Открытие озоновых дыр в стратосфере
Обнаружение истощения озона в стратосфере произошло спустя 10лет после установления возможных механизмов его разрушения, о которых говорилось выше.
Известный английский ученый Дж. Фарман, работавший на антарктической станции Хэлибей, весной (в октябре месяце) 1984 г. обнаружил резкое уменьшение содержания озона над Антарктидой - более, чем на 40%.
Четко ограниченные области пониженного по сравнению с нормой содержания озона в стратосфере (на 40% и более) получили образное название озоновых дыр. После открытия Фармана появление озоновых дыр стал фиксировать и американский спутник «Нимбус-7», на котором был установлен модифицированный прибор Добсона «ТОМS OZONE», измеряющий общее содержание озона в атмосфере. При уточнении данных со спутника выяснилось, что сокращение концентрации озона над Антарктидой продолжается уже 10 лет.
Американцы специально отправили самолёт – метеостанцию, на котором был смонтирован прибор Добсона, который пролетел над Антарктидой на больших высотах и достоверно подтвердил наличие озоновой дыры, размеры которой достигали нескольких миллионов квадратных километров..
Можно считать доказанным, что главные разрушители стратосферного озона-фреоны (CF2Cl2) и галоны (CCl2). Наложение на график изменения годового изменения озона над Антарктидой графика изменения концентрации фреона там же (см. рис.1) подтверждает это.
Рис 1. Изменение содержания озона и концентрации фреона над Антарктидой
Измерения с помощью самолетов-лабораторий, пересекающих на высоте порядка 20 км области пониженного содержания озона, показали, что там сильно увеличено содержание монооксида хлора (ClO). При этом
наблюдалось очень хорошее соответствие между концентрациями ClO и О3 (см.рис.2). По мере продвижения самолета внутрь дыры содержание озона уменьшалось, а монооксида хлора возрастало, причем на графике обе кривые (уменьшения концентрации О3 и увеличения концентрации ClO), снятые вдоль трассы, совпадали даже в деталях. На сегодняшний день эти результаты-основной аргумент, доказывающий, что озоновые дыры связаны с загрязнением атмосферы хлоросодержащими соединениями.
Рис. 2 Взаимосвязь широтного изменения содержания озона и монооксида хлора в атмосфере в области озоновой дыры
Механизм возникновения озоновых дыр в стратосфере
Комплексные наблюдения за состоянием озонового слоя над Антарктидой с помощью шаров-зондов, самолетов и спутников показали, что резкое понижение содержания озона происходит ежегодно в конце южнополярной ночи (в октябре-ноябре), когда в южном полушарии начинается весна (см. рис.3).
Рис. 3 Изменение среднемесячного содержание озона над Южным полюсом в 1995 г.
Натурные и модельные исследования, проведенные в последнее время позволили представить общий механизм возникновения и эволюции озоновых дыр, который достаточно сложен и во всех деталях еще неясен.
Прежде всего, он связан с особыми физико-химическими свойствами атмосферы ледяного континента. Зимой в стратосфере над Антарктидой образуется устойчивый циклон, так называемый южнополярный вихрь. Воздух внутри вихря движется по замкнутым траекториям, не выходя за его границы. По этой причине в Антарктиде зимой практически не происходит обмена воздухом между полярной и среднеширотной стратосферой. Когда внутри полярного вихря начинается даже относительно слабый процесс уничтожения озона, при отсутствии обмена воздухом с другими широтами количество его там может упасть очень значительно. Заметим, что основная масса озона поступает в полярные области из тропиков в результате меридионального переноса, прерываемого зимой циклоном. Местный же фотохимический источник озона в течение полярной ночи очень мал.
Оказавшийся внутри антарктического вихря воздух за долгую зимнюю ночь сильно охлаждается. Именно в конце зимы здесь наблюдаются самые низкие стратосферные температуры, достигающие –75 и даже –850С. При очень низких температурах в стратосфере образуются облака, подобные перламутровым и серебристым, но из-за большой разряженности не фиксируемые оптическими методами. Эти облака состоят из ледяных кристаллов и капелек, переохлажденной жидкости (азотной, главным образом, и серной кислот). Частицы этих облаков выступают как аккумуляторы хлорсодержащих и других озоноразрушающих соединений.
В начале весны (в октябре - для Антарктиды) под действием возрастающего солнечного излучения начинается освобождение аккумулированных соединений хлора в атмосферу и концентрации Cl, ClO и других хлоросодержащих веществ растут. Из-за начавшихся циклических реакций озона с этими соединениями его концентрация резко падает. Так продолжается до тех пор, пока в ноябре не разрушится полярный вихрь и не начнется обмен воздухом со среднеширотной стратосферой, в результате чего содержание озона восстанавливается до нормы.
Таким образом, появление антарктической дыры - результат сочетания сложных геодинамических и фотохимических процессов.
