Одним из самых замечательных "зеленых" мифов является утверждение о том, что озоновые дыры над полюсами Земли возникают благодаря выбросам в атмосферу некоторых веществ, производимых человеком. В него до сих пор верят тысячи людей, даже несмотря на то, что разоблачить этот миф может любой школьник, который не прогуливал уроки химии и географии.

Миф о том, что деятельность человека приводит к росту так называемой озоновой дыры, примечателен во многих отношениях. Во-первых, он чрезвычайно правдоподобен, то есть основывается на реальных фактах. Таких, как наличие самой озоновой дыры и того, что ряд веществ, производимых человеком, может разрушать озон. А раз так, то у неспециалиста не возникает сомнений в том, что именно человеческая деятельность виновна в истощении озонового слоя — достаточно посмотреть на графики роста дыры и увеличения выбросов в атмосферу соответствующих веществ.

И тут всплывает еще одна особенность "озонового" мифа. Почему-то те, кто верят вышеупомянутым доказательствам, совершенно забывают о том, что само по себе совпадение двух графиков ни о чем не говорит. В конце концов, оно может быть простой случайностью. Для того, чтобы иметь неоспоримые доказательства антропогенной теории происхождения озоновых дыр, нужно изучить не только механизм разрушения озона фреонами и другими веществами, но и механизм последующего восстановления слоя.

Ну, а здесь наступает самое интересное. Лишь только заинтересованный неспециалист начнет изучать все эти механизмы (для чего не нужно сутками сидеть в библиотеке — достаточно вспомнить несколько абзацев из школьных учебников по химии и географии), как он сразу понимает, что данная версия — не более, чем миф. А вспомнив про то, какое влияние оказал этот миф на мировую экономику, ограничив производство фреонов, он сразу понимает, зачем его создали. Впрочем, давайте рассмотрим ситуацию с самого начала и по порядку.

Из курса химии мы помним, что озон является аллотропной модификацией кислорода. В его молекулах не два атома О, а три. Образовываться озон может разными путями, однако самый распространенный в природе таков: кислород поглощает порцию ультрафиолетового излучения с длиной волны 175-200 нм и 280-315 нм и преобразуется в озон. Именно таким образом и образовался озоновый защитный слой в давние времена (где-то 2-1,7 миллиарда лет тому назад), и именно так он продолжает образовываться и по сей день.

Кстати, из вышесказанного следует, что на самом чуть ли не половину опасного УФ-излучения поглощает кислород, а не озон. Озон же лишь является "побочным продуктом" данного процесса. Однако ценность его состоит в том, что он тоже поглощает часть ультрафиолета — ту, чья длина волны составляет от 200 до 280 нм. Но что при этом происходит с самим озоном? Правильно — он вновь превращается в кислород. Таким образом, в верхних слоях атмосферы существует некий циклический равновесный процесс — ультрафиолет одного типа способствует превращению озона в кислород, а тот, поглощая УФ-излучения другого типа, вновь переходит в О 2 .

Из всего этого следует простой и логичный вывод — для того, чтобы полностью разрушить озоновый слой, нужно лишить нашу атмосферу кислорода. Ведь сколько бы производимые людьми фреоны (углеводороды, содержащие хлор и бром, используемые в качестве хладагентов и растворителей), метан, хлороводород и моноксид азота не разрушали озоновые молекулы, ультрафиолетовое облучение кислорода вновь восстановит озоновый слой — ведь его-то эти вещества "выключить" не в состоянии! Как и уменьшить количество кислорода в атмосфере, поскольку деревья, травы и водоросли производят его в сотни тысяч раз больше, чем человечество — вышеупомянутые разрушители озона.

Итак, как видите, не одно вещество, сотворенное людьми, не в состоянии разрушить озоновый слой, пока в атмосфере Земли присутствует кислород, а Солнце испускает ультрафиолет. Но почему же тогда возникают озоновые дыры? Сразу хочу сказать, что сам термин "дыра" является не совсем корректным — речь идет лишь об истончении озонового слоя в определенных участках стратосферы, а не о полном его отсутствии. Тем не менее, чтобы ответить на поставленный вопрос, следует просто вспомнить, где именно на планете существуют самые крупные и устойчивые озоновые дыры.

