Озоновый слой Земли

Важнейшей составной частью атмосферы, влияющей на климат и защищающей все живое на Земле от излучения Солнца, является озоно-сфера. Основная масса озона находится на высотах от 10 до 50 км, а его максимум — на 18—26 км. Всего в стратосфере содержится 3,3 трлн. т озона. В слое озоносферы озон находится в очень разреженном состоянии. Если бы все количество озона собрать при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 "С, то толщина этого слоя составила бы всего 2,5—3 мм.

Важной особенностью атмосферного озона является то, что этот газ крайне неустойчив. Постепенно происходит процесс разрушения озона, поэтому даже для существования такого количества необходимы факторы, которые обеспечивают непрерывное его образование. Таким образом, само наличие этого газа — результат борьбы процессов разрушения и образования. В среднем в атмосфере Земли ежесекундно образуется и исчезает около 100 т озона. Среднее время жизни молекул озона составляет около года, однако условия выживания молекул в раз­ных частях атмосферы неодинаковы. В верхних слоях атмосферы время жизни молекул озона составляет часы и сутки, ниже 25 км оно резко возрастает, и основное разрушение происходит вблизи земной поверх­ности, где время жизни молекул опять уменьшается в среднем до 60 суток. Процессы образования озона в основном происходят в верхней атмосфере из кислорода, двуокиси азота с участием других газов и под непосред­ственным воздействием ультрафиолетовой радиации Солнца. Этой спецификой образования и разрушения озона, а также вертикальными движениями в атмосфере в основном определяется имеющийся характер вертикального распределения его концентрации.

Несмотря на малое количество атмосферный озон играет исключи­тельно важную роль в процессах радиационного переноса солнечной энергии. Он практически полностью поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца в спектральном диапазоне 200—300 ннм, что составляет примерно 1,2% общей энергии излучения, приходящей в атмосферу от Солнца, а также вносит определенный вклад в баланс длинноволнового излучения, интенсивно поглощая в полосе с длиной волны 9,57 мкм. Это поглощение озоном солнечной энергии определяет нагрев атмосферы на высотах 30—60 км, что, в свою очередь, через сложнейшие механизмы взаимодействия формирует сложившиеся в атмосфере Земли динами­ческие и тепловые, процессы, определяет в конечном счете особенности циркуляции атмосферы и специфику климата на нашей планете.

Озон атмосферы поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение. В условиях, когда формирование и развитие жизни на Земле протекало под защитой озонового слоя от жесткого ультрафиолета, естественно идущие биологические процессы на поверхности Земли оказались и крайне чувствительны к изменчивости ультрафиолетовых потоков излучения. С повышением доз ультрафиолетового излучения возникают биоло­гические эффекты, вызывающие изменения на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях в человеке, животных, растениях, микроорганизмах и в экосистемах. Эти эффекты пока еще всесторонне и до конца не изучены, однако имеющиеся данные заставляют относиться к проблеме достаточно серьезно.

При повышении дозы ультрафиолетового облучения у человека появляются ожоги на коже. Имеются данные, подтверждающие опреде­ленные указания к тому, что увеличение числа случаев заболевания раком кожи определенным образом связано с ростом интенсивности ультра­фиолетовой радиации. Биологическое действие ультрафиолетовой радиации обусловлено высокой чувствительностью нуклеиновых кислот, которые могут разрушаться, что приводит к гибели клеток или возникно­вению мутаций. В связи с этим отмечалось, что уже 50-процентное уменьшение общего содержания озона приводит к росту интенсивности ультрафиолетового излучения, которое отрицательно скажется на усло­виях роста ряда видов растений. Высказываются мнения, что повышение уровня ультрафиолетового излучения может губительно повлиять на водные экосистемы, уменьшить продуктивность фитопланктона — основного корма рыб и морских организмов.

Активную роль в процессах образования и разрушения озона играют окислы азота, тяжелых металлов (меди, железа, марганца), хлор, фтор, бром. Общий баланс озона в стратосфере регулируется поэтому сложным комплексом процессов. С учетом сложившегося в настоящее время га­зового состава стратосферы в порядке оценки можно говорить, что около 70% озона разрушается по азотному циклу, 17% — по кислородному, 10% — по водородному, около 2% — по хлорному и другим циклам и около 1,2% поступает в тропосферу. Важно отметить, что в этом ба­лансе азот, хлор, кислород, водород и другие компоненты участвуют как бы в виде катализаторов, не меняют своего содержания, поэтому процессы, приводящие к их накоплению в стратосфере или удалению, существенно сказываются на содержании озона. В связи с этим попадание в верхние слои атмосферы даже относительно небольших количеств такого рода веществ может устойчиво и долгосрочно влиять на установившийся баланс, связанный с образованием и разрушением озона, и привести к тем последствиям, о которых мы уже сказали.