В другой полярной области Земли Арктике - значительных и устойчивых озоновых дыр не зафиксировано, поскольку в районе Северного полюса нет единого континента и Арктика имеет сложную структуру: открытый океан, отдельные острова, материковое побережье. Потоки воздуха от различно нагретых участков поверхности не дают образоваться стабильному зимнему циклону. Вследствие этого, нет и сильного понижения температуры и не образуются стратосферные облака. А нет облаков - не работает механизм гетерогенной химии и не происходит непрерывного уменьшения концентрации озона.
Однако временные понижения концентрации озона в стратосфере происходит и над Арктикой. Здесь, в том числе над Северо-Восточной Сибирью и Чукоткой и над прилегающими к ним морям Северного Ледовитого океана, обнаружены локальные «мини-дыры», которые меньше антарктических озоновых дыр, не обладают их регулярностью и в которых понижение содержания озона не столь существенно (на 5-15% по сравнению с нормой).
Более тщательные исследования атмосферы выявили снижение концентрации озона и в северном полушарии.
С 1969 года содержание озона над Северной Евразией и Америкой снизилось на 14%. Сейчас в течение зимы убыль озона над Арктикой достигает 12% на высоте 17 – 20 км, в 1995 году с января по март, уменьшение озонового слоя над Северным полушарием достигло 50%. (В 1996 году – 40 – 50%).
Тем не менее, основания для беспокойств по поводу появления таких озоновых дыр в северном полушарии имеются, поскольку, в отличие от безлюдной Антарктиды, эти области заселены.
Международная защита озонового слоя Земли.
Основным путём предотвращения надвигающейся озоновой катастрофы является прекращение производства и выбросов в атмосферу фреонов.
Уже в конце 70-х гг., еще до обнаружения озоновых дыр, в США и Скандинавских странах развернулось широкое экологическое движение за ограничение производства ХФУ и использования аэрозольных упаковок на основе фреонов в быту и начался поиск их заменителей.
Созданная в 1974 г. Программа ООН по окружающей среде- ЮНЕП (United Nations Environment Programme-UNEP) уже в 1976 г. занялась вопросом озонового слоя, признав разрушение стратосферного озона важнейшей экологической проблемой.
Тревога мировой общественности и осознание ею неотвратимости экологической катастрофы, к которой может привести разрушение озонового слоя Земли, периодические исследования содержания озона в атмосфере, проводимые под эгидой ЮНЕП, обеспечили основу для международных переговоров, поскольку проблема носит глобальный характер. Была принята Международная конвенция об охране озонового слоя (Вена, весна 1985 г.) и Монреальский протокол к ней (сентябрь, 1987 г.). Венская конвенция (ВК) и Монреальский протокол (МП), а также поправки к Протоколу, принятые в Лондоне (1990 г.), Копенгагене (1992 г.) и Вене (1995 г.) предусматривали замораживание и последующее сокращение наиболее опасных для озонового слоя веществ. Полностью выпуск ХФУ должен быть прекращен к 2001 г.
Как отмечается в документах Секретариата ВК и МП, наибольшую озабоченность в свете рассматриваемой проблемы вызывают развивающиеся страны и страны с переходной экономикой, потребление которыми ОРВ составило в 1995 г. около 150 млн. тонн. При этом в общей сложности потребление ОРВ в развивающихся странах за последние 10 лет возросло примерно на 50%. Одни из них, такие как Египет, Индонезия, Турция, Мексика, Чили и некоторые другие, сократили потребление ОРВ, в то же время такие крупные страны, как Индия, Китай, Филиппины, увеличили его. В настоящее время примерно 25% населения планеты почти завершили процесс поэтапного сокращения использования ОРВ в соответствии с требованиями МП, остальным 75% еще предстоит пройти этот путь. Результат этих мер не замедлил сказаться: уже в 1990 г. прекратился рост содержания хлоридов в атмосфере Земли. А с 1994 г. наметился даже некоторый спад. Тем не менее хлоридов уже накопилось немало, и они продолжают поступать, поэтому толщина слоя озона сможет удвоиться (то есть вернется к уровню 1979 г.) только примерно через 50 лет. И есть надежда, что озоновые дыры все-таки будут со временем «заштопаны».
День принятия МП-16 сентября по инициативе ЮНЕП с 1995 г. объявлен Международным днем защиты озонового слоя нашей планеты.
Озоновый щит над Россией.
Аномалии в озоновом слое над территорией России впервые были отмечены в начале 90-х гг., особенно значительными они стали в последние годы.
Так, в январе 1996 г. озоновая дыра с 20%-ным дефицитом озона наблюдалась в северо-западных областях России, причем над С.-Петербургом содержание озона составило 190-220 единиц Добсона. Это происходило в условиях, когда из-за особенностей атмосферной циркуляции большой регион оказался блокированным от богатых озоном областей, в результате чего фотохимическое разрушение озона не компенсировалось его поступлением оттуда.