А тут и вспоминать нечего: самая большая из устойчивых озоновых дыр расположена прямо над Антарктидой, а другая, чуть поменьше — над Арктикой. Все остальные озоновые дыры Земли нестабильны, они быстро образуются, но так же быстро "заштопываются". Почему же в полярных регионах истончения озонового слоя сохраняются достаточно долго? Да просто потому, что в этих местах по полгода длится полярная ночь. А за это время в атмосферу над Арктикой и Антарктикой не поступает достаточного количества ультрафиолета, способного превратить кислород в озон.

Ну а О 3 в свою очередь, оставшись без "пополнения", начинает быстро разрушаться — ведь он является весьма нестабильным веществом. Поэтому-то озоновый слой над полюсами изрядно истончается, хотя процесс идет с некоторым запаздыванием — видимая дыра появляется в начале лета, а исчезает к середине зимы. Тем не менее, когда приходит полярный день, озон вновь начинает вырабатываться и озоновая дыра потихоньку "заштопывается". Правда, не полностью — все равно время интенсивного поступления УФ-излучения в этих краях короче, чем период его недостатка. Поэтому-то озоновая дыра и не исчезает.

Но зачем в таком случае был создан и растиражирован миф? Ответить на этот вопрос не то что просто, а очень просто. Дело в том, что впервые наличие постоянной озоновой дыры над Антарктидой было доказано в 1985 году. А в конце 1986 года специалисты американской компании DuPont (то есть "Дюпон") наладили производство нового класса хладагентов — фторуглеродов, не содержащих хлор. Это сильно удешевило производство, однако новое вещество нужно было еще продвинуть на рынок.

И тут "Дюпон" финансирует распространение в СМИ мифа о злых фреонах, портящих озоновый слой, который по его заказу сочинила группа метеорологов. В результате напуганная общественность начала требовать от властей принять меры. И эти меры были приняты в конце 1987 года, когда в Монреале был подписан протокол об ограничении производства веществ, разрушающих озоновый слой. Это привело к разорению многих компаний, выпускавших фреоны, а также к тому, что "Дюпон" на долгие годы стал монополистом на рынке хладагентов.

Кстати, именно быстрота принятия руководством "Дюпона" решения использовать озоновую дыру в своих целях и привела к тому, что миф получился таким недоработанным, что разоблачить его может обычный школьник, который не прогуливал уроки химии и географии. Было бы у них времени побольше — глядишь, сочинили бы более убедительную версию. Тем не менее, даже то, что в итоге "родили" ученые по заказу "Дюпона", смогло убедить множество людей.

В последнее время все чаще общественность волнуют вопросы экологии - защиты окружающей среды, животных, уменьшения количества вредных и опасных выбросов. Наверняка все также слышали о том, что такое озоновая дыра, и что их в современной стратосфере Земли очень много. Так и есть.

Современная антропогенная деятельность и техническое развитие ставит под угрозу существование животных и растений на Земле, а также саму жизнь людей.

Озоновый слой - это защитная оболочка голубой планеты, которая располагается в стратосфере. Высота его составляет примерно двадцать пять километров от земной поверхности. А образуется этот слой из кислорода, который под воздействием солнечного излучения подвергается химическим преобразованиям. Локальное уменьшение концентрации озона (в простонародье это и есть всем известная "дыра") в настоящее время вызвано многими причинами. В первую очередь это, конечно, деятельность человека (как производственная, так и повседневно-бытовая). Существуют, однако, мнения, что озоновый слой разрушается под воздействием исключительно естественных явлений, не связанных с людьми.

Антропогенное влияние

Разобравшись в том, что такое озоновая дыра, необходимо выяснить, какая именно деятельность человека способствует ее появлению. В первую очередь это аэрозоли. Каждый день мы пользуемся дезодорантами, лаками для волос, туалетными водами с пульверизаторами и зачастую не задумываемся о том, что это пагубно влияет на защитный слой планеты.