Широкое использование хлорфторметанов (фреонов) в качестве растворителей для красок, лаков, при применении различного рода аэро­золей привело к тому, что миллионы тонн их поступают в нижние слои атмосферы в виде безвредного нейтрального газа. Распространяясь вверх, хлорфторметаны начиная с 30 км под действием излучения разрушаются, выделяя хлор и фтор, которые начинают активно участвовать в процессах разрушения озона. Аналогичные эффекты, но, по оценке, меньшей интенсивности, могут дать широкое применение азотных удобрений, увеличивающееся содержание окислов азота в атмосфере, выбросы продуктов сгорания высотной авиации, высотные атомные взрывы.

Когда фреон впервые был синтезирован свыше 60 лет назад, химики не могли нарадоваться на свое детище: безвредный, нетоксичный, инертный, дешевый газ. Теперь молекулы этого, казалось бы, безвредного для человека газа называют «убийцами». Вот только некоторые факты. Вырвавшись в атмосферу, каждая такая молекула (а она состоит из атомов хлора, фтора и углерода), по данным американских ученых, в 20 тыс. раз более эффективна в удержании тепла, чем известная двуокись углерода — продукт сжигания топлива. Фреоны превосходят ее в образовании пресло­вутого парникового эффекта. Особенно разрушителен для молекул озона хлор, вырвавшийся в «свободный полет». Каждый его атом способен уничтожить 100 тыс. молекул озона. Это, заметим, при том, что фреоны, попавшие в атмосферу сейчас, в эти минуты, могут существовать в ней и через сто лет.

Наблюдения, проведенные с помощью искусственных спутников Земли, показали, что ежегодно в течение месяца над Антарктикой коли­чество атмосферного озона уменьшается на 60%. Дыра в озоновом слое занимает площадь, равную территории США, простираясь от Антарктиды до оконечности Южной Америки. Уровень озона в этой зоне резко снижается в октябре, когда в Южном полушарии начинается весна. Веду­щиеся с 1987 г. наблюдения показали, что в последние годы это явление стало более выраженным. Дыра начинает исчезать в ноябре, когда заканчивается многомесячная полярная ночь. Как уже было сказано, это явление продолжается один месяц. Тем не менее дыра, несомненно, влияет на климат и погоду земного шара. Ведь, поглощая солнечную радиацию, озон вызывает нагревание воздуха в атмосфере, в просвете же дыры такие тепловые процессы нарушены, меняется и атмосферная циркуляция. Отсюда — неустойчивость климата, ветры. В будущих прогнозах синопти­кам обязательно придется учитывать это явление, появление в атмосфере под его влиянием ряда химических компонентов, снижающих уровень озона.

На борту специально оборудованного самолета-разведчика междуна­родная группа ученых совершает полеты над Антарктидой с целью выявле­ния причин образования в защитном озоновом слое Земли дыры, которая вызывает пристальный интерес у специалистов и тревогу у обществен­ности. Экспедиция предусматривает также проведение учеными наблю­дений на Земле в период, когда в Антарктиде начинается весна и резко истощается озоновый слой.

В ходе осуществленной менее масштабной экспедиции некоторые специалисты высказали предположение, что причиной образования озо­новой дыры над Антарктидой скорее всего является выброс в атмосферу различных химических веществ искусственного происхождения. Измере­ния показали, что уровень озона сократился примерно на 40% по сравне­нию с 1959 г. Сторонники этих взглядов утверждают, что частицы воды или продукты извержения вулканов, попадая на необычные облака, находящиеся в стратосфере над Антарктидой, создают благоприятные условия для возникновения химических реакций, которые и ведут к истощению озонового слоя. Однако другие ученые считают, что причиной загадочного явления могут быть и своеобразные условия в Антарктиде в весенний период. Восстановить озоновый слой над Антарктидой с помощью запуска специальных воздушных шаров с уста­новками для производства озона надеется английская группа защитников окружающей среды, которая называется «Помогите озону». Один из авторов проекта, швед Пер Линдстранд заявил, что озонаторы, работаю­щие от солнечных батарей, будут установлены на сотнях шаров, наполненных водородом или гелием. Озоновый слой, который предохра­няет Землю от избыточного ультрафиолетового облучения, особенно сильно разрушен над Южным полюсом нашей планеты.

Проблема сохранения озонового слоя уже давно перешла из чисто научной сферы в сферу политики и экономики. Например, в 70-х гг. пришлось ограничивать полеты сверхзвуковых самолетов типа «Конкорд».

В 1985 г. была подписана Венская конвенция, а в 1987 г. в Монреале — межправительственное соглашение по охране озонового слоя Земли. Предусматриваются ограничения на производство фреонов (присут­ствующих, например, в ставших привычными для нас аэрозольных бал­лончиках и морозильных установках), азотных удобрений и бромсодержащих веществ.

