Около сорока лет назад впервые было обнаружено, что слой озона в земной атмосфере стал истощаться. Первыми это заметили английские учёные, работавшие на исследовательской базе в Антарктиде. Они обнаружили, что над станцией Халли-Бей толщина озона уменьшилась почти в два раза! В то время возможные причины этого явления ещё не были изучены, поэтому всё, что оставалось делать учёным - наблюдать за развитием ситуации. И результаты их совсем не обрадовали - озоновые дыры не только не закрылись, но даже распространились далеко за пределы Южного полюса. Так появилась информация о новой глобальной катастрофе.

Чем же на самом деле являются озоновые дыры?

Озон - это газ, который вырабатывается из кислорода при ультрафиолетовом излучении, поступающем от Солнца. Он, в свою очередь, препятствует прохождению этого излучения, действие которого является губительным для всех живых организмов. Слой этого газа расположен на высоте около двадцати километров над поверхностью и защищает планету от негативного влияния солнечной энергии. Озоновые дыры - это места, в которых толщина газа по каким-либо причинам уменьшается. На данном этапе её ещё хватает для того, чтобы задерживать ультрафиолет, но если человечество ничего не предпримет для изменения ситуации, через некоторое время истощение озонового слоя приведёт к тому, что вредоносное излучение сможет беспрепятственно проникать в атмосферу, и тогда существование жизни на Земле станет попросту невозможным.

Почему возникают озоновые дыры?

Есть несколько версий относительно того, из-за чего количество защитного газа в атмосфере уменьшается. Самая распространённая из них, конечно же, антропогенная. Суть её заключается в том, что уничтожение озона происходит вследствие действий человека: создания мегаполисов, загрязнения атмосферы, развития промышленности. По другой версии, в создании прорех в защитном слое Земли виновато сильнейшее извержение мексиканского вулкана Эль-Чичон, которое могло «пробить» озоновый слой. Кроме того, астрономы считают, что снижение защиты обусловлено увеличением солнечной активности.

Исследование космоса

И всё же, несмотря на большое разнообразие возможных версий, наиболее вероятной из них остаётся антропогенная. Ведь в середине прошлого века происходили многочисленные запуски космических ракет, каждая из которых, взлетая, оставляла «дыру» в атмосфере, прорывая слой озона. Всего за тридцать лет освоения космоса было уничтожено 30% защитного барьера Земли, который формировался на протяжении четырёх миллиардов лет!

Фреон

Губительным веществом для озона является фреон, который широко используется как в быту, так и в промышленности. Он содержался практически во всех газовых баллончиках прошлого века: в лаках для волос, духах, дезодорантах, огнетушителях. Он был даже в холодильниках и кондиционерах! Неудивительно, что с каждым днём появлялись всё новые и новые озоновые дыры, а защитный слой становился всё тоньше и тоньше.

Пути решения

На сегодняшний день проблема остаётся острой и актуальной. Приняты многочисленные соглашения, по которым вредные для озонового слоя вещества запрещены к использованию в производстве и промышленности. Но этого мало, ведь вопрос состоит не только в том, чтобы остановить разрушение озона, но и в том, чтобы восстановить его. А эта задача еще не решена.

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.

Введение

Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в1985 году вЮжном полушарииАнтарктидой группой британских учёных. Каждый август она появлялась, к декабрю или январю прекращая своё существование. НадСеверным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра меньших размеров.

Озоновая дыра́ - локальное падение концентрацииозонаозоновом слоеЗемли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащихфреонов привело к значительному утончению озонового слоя, см. например доклад Всемирной метеорологической организации:

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

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

Механизм образования

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 в виду 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 разрушению молекул озона, являютсяпростые веществаводород, атомыкислородахлораброма), неорганические (хлороводородмоноксид азота) иорганические соединенияметан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора иброма). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомовфтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют сводой образуя стабильныйфтороводород. Таким образом,фтор не участвует в реакциях распада озона.Йод также не разрушает стратосферныйозон, так как иодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере. Основные реакции, вносящие вклад в разрушение озона приведены в статье проозоновый слой.

Последствия

Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.

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 затягивание озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года

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.

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.

DuPont инициировал запрет старых и переход на новые типы фреонов потому что у них истекал срок действия патента

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, чтоб 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 нерасслаиваются 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 вертикальногомассопереносаконвекциитурбулентности полностью перемешивают атмосферу нижетурбопаузы намного быстрее. Поэтому даже такие тяжёлые газы, какинертныефреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе истратосферы. Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это, см. например справа график распределения фреонаCFC-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, какаргонуглекислый газ, образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы поверхность Земли необитаемой. К счастью, это не так. Икриптон 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.

Основными источниками галогенов являются природные, а не антропогенные

Есть мнение, что природные источникигалогенов, напримервулканыокеаны, 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 вулканаПинатубо в июне1991 годавызвало 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

Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны втропосферестратосфере. В виду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Поэтому они легко достигают верхних слоёв атмосферы. Антарктическая «озоновая дыра» существует не постоянно. Она появляется в конце зимы - начале весны. Причины, по которой озоновая дыра образуются 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. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не возникает. С приходом лета количество озона увеличивается и снова выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой - сезонные. Однако, если проследить усреднённую в течение года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется строго определённая тенденция к падению концентрации озона.