Дело в том, что соединения, которые присутствуют в привычных нам баллончиках (включающие бром и хлор), охотно реагируют с атомами кислорода. Поэтому озоновый слой разрушается, превращаясь после таких химических реакций в совершенно бесполезные (а зачастую и вредные) вещества.

Разрушительные соединения для озонового слоя присутствуют и в спасительных в летнюю жару кондиционерах, а также в охладительном оборудовании. Широко развернувшаяся промышленная деятельность человека также ослабляет земную защиту. Ее угнетают индустриальные воду (часть вредных веществ со временем испаряется), загрязняют стратосферу и автомобилей. Последних, как показывает статистика, с каждым годом становится все больше. Негативно сказывается на озоновом слое и

Природное влияние

Зная, что такое озоновая дыра, необходимо также иметь представление о том, сколько их над поверхностью нашей планеты. Ответ неутешителен: брешей в земной защите множество. Они небольшие и зачастую представляют собой не дыру, а очень тонкий оставшийся слой озона. Однако есть и два огромных незащищенных пространства. Это Арктическая и Антарктическая озоновая дыра.

Стратосфера над полюсами Земли почти не содержит защитного слоя совсем. С чем это связано? Там ведь нет автомобилей и промышленных производств. Все дело в природном влиянии, второй причине Полярные вихри возникают при столкновении теплых и холодных потоков воздуха. Данные газовые образования в больших количествах содержат азотную кислоту, которая под воздействием очень низких температур и вступает в реакцию с озоном.

Бить тревогу экологи начали только в двадцатом веке. Разрушительные которые пробиваются на землю, не наткнувшись на озоновое препятствие, способны вызывать рак кожи у человека, а также гибель многих животных и растений (в первую очередь морских). Так, международными организациями были запрещены почти все соединения, которые разрушают защитный слой нашей планеты. Считается, что даже если человечеством резко прекратится всякое негативное воздействие на озон в стратосфере, существующие в настоящее время дыры исчезнут очень не скоро. Это объясняется тем, что фреоны, которые уже пробрались наверх, способны самостоятельно существовать в атмосфере еще десятки лет.

Из кислорода под действием ультрафиолетовых лучей. Атмосфера Земли имеет озоновый слой на высоте около 25 километров: слой этого газа плотно окружает нашу планету, защищая ее от высокой концентрации ультрафиолета. Если бы не этот газ, интенсивное излучение могло бы убить все живое на Земле.

Озоновый слой довольно тонкий, он не может полностью оградить планету от проникновения радиации, которая губительно действует на состояние и вызывает заболевания . Но долгое время его было достаточно, чтобы защитить Землю от опасности.

В 80-х годах XX века было обнаружено, что в озоновом слое имеются участки, где содержание этого газа сильно снижено – так называемые озоновые дыры. Первая дыра была обнаружена над Антарктидой британскими учеными, они были поражены масштабами явления – участок диаметром более тысячи километров почти не имел защитного слоя и подвергался более сильному ультрафиолетовому излучению.

Позже были найдены и другие озоновые дыры, меньшие по размеру, но не менее опасные.

Причины образования озоновых дыр

Механизм образования озонового слоя в атмосфере Земли довольно сложен, и к его нарушению могут привести различные причины. Первое время ученые предлагали множество версий: и влияние частиц, образованных при атомных взрывах, и воздействие извержения вулкана Эль-Чикон, высказывались даже мнения о деятельности инопланетян.

Причинами истощения озонового слоя могут быть отсутствие солнечного излучения, образование стратосферных облаков, полярные вихри, но чаще всего концентрация этого газа падает из-за его реакций с различными веществами, которые могут иметь как естественный, так и антропогенный характер. Молекулы разрушаются под воздействием водорода, кислорода, хлора, органических соединений. Пока ученые не могут однозначно сказать, вызвано ли образование озоновых дыр по большей части человеческой деятельностью, или оно имеет природное .

Было доказано, что фреоны, выделяющиеся при работе многих устройств, вызывают потери озона в средних и высоких широтах, но на образование полярных озоновых дыр они не оказывают влияния.

