием происходивших в те годы массовых испытаний ядерного оружия.

К 1970 г. (за период 1956—1970 гг.) содержание озона в целом по земному шару изменилось на 40 млн^-1.

Хотя о колебаниях концентрации 0₃ в стратосфере было известно и раньше, большой неожиданностью явилось достаточно резкое уменьшение содержания озона над Антарктидой, начиная с 1979 г. Сформировалась так называемая озонная (или озоновая) дыра, которая становится все больше.

В 1971 г. американский ученый Г. Джонстон и ученый из ФРГ Г. Крутцен почти одновременно опубликовали научные статьи, тема которых была одна — разрушение озонового слоя Земли в результате деятельности человека. В 1974 г. внимание мировой общественности было привлечено к наиболее опасным для озонового слоя химическом веществам — хлорсодержащим соединениям, выброс которых в атмосферу все более увеличивался.

В настоящее время выдвинуто несколько гипотез о том, что распаду молекул 03 в стратосфере способствуют оксиды азота, соединения водорода с кислородом (в основном в виде радикалов НО* и Н02) и хлорсодержащие соединения, особенно фреоны (например, CFC13, CF2C12, CF3C1). Однако проблема озона и образование озоновых дыр нуждается в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях.

К основным загрязнителям воздуха относят:

• • оксиды азота (N20, NO, N02) — из антропогенных источников в атмосферу выбрасывается 40—50 млн т в год токсичных оксидов азота;
• • радикалы НО' и Н02 — образуются из атмосферной воды, которая попадает в верхние слои атмосферы при полетах стратосферных самолетов, запусках ракет, космических кораблей, ядерных взрывах;
• • метан — является источником водорода в стратосфере с последующим образованием гидроксильного и пероксидного радикалов; ежегодно в результате хозяйственной деятельности
• (угольные шахты, добыча нефти и газа) в атмосферу выбрасывается более 21 млн т СН₄;
• • хлороводород и хлор (производство бумаги, пестицидов, пигментов, органических растворителей, хлорирование воды, химические и металлургические производства);
• • фреоны.

Фреоны появились в начале 1920;х гг. в период развития холодильной техники как хороший (недорогой и неядовитый) заменитель аммиака. Поэтому их второе название — хладоны. В дальнейшем фторхлоруглероды получили широкое распространение при производстве различных дезодорантов, лаков, смазок, изготовлении антикоррозийных покрытий, пенопластов, инсектицидов и др.

Фреоны не являются единственным источником антропогенного хлора. Мировая химическая промышленность выпускает в больших количествах тетрахлорид углерода СС14, дихлорэтан С2Н4С12, которые являются промежуточными продуктами во многих промышленных процессах, и их поступление в атмосферу связано с технологическими потерями.

Процессы, происходящие в стратосфере и способствующие уменьшению количества озона, можно записать в виде нижеследующих схем реакций.

Общим для этих процессов является процесс фотодиссоциации кислорода о₂->о + о*.

1. Разрушение озонового слоя с участием оксидов азота:

2. Разрушение озонового слоя с участием радикалов НО* и Н0₂:

3. Разрушение озонового слоя с участием хлорсодержащих радикалов, образующихся в результате фотодиссоциации молекул фреонов или других хлорсодержащих соединений:

Каждая пара реакций приводит к исчезновению озона и атомарного кислорода, тогда как оксид азота, гидроксильные радикалы и атомарный хлор постоянно регенерируются, т. е. эти процессы являются каталитическими.

Даже одна молекула загрязняющего вещества инициирует последовательность реакций, в которых исчезает множество молекул озона.

Особое внимание, которое уделяется в настоящее время проблеме разрушения озонового слоя, объясняется тем, что возросшая интенсивность УФ-радиации в приземном слое может оказаться губительной для жизни. В случае отсутствия озоносферы жесткие УФ-лучи способны существенно изменить биологически активные процессы, а возможно, и в целом органическую жизнь на Земле.

Информация для размышления

Статистические данные американских ученых свидетельствуют: уменьшение толщины озонового слоя всего на 1% увеличивает вероятность заболевания раком кожи на 10—20%.

В последние годы в южных широтах, близких к Антарктиде, обнаруживают китов с ожогами, полученными в результате воздействия УФ-радиации.

Феномен антарктической озоновой дыры пока непонятен: то ли ее возникновение является результатом антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный природный процесс.

В любом случае натурные измерения показали почти 100%-е превышение хлорсодержащих частиц в зоне антарктической озоновой дыры по сравнению со средним значением их концентрации в атмосфере.

В итоге в весенние месяцы над Антарктидой в стратосфере начали появляться области с очень низкой концентрацией 0₃.

Согласно оценкам экспертов Всемирной метеорологической организации (конец XX в.), при существующем в то время уровне поступления в атмосферу фторхлоруглеродов концентрация озона в стратосфере через 10—20 лет может уменьшиться на -17%, после чего стабилизируется. При этом климат у поверхности Земли почти не изменится, но уровень УФ-излучения возрастет на треть. Однако более поздние исследования не подтверждают «жестокость» указанных оценок и прогнозов.

Есть и другие теории образования озоновой дыры. В частности, одна из гипотез связывает ее формирование с 11-летним циклом солнечной активности. Например, на 1975—1986 гг. приходился 21-й очень активный цикл солнечной деятельности. Именно в этот период (с 1979 по 1986 г.) наблюдалось резкое уменьшение общего содержания озона в стратосфере.

В годы солнечной активности в мезосфере и верхней стратосфере наблюдается увеличение содержания оксидов азота на 50—60%.

Таким образом, проблема озона в целом и озоновых дыр в частности нуждается в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях. В заключение отметим, что влияние озоновой дыры при прочих равных условиях тем больше, чем ближе к экватору она находится.

Для России ее влияние будет больше проявляться в южных областях. Это связано с различным углом вхождения солнечного излучения в атмосферу в северных и южных областях. Помните об этом как при выборе места отдыха, в том числе в южных странах, так и при длительности приема солнечных ванн.