Ученые и общественность обеспокоены озоновыми дырами над Арктикой и Антарктидой. Ясно, что сегодня необходим постоянный конт­роль, причем надо знать не только сколько всего озона в атмосфере, но и как он распределен на различных высотах. Эти наблюдения регулярно пока не ведутся. Традиционные приборы, поднимаемые на большие высоты с помощью специальных воздушных шаров, стоят очень дорого. Их считанные единицы. Информации мало, а она необходима. Ведь только накапливая данные можно получить объективную картину эволюции за­щитного слоя, взаимосвязи озонообразующих процессов с распределением твердых частиц в атмосфере. По современным представлениям, они играют существенную роль в образовании и гибели озона. Новые методы должны восполнить пробелы.

Центральная аэрологическая обсерватория бывшего СССР обобщила результат наблюдений, проводимых более чем сорока озонометрическими наземными пунктами, расположенными по всей стране и оснащенными специальной оптической аппаратурой. Распределение же озона по высотам измерялась шарами-зондами. Еженедельно сведения обобщались обсерваторией и рассылались по всему миру. Это карты общего содержа­ния озона (ОСО) в атмосфере над территорией бывшего Советского Союза и прилегающими регионами Северного полушария.

Содержание озона в конце 1989 г. уменьшилось на очень незначи­тельную величину по сравнению с нормальным уровнем. Подобные откло­нения находятся в пределах естественной изменчивости. Они связаны с крупномасштабными метеорологическими явлениями — циклонами, тайфунами и другими возмущениями в атмосфере, возникающими при­родным путем.

В ряде стран ведутся поиски новых веществ, которыми можно по­стоянно заменить фреоны. Многие фирмы, в их числе «Дюпон», «Импи-риэл кэмикл индастриз», «Бутс» и «Макдональдс» активно приступили к поискам таких заменителей. В Великобритании объявлено о создании аэрозольной упаковки, работающей без использования газов, способ­ствующих разрушению атмосферного озонного слоя. Упаковка снабжа­ется специальной резиновой манжетой, сжимающей пластиковый флакон. Она распыляет его содержимое при открытии клапана. Такие упаковки поступили в продажу в 1989 г. Их стоимость пока в 3 раза выше традиционных. Но их производители в ряде стран, например в США и Японии, не будут испытывать конкуренции, поскольку использование хлорфторуглеродов там запрещено в законодательном порядке. На разработку устройства, которая велась в 1975 г., затрачено более 12 млн. фунтов стерлингов. Его производители надеются революционизировать мировой рынок аэрозольных упаковок. Ведь их детище — уникальная альтернатива существующим изделиям массового производства, выпуск которых волей-неволей надо прекращать ввиду, их крайней опасности для окружающей среды.

Канадские специалисты сообщили о том, что ими создан своего рода «уловитель» для фреонов, используемых в бытовой технике. Исследо­ватели из компании «Юнион карбайд Канада» представили на суд потребителей небольшие емкости, содержащие кристаллическое моле­кулярное «сито». Перед тем как, например, холодильник будет выброшен на свалку, весь фреон из него перекачивается в эту емкость. После этого ее достаточно отправить на химическое предприятие, где фреон будет очищен и вновь станет пригодным к использованию. Это устройство обладает высокой надежностью. Главное, что емкость размером с обыч­ную бутылку, и поэтому каждый мастер по холодильным установкам или другим приборам, где используется фреон, сможет всегда иметь в своем рабочем чемоданчике несколько «ловушек».

В марте 1989 г. в лондонском Центре имени Елизаветы II проходила конференция под девизом «Спасти озоновый слой». Авторитетный между­народный форум собрал представителей около 120 стран мира. В нем приняли участие многие руководители правительственных ведомств, отвечающие за охрану окружающей среды, видные ученые, крупные промышленники. На конференции подчеркивалось, что высокоразвитые индустриальные страны Запада, прежде всего США, Англия, другие западноевропейские государства, в решающей степени повинны в создав­шемся положении. Их промышленность выбросила в атмосферу основную часть озоноразрушающих веществ. В связи с этим обязанность инду­стриального мира — обеспечить финансирование и разработку новых технологий для использования их в развивающихся странах. Это поможет достичь общей дели — сокращения производства и использования хлорфтористых углеродов. Принцип «платит тот, кто загрязнял» должен быть применен и в отношении озонового слоя. Бывший Советский Союз с самого начала участвовал в разработке как Венской конвенции, так и Монреальского протокола. Он был в числе первых, кто ратифицировал оба эти международных документа. Озоновому поясу уже нанесен серьезнейший ущерб. Преодолеть беду можно лишь совместными уси­лиями всех государств.

Дата добавления: 2014-12-29