Вероятно, что совокупность многих, и человеческих, и природных факторов, привела к образованию озоновых дыр. С одной стороны, повысилась вулканическая активность, с другой, люди стали слишком серьезно влиять на природу – озоновый слой может не только от выделения фреона, но и от столкновения с вышедшими из строя спутниками. Благодаря уменьшению количества извергающихся вулканов с конца XX века и ограничению применения фреонов ситуация стала немного улучшаться: недавно ученые зафиксировали небольшое дыры над Антарктидой. Более детальное изучение разрушения озона позволит предупреждать появление этих областей.

Эти и другие недавно полученные научные данные укрепили вывод предыдущих оценок в том, что совокупность научных доказательств свидетельствует о том, что наблюдаемая потеря озона в средних и высоких широтах в основном обусловлена антропогенными хлор- и бромсодержащими соединениями

Оригинальный текст (англ.)

These and other recent scientific findings strengthen the conclusion of the previous assessment that the weight of scientific evidence suggests that the observed middle- and high-latitude ozone losses are largely due to anthropogenic chlorine and bromine compounds

Согласно другой гипотезе, процесс образования «озоновых дыр» может быть в значительной мере естественным и не связан исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации .

Для определения границ озоновой дыры выбран минимальный уровень содержания озона в атмосфере в 220 единиц Добсона .

Площадь озоновой дыры над Антарктикой составляла в 2018 году в среднем 22,8 млн квадратных километров (в 2010-2017 годах среднегодовые величины колебались от 17,4 до 25,6 млн квадратных километров, в 2000-2009 годах - от 12,0 до 26,6 млн квадратных километров, в 1990-1999 годах - от 18,8 до 25,9 млн квадратных километров).

История [ | ]

Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 году на Южном полушарии , над Антарктидой , группой британских учёных: (англ. ) , (англ. ) , (англ. ) , опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature . Каждый август она появлялась, а в декабре - январе прекращала своё существование. Над Северным полушарием в Арктике осенью и зимой существуют многочисленные озоновые мини-дыры. Площадь такой дыры не превышает 2 млн км², время её жизни - до 7 суток .

Механизм образования [ | ]

В результате отсутствия солнечного излучения, во время полярных ночей озон не образуется. Нет ультрафиолета - нет озона. Имея большую массу, молекулы озона опускаются к поверхности Земли и разрушаются, так как неустойчивы при нормальном давлении.

Роуланд и Молина предположили, что атомы хлора могут вызвать разрушение больших количеств озона в стратосфере. Их выводы были основаны на аналогичной работе Пауля Джозефа Крутцена и Харольда Джонстоуна, которые показали, что оксид азота (II) (NO) может ускорять разрушение озона.

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 ввиду 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 разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород , атомы кислорода , хлора , брома), неорганические (хлороводород , монооксид 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 .

Последствия [ | ]

Ослабление озонового слоя усиливает поток ультрафиолетовой солнечной радиации, проникающей в океанские воды, что ведет к увеличению смертности среди морских животных и растений .

Восстановление озонового слоя [ | ]

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. Прежде всего, это обусловлено огромным объёмом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые имеют время жизни десятки и даже сотни лет. Поэтому затягивания озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года. По данным профессора Сьюзан Соломон, с 2000 по 2015 озоновая дыра над Антарктидой уменьшилась примерно на площадь Индии. По данным НАСА , в 2000 году среднегодовая площадь озоновой дыры над Антарктидой составила 24,8 млн квадратных километров, в 2015 году - 25,6 млн квадратных километров .

Заблуждения об озоновой дыре [ | ]

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.

Озоновая дыра над Антарктидой существует уже давно [ | ]

Систематические научные наблюдения за озоновым слоем Антарктиды ведутся с 20-х годов XX века, но только во второй половине 70-х было обнаружено образование «устойчивой» Антарктической озоновой дыры, причем быстрые темпы её развития (увеличение размеров и снижение средней концентрации озона в границах дыры) в 80-е и 90-е годы вызвали панические опасения того, что точка невозврата в степени разрушающего антропогенного воздействия на озоновый слой уже пройдена.

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.