Озон разрушается только над Антарктикой

Динамика изменения озонового слоя над Аросой, Швейцария

Это неверно, уровень озона также падает во всей атмосфере. Это показывают результаты долговременных измерений концентрации озона в разных точках планеты. Вы можете посмотреть на график изменения концентрации озона над Аросой в Швейцарии справа.

Озоновой дырой считается локальное падение в озоновом слое Земли концентрации озона. Изначально специалисты предположили, что концентрация озона имеет свойство меняться из-за частиц, которые выбрасываются при любом атомном взрыве.

Виновниками появления озоновых дыр в атмосфере Земли длительное время считали высотные самолеты и полеты космических кораблей.

Однако в ходе многочисленных исследований и опытов было доказано, что содержание озона может качественно варьироваться из-за определенных естественных загрязнителей воздушной среды, содержащих азот.

Основные причины появления озоновых дыр

Давно уже установлено, что основное количество природного озона содержится на высоте от 15 до 50 километров над поверхностью Земли – в стратосфере. Наибольшую пользу озон приносит, поглощая значительное количество ультрафиолетового солнечного излучения, которое иначе оказалось бы губительным для живых организмов на нашей планете. Снижение концентрации озона в определенном месте может быть обусловлено загрязнениями воздушной среды двух типов. К ним можно отнести:

1. Естественные процессы, при которых происходит загрязнение воздуха.
2. Антропогенные загрязнения атмосферы Земли.

В мантии Земли постоянно осуществляются процессы дегазации, вследствие которых выделяются самые разные органические соединения. Порождать такие виды газов могут грязевые вулканы и гидротермальные источники.

Кроме того, в земной коре расположены определенные газы, находящиеся в свободном состоянии. Часть их способна достигать земной поверхности и через трещины земной коры диффундировать в атмосферу. Поэтому приземной воздух над нефтегазоносными бассейнами зачастую содержит повышенный уровень метана. Эти виды загрязнений можно отнести к естественным – происходящим в связи с природными явлениями.

Антропогенные загрязнения воздушной среды могут быть вызваны запусками космических ракет и полетами сверхзвуковых реактивных самолетов. Также большое количество самых разных химических соединений выделяется в атмосферу в процессе добычи и переработки многочисленных ископаемых из недр земли.

Немалую роль в загрязнении атмосферы играют и большие промышленные города, являющиеся своеобразными антропогенными источниками. Воздушные массы в подобных местностях загрязняются посредством обширного потока автомобильного транспорта, а также из-за выбросов разных промышленных предприятий.

История открытия озоновых дыр в атмосфере

Впервые озоновую дыру обнаружила в 1985 году группа ученых из Великобритании во главе с Джо Фарменом (Joe Farman). Диаметр дыры был более 1000 километров, а находилась она над Антарктидой – в Южном полушарии. Возникая ежегодно в августе, данная озоновая дыра исчезала в период с декабря по январь.

1992 год ознаменовался для ученых тем, что уже над Северным полушарием в Антарктике образовалась еще одна озоновая дыра, с гораздо меньшим диаметром. А в 2008 году диаметр первого обнаруженного в Антарктиде озонового явления достиг максимальных рекордных размеров – 27-ми миллионов квадратных километров.

Возможные последствия расширения озоновых дыр

Так как озоновый слой призван защищать поверхность нашей планеты от переизбытка ультрафиолетового солнечного излучения, то озоновые дыры можно считать реально опасным для живых организмов явлением. Снижение озонового слоя значительно увеличивает поток солнечной радиации, что может влиять на резкий рост числа раковых кожных заболеваний. Не менее губительно появление озоновых дыр для растений и животных на Земле.

Благодаря вниманию общественности, в 1985 году приняли Венскую конвенцию об охране озонового слоя. Затем имел место так называемый Монреальский протокол , принятый в 1987 году и определяющий список самых опасных хлорфторуглеродов. Тогда же страны-производители указанных загрязнителей атмосферы обязались ограничить их выпуск, а к 2000 году – прекратить совсем.

Гипотезы о естественном происхождении озоновой дыры

А вот российские ученые опубликовали подтверждение гипотезы о естественном происхождении антарктической озоновой дыры. В 1999 году в МГУ НПО «Тайфун» опубликовал научную работу, в которой, согласно расчетам геофизиков А.П. Капицы и А.А. Гаврилова, Антарктическая озоновая дыра существовала до того, как ее обнаружили прямыми экспериментальными методами в 1982 году, что, по мнению русских ученых, подтверждает гипотезу естественного происхождения озоновой дыры над Антарктидой.

Авторами этой научной работы являлись А.П.Капица (член-корреспондент РАН) b А.А.Гаврилов (Московский Государственный Университет). Этим двум ученым удалось установить, что количество фактов, противоречащих антропогенной гипотезе происхождения Антарктической озоновой дыры, постоянно растет, а после доказательства, что данные аномально низких значений общего содержания озона в Антарктиде в 1957-1959 годах верны, стала очевидно, что причина озоновых дыр отлична от антропогенной.

Результаты исследований Капицы и Гаврилова были опубликованы в Докладах Академии наук, 1999, том 366, № 4, с. 543-546

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.