По данным Центральной аэрологической обсерватории Роскомгидромета, в марте - апреле 1997 г. над Сибирью (особенно над Якутией) содержание озона едва достигало 35% от нормы, в районе Мурманска и Архангельска дефицит озона составил 25%.
Озоновый слой над Северным полюсом становится все тоньше. Согласно данным НАСА, в этом году ситуация будет особенно тяжёлой. Через истончившиеся слои (они на снимке Рис. 4, сделанном из космоса, отображены темным цветом)
Рис. 4 Уменьшение озонового слоя над Северным полюсом.
на наше полушарие хлынет «лишнее» ультрафиолетовое излучение. Не лучше ситуация и в Антарктиде, где, как с грустью предрекают ученые, дополнительное вредное облучение будет также гораздо сильнее, чем в прошлые годы.
Крупнейшие страны – производители фреонов (озоноразрушающих веществ – ОРВ): США – 31% от общего объёма производства, Западная Европа – 30%, Япония – 12%, Россия –8%. Среди неучтённых стран крупнейший производитель – Китай (данные по нему неизвестны).
Россия к моменту принятия МП (конец 80 гг.) находилась среди крупнейших мировых производителей и потребителей главных ОРВ. Пик их производства в России (ещё СССР) пришелся на 1990 г. и составил тогда 20% от мирового производства. В настоящее время в России выделяется пять основных секторов потребления ОРВ: аэрозоли-46%, холодильники-27%, растворители-14%, пенопласты-11% и огнетущители-2%.
На момент подписания ВК и МП СССР, один из их учредителей, однозначно характеризовался как промышленно развитая страна, от которой ожидалось, что она проведет поэтапное сокращение потребления ОРВ наряду с другими промышленно развитыми странами без какой-либо помощи с их стороны. Однако с распадом СССР в 1991 г. и переходом России к рыночным механизмам экономики обнаружилось ее хозяйственная несостоятельность, а социально-политические перемены поставили так много проблем, что Россия в первые годы после распада Союза не могла полностью осуществлять мероприятия, предусмотренные МП. В настоящее время благодаря усилиям правительства России, а также помощи, оказываемой международными фондами, положение меняется в лучшую сторону. Выполняя принятые на себя обязательства по международным соглашениям, регулирующим производство ОРВ, Россия неуклонно снижает объемы их производства. Это следует из таблицы 1.
Таблица 1
Объемы производства ОРВ (т) в Российской Федерации
Годы Фреоны Галоны
1990 110140 4250
1996 12122 222
Ряд крупнейших в мире предприятий-потребителей ОРВ - перешли на использование альтернативных озонобезопасных веществ. Для ряда крупнейших потребителей фреонов их заменой стали углеводородные пропелленты (УВП). Уже более 80% производимых в мире аэрозольных упаковок содержит УВП. На эту технологию в 1994г. перешли крупнейший в России Казанский завод аэрозольных упаковок и ряд других предприятий. Впрочем, УВП нельзя считать достойной заменой фреонов ввиду их взрывоопасности, поэтому работы по созданию новых пропеллентов в этом секторе продолжаются. В холодильной технике также нет пока идеальных заменителей фреонов. Наилучшим в настоящее время считается хладагент ХФУ-13 с нулевым озоноразрушающим потенциалом, однако он относится к парниковым газам (его потенциал глобального потепления в несколько тысяч раз выше, чем углекислого газа).
Разработка экологически безопасных хладагентов продолжается. Имеются предложения по замене фреона-11 циклопентантом. Созданы хладагенты С-1 и С-10, которые можно использовать совместно с применяемыми в российских и зарубежных холодильных агрегатах хладагентами, что позволяет производить их замену без конструктивных переделок самих агрегатов. Эти хладагенты имеют практически нулевой озоноразрушающий потенциал и низкий потенциал глобального потепления.
Особое мнение.
Известный геофизик профессор Ф. Сингег утверждает, что удвоение вулканической активности на Земле за последние 20 лет настолько повысило содержание хлора (основного разрушителя озона) в воздушном пространстве, что это стало являться не меньшей, чем человеческая деятельность, причиной падения содержания озона и возникновения озоновых дыр. Это подтверждается тем, что наиболее часто снижение концентрации озона отмечалось над Исландией, Гавайскими островами и Красным морем, где наблюдается современный вулканизм и выделяются большие объёмы восстановленных газов.
Доцент кафедры метеорологии и климатологии ТГУ Ирина Кужевская считает, что человек, конечно, вносит свою лепту в уменьшение озона на планете, но не такую значительную, чтобы привести к переменам столь огромного масштаба (озоновые дыры). По её мнению сибирякам повезло: самые опасные для человека озоновые дыры располагаются над районами Африки, Центральной Америки, западной части Тихого океана. Прямо скажем, от нас довольно далековато.