Позиция компании DuPont [ | ]

Компания DuPont после обнародования данных об участии фреонов в разрушении стратосферного озона восприняла эту теорию в штыки и потратила миллионы долларов на кампанию 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, чтобы 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 стратифицируются 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. Но 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.

Основные источники галогенов природные, а не антропогенные [ | ]

Источники хлора в стратосфере

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 . Ввиду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Будучи очень летучими молекулярными соединениями, они сравнительно легко достигают верхних слоёв атмосферы.

Сама Антарктическая «озоновая дыра» существует не круглогодично. Она появляется в конце зимы - начале весны (август-сентябрь) и проявляется в заметном снижении средней концентрации озона внутри обширной географической области. Причины, по которой озоновая дыра образуется 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 и слабо перемешивается с воздухом других широт. В это время полярная область не освещается Солнцем, и в отсутствие ультрафиолетового облучения озон не образуется, а, накопленный до этого, разрушается (как в результате взаимодействий с другими веществами и частицами, так и самопроизвольно, поскольку молекулы озона нестабильны). С приходом полярного дня количество озона постепенно увеличивается и снова выходит к нормальному уровню. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой - сезонные.

Но если проследить усреднённую в течение каждого года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется выраженная тенденция к падению средней концентрации озона в пределах огромной географической области.

Источники и примечания [ | ]

1. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006 (англ.) . Проверено 13 декабря 2007. Архивировано 16 февраля 2012 года.
2. «Знание-сила» Новости науки: 27.12.99 (рус.) . Проверено 3 июля 2007. Архивировано 16 февраля 2012 года.

Озоновые дыры - «дети» стратосферных вихрей

Хотя озона в современной атмо сфере немного - не более одной трехмиллионной от остальных газов, - роль его чрезвычайно велика: он задерживает жест кое ультрафиолетовое излучение (коротковолновую часть солнечного спектра), разрушающее белки и нуклеиновые кислоты. Кроме того, стратосферный озон - важный климатический фактор, определяющий краткосрочные и локальные изменения погоды.

Скорость реакций деструкции озона зависит от катализаторов, в роли которых могут выступать как естественные атмосферные окислы, так и вещества, попадающие в атмосферу в результате природных катаклизмов (например, мощных извержений вулканов). Однако во второй половине прошлого века было обнаружено, что катализаторами реакций разрушения озона могут также служить вещества промышленного происхождения, и человечество не на шутку обеспокоилось...

Озон (О 3) представляет собой сравнительно редкую молекулярную форму кислорода, состоящую из трех атомов. Хотя озона в современной атмосфере немного - не более одной трехмиллионной от остальных газов, - роль его чрезвычайно велика: он задерживает жесткое ультрафиолетовое излучение (коротковолновую часть солнечного спектра), разрушающее белки и нуклеиновые кислоты. Поэтому до появления фотосинтеза - и, соответст­венно, свободного кислорода и озонового слоя в атмосфере - жизнь могла существовать только в воде.

Кроме того, стратосферный озон - важный климатиче­ский фактор, определяющий краткосрочные и локальные изменения погоды. Поглощая солнечное излучение и передавая энергию другим газам, озон нагревает стратосферу и тем самым регулирует характер планетарных тепловых и циркулярных процессов во всей атмосфере.

Неустойчивые молекулы озона в естественных условиях образуются и распадаются под действием различных факторов живой и неживой природы, причем в ходе длительной эволюции этот процесс пришел к некоторому динамическому равновесию. Скорость реакций деструкции озона зависит от катализаторов, в роли которых могут выступать как естественные атмосферные окислы, так и вещества, попадающие в атмосферу в результате природных катаклизмов (например, мощных извержений вулканов).

Однако во второй половине прошлого века было обнаружено, что катализаторами реакций разрушения озона могут также служить вещества промышленного происхождения, и человечество не на шутку обеспокоилось. Особенно общественное мнение взбудоражило открытие над Антарктидой так называемой озоновой «дыры».

«Дыра» над Антарктидой

Заметную убыль озонового слоя над Антарктидой - озоновую дыру - впервые обнаружили еще в 1957 г., в Международный геофизический год. Настоящая же история ее началась через 28 лет со статьи в майском номере журнала Nature , где было высказано предположение, что причиной аномального весеннего минимума ОСО над Антарктидой служит промышленное (в том числе и фреонами) загрязнение атмосферы (Farman et al. , 1985).

Было установлено, что озоновая дыра над Антарктидой возникает обычно раз в два года, держится около трех месяцев, а затем исчезает. Она представляет собой не сквозное отверстие, как может показаться, а углубление, поэтому более правильно говорить о «провисании озонового слоя». К сожалению, все дальнейшие исследования озоновой дыры в основном были направлены на доказательство ее антропогенного происхождения (Roan, 1989).

ОДИН МИЛЛИМЕТР ОЗОНА Атмосферный озон представляет собой сферический слой толщиной около 90 км над поверхностью Земли, причем озон в нем распределен неравномерно. Больше всего этого газа сосредоточено на высоте 26–27 км в тропиках, на высоте 20–21 км - в средних широтах и на высоте 15–17 км - в полярных областях.
Общее содержание озона (ОСО), т. е. количество озона в атмосферном столбе в конкретной точке, измеряется по поглощению и излучению солнечной радиации. В качестве единицы измерения используется так называемая единица Добсона (е. Д.), соответствующая толщине слоя чистого озона при нормальном давлении (760 мм рт. ст.) и температуре 0° С. Сто единиц Добсона соответствуют толщине озонового слоя в 1 мм.
Величина содержания озона в атмосфере испытывает суточные, сезонные, годовые и многолетние колебания. При среднем глобальном ОСО в 290 е. Д. мощность озонового слоя меняется в широких пределах - от 90 до 760 е. Д.
За содержанием озона в атмосфере следит мировая сеть из около ста пятидесяти наземных озонометрических станций, очень неравномерно распределенных по террито­рии суши. Такая сеть практически не может регистрировать аномалии в глобальном распределении озона, даже если линейный размер таких аномалий достигает тысячи километров. Более детальные данные об озоне получают с помощью оптической аппаратуры, установленной на искусственных спутниках Земли.
Нужно отметить, что само по себе некоторое уменьшение общего содержания озона (ОСО) не является катастрофическим, особенно в средних и высоких широтах, потому что облака и аэрозоли также могут поглощать ультрафиолетовое излучение. В той же Центральной Сибири, где число облачных дней велико, отмечается даже дефицит ультрафиолета (около 45 % от медицинской нормы).

Сегодня существуют разные гипотезы относительно химических и динамических механизмов образования озоновых дыр. Однако в химическую антропогенную теорию не укладывается много известных фактов. Например, рост содержания стратосферного озона в отдельных географических регионах.

Вот самый «наивный» вопрос: почему дыра образуется в южном полушарии, хотя фреоны вырабатываются в северном, при том что неизвестно, имеется ли в это время воздушное сообщение между полушариями?

Заметную убыль озонового слоя над Антарктидой впервые обнаружили еще в 1957 г., а спустя три десятилетия вину за это возложили на промышленность

Ни одна из существующих теорий не опирается на широкомасштабные детальные измерения ОСО и исследования процессов, про­исходящих в стратосфере. Ответить на вопрос о степени изолированности полярной стратосферы над Антарктидой, как и на ряд других вопросов, связанных с проблемой образования озоновых дыр, удалось лишь с помощью нового метода слежения за движениями воздушных потоков, предложенного В. Б. Кашкиным (Кашкин, Сухинин, 2001; Kashkin et al. , 2002).

Воздушные потоки в тропо­сфере (до высоты 10 км) с давних пор прослеживали, наблюдая за поступательными и вращательными перемещениями облаков. Озон, по сути, также представляет собой огромное «облако» над всей поверхностью Земли, и по изменениям его плотности можно судить о движе­нии воздушных масс выше 10 км, - так же, как мы узнаем направление ветра, глядя на облачное небо в пасмурный день. Для этих целей плотность озона следует измерять в точках пространственной решетки с определенным временным интервалом, например, каждые 24 часа. Проследив, как изменилось поле озона, можно оценить угол его поворота за сутки, направление и скорость движения.

ЗАПРЕТ НА ФРЕОНЫ - КТО ВЫИГРАЛ? В 1973 г. американцы Ш. Роуланд и М. Молина обнаружили, что атомы хлора, выделяющиеся из некоторых летучих искусственных химических веществ под действием солнечного излучения, могут разрушать стратосферный озон. Ведущую роль в этом процессе они отвели так называемым фреонам (хлорфторуглеродам), которые в то время широко использовались в бытовых холодильниках, в кондиционерах, в качестве газа-вытеснителя в аэрозолях и т. д. В 1995 г. эти ученые совместно с П. Крутценом были удостоены за свое открытие Нобелевской премии по химии.
На производство и использование хлорфторуглеродов и других веществ, разрушающих озоновый слой, стали налагаться ограничения. Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, который предусматривает контроль за 95 соединениями, в настоящее время подписали более 180 государств. В законе Российской федерации об охране окружающей природной среды также есть специальная статья, посвященная
охране озонового слоя Земли. Запрет на производство и потребление озоноразрушающих веществ имел серьезные экономические и политические последствия. Ведь фреоны обладают массой достоинств: они малотоксичны по сравнению с другими хладагентами, химически устойчивы, негорючи и совместимы со многими материалами. Поэтому руководители химической промышленности, особенно в США, вначале были против запрета. Однако позднее к запрету присоединился концерн Дюпон, предложивший использовать в качестве альтернативы фреонам гидрохлорфторуглероды и гидрофторуглероды.
В западных странах начался «бум» с заменой старых холодильников и кондиционеров новыми, не содержащими озоноразрушающих веществ, хотя такие технические устройства имеют более низкий КПД, менее надежны, потребляют больше энергии и при этом более дорогостоящи. Компании, первыми начавшие применять новые хладагенты, оказались в выигрыше и получили громадные прибыли. Только в США убытки от запрета на хлорфторуглероды составили десятки, если не более, миллиардов долларов. Появилось мнение, что так называемая озоносберегающая политика могла быть инспирирована владельцами крупных химических корпораций с целью укрепить свое монопольное положение на мировом рынке

С помощью нового метода была исследована динамика озонового слоя в 2000 г., когда над Антарктидой наблюдалась рекордно большая озоновая дыра (Kashkin et al. , 2002). Для этого использовались спутниковые данные о плотности озона по всему южному полушарию, от экватора до полюса. В результате было установлено, что содержание озона минимально в центре воронки так называемого циркумполярного вихря, которая образовалась над полюсом, на чем мы подробно остановимся ниже. На основе этих данных была выдвинута гипотеза природного механизма образования озоновых «дыр».

Глобальная динамика стратосферы: гипотеза

Циркумполярные вихри образуются при движении стратосферных воздушных масс в меридиональном и широтном направлениях. Как это происходит? На теплом экваторе стратосфера выше, а на холодном полюсе - ниже. Воздушные потоки (вместе с озоном) скатываются со стратосферы как с горки, и движутся все быстрее от экватора к полюсу. Движение с запада на восток происходит под воздействием силы Кориолиса, связанной с вращением Земли. В результате потоки воздуха как бы наматываются, как нити на веретено, на южное и северное полушария.

«Веретено» воздушных масс вращается в течение всего года в обоих полушариях, но более выражено в конце зимы и начале весны, потому что высота стратосферы на экваторе почти не меняется в течение года, а на полюсах она выше летом и ниже зимой, когда там особенно холодно.

Слой озона в средних широтах создается за счет мощного притока с экватора, а также в результате фотохимических реакций, происходящих на месте. А вот озон в районе полюса обязан своим происхождением в основном поступлению с экватора и из средних широт, и его содержание там довольно низкое. Фотохимические реакции на полюсе, куда солнечные лучи падают под малым углом, идут медленно, а значительная часть озона, поступающего с экватора, успевает разрушиться в пути.

На основе спутниковых данных о плотности озона была выдвинута гипотеза естественного механизма образования озоновых дыр

Но воздушные массы движутся так не всегда. В самые холодные зимы, когда стратосфера над полюсом очень низко опускается над поверхностью Земли и «горка» становится особенно крутой, ситуация меняется. Стратосферные потоки скатываются так быстро, что возникает эффект, знакомый каждому, кто наблюдал, как вода стекает через отверстие в ванне. Достигнув определенной скорости, вода начинает быстро вращаться, а вокруг отверстия образуется характерная воронка, создаваемая центробежной силой.

Нечто подобное происходит и в глобальной динамике стратосферных потоков. Когда потоки стратосферного воздуха набирают достаточно большую скорость, центробежная сила начинает отжимать их от полюса к средним широтам. В результате воздушные массы движутся от экватора и от полюса навстречу друг другу, что приводит к формированию быстро вращающегося «вала» вихря в области средних широт.

Обмен воздухом между экваториальной и полярной областями прекращается, озон с экватора и из средних широт на полюс не поступает. Кроме того, оставшийся на полюсе озон, как в центрифуге, отжимается к средним широтам центробежной силой, поскольку он тяжелее воздуха. В результате концентрация озона внутри воронки резко падает - над полюсом образуется озоновая «дыра», а в средних широтах - область высокого содержания озона, соответствующая «валу» циркумполярного вихря.

Весной антарктическая стратосфера прогревается и поднимается выше - воронка исчезает. Воздушное сообщение между средними и высокими широтами восстанавливается, к тому же ускоряются фотохимические реакции образования озона. Озоновая дыра исчезает до новой особенно холодной зимы на Южном полюсе.

А что в Арктике?

Хотя динамика стратосферных потоков и, соответственно, озонового слоя в северном и южном полушариях в целом схожа, озоновая дыра время от времени возникает только над Южным полюсом. Над Северным полюсом озоновых дыр не возникает, поскольку зимы там мягче и стратосфера никогда не опускается настолько низко, чтобы воздушные потоки набрали скорость, необходимую для образования воронки.

Хотя циркумполярный вихрь образуется и в северном полушарии, озоновых дыр там не наблюдается из-за более мягкой, чем в южном полушарии, зимы

Есть и еще одно важное отличие. В южном полушарии циркумполярный вихрь вращается почти в два раза быстрее, чем в северном. И это неудивительно: Антарктида окружена морями и вокруг нее существует циркумполярное морское течение - по существу, вместе вращаются гигантские массы воды и воздуха. Иная картина в северном полушарии: в средних широтах там находятся материки с горными хребтами, и трение воздушной массы о земную поверхность не позволяет циркумполярному вихрю набрать достаточно большую скорость.

Однако в средних широтах северного полушария иногда появляются небольшие озоновые «дыры» иного происхождения. Откуда они берутся? Движение воздуха в стратосфере средних широт гористого северного полушария напоминает движение воды в мелком ручье с каменистым дном, когда на поверхности воды образуются многочисленные водовороты. В средних широтах северного полушария роль рельефа поверхности дна играют перепады температур на границе континентов и океанов, горных массивов и равнин.

Резкая смена температуры на поверхности Земли приводит к формированию в тропосфере вертикальных потоков. Стратосферные ветры, наталкиваясь на эти потоки, создают вихри, которые могут вращаться в обоих направлениях с равной вероятностью. Внутри них появляются области с пониженным содержанием озона, то есть озоновые дыры, намного меньшие по размеру, чем на Южном полюсе. И нужно отметить, что такие вихри с разными направлениями вращения были обнаружены при первой же попытке.

Таким образом, динамика стратосферных воздушных потоков, которую мы проследили, наблюдая за облаком озона, позволяет дать правдоподобное объяснение механизма образования озоновой дыры над Антарктидой. По-видимому, подобные изменения озонового слоя, обусловленные аэродинамическими явлениями в стратосфере, имели место задолго до появления человека.

Все вышесказанное вовсе не означает, что фреоны и другие газы промышленного происхождения не оказывают разрушающего действия на озоновый слой. Однако ученым еще предстоит выяснить, каково соотношение природных и антропогенных факторов, влияющих на образование озоновых дыр, - делать поспешные выводы в столь важных вопросах недопустимо.