2. Нарушение озонового слоя: факторы и процессы, состояние. Озоновые дыры.

Максимальная концентрация озона сосредоточена в тропосфере на высотах 15–30 км, где существует так называемый озоновый слой (при нормальном, приземном давлении весь атмосферный озон образовал бы слой всего 3 мм толщиной). Озоновый слой тоньше в экваториальных районах и толще в полярных.

Даже при столь малой мощности озоновый слой в стратосфере играет очень важную роль, защищая живые организмы Земли от вредного и даже губительного воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца (UV). Озон поглощает ее жесткую часть, UVC, с

длинами волн 100–280 нм (нанометров, или 10-9 м) и большую часть менее энергичной, но также опасной UVB радиации с длинами волн 280–315 нм. Менее активная часть спектра

ультрафиолетовой радиации (более длинноволновая часть UVB и вся UVА с длинами волн 315–400 нм) озоном не абсорбируется и проникает в тропосферу.

Молекула озона (О3) состоит из трех атомов кислорода. Озон в стратосфере образуется в результате фотохимической диссоциации молекулярного кислорода под воздействием солнечной радиации с длиной волны менее 240 nm (hλ = 240 nm). Этот процесс

образует два атома кислорода, снова соединяющихся в молекулу, и две молекулы озона из трех молекул кислорода:

О2 + hλ → O + O

2 [O + O2 + M → O3 + M ], где M – любая молекула (обычно азота или кислорода), уносящая из реакции избыток энергии.

Поскольку кислород в атмосфере представлен почти исключи-

тельно как О2 , ясно, что должны существовать процессы, рекон-

вертирующие основную часть O3 в О2 :

X + O3 → XO + O2

О3 + hλ → O + O2

O + XO → X + O2

В итоге этой серии реакций две молекулы озона преобразуются в три молекулы кислорода. Здесь Х и ХО это атомы или молекулы, катализирующие превращение озона в кислород. В естественных условиях наиболее важными катализаторами являются оксиды

азота (NO и NO2). В свою очередь, они образуются вследствие окисления нитрита кислорода (N2O), происходящего на суше и в океанах главным образом вследствие естественных микробиологических процессов денитрификации или нитрификации. Тропические леса являются важным источником нитрита кислорода. Нитрит кислорода это также и газ, отличающийся заметным парниковым эффектом. В настоящее время деятельность человека (использование азотных удобрений, сжигание горючих ископаемых для производства энергии, преобразование ландшафтов, обычно сопровождающееся сжиганием биомассы и пр.) обеспечивает примерно 30–40% от естественной эмиссии нитрита кислорода, и эта доля продолжает увеличиваться.

С воздействием жесткой ультрафиолетовой радиации связаны неизлечимые формы рака кожи, болезни глаз, нарушения иммунной системы людей, неблагоприятные воздействия на жизнедеятельность планктона в океане, снижение урожая зерновых и другие экологические последствия.

Предполагается, что жизнь на Земле возникла после образования в атмосфере Земли озонового слоя, когда сформировалась ее надежная защита. Понятно поэтому современное беспокойство за состояние озонового слоя. Основания для беспокойства имеются.

Возрастающее производство и применение хлорфторуглеродов, ранее не существовавших в природе, неизбежно приведет к прогрессирующей деградации озонового слоя.

Семейство хлорфтор(бром)углеродов (ХФУ) насчитывает ряд сравнительно недорогих синтезируемых веществ. Более десятка из них нашли широкое применение как хладоносители (фреоны) в холодильниках и кондиционерах воздуха, а также в качестве растворителей, пенообразователей, распылителей (аэрозолей) в различных областях индустрии. ХФУ отличаются малой химической активностью и потому высокой продолжительностью существования в атмосфере. Эти свойства оказались вредными, когда стало ясно, что они играют решающую роль в разрушении озонового слоя.

Хлорфторуглероды представляют собой группу органических веществ, в которых все атомы водорода замещены на комбинацию атомов хлора, фтора и брома. Они чрезвычайно устойчивы в тропосфере, и потому по мере роста их использования происхо-

дило повышение их концентрации со скоростью до 5–6% в год. Со временем эти газообразные вещества перемещаются в стратосферу. На высоте около 25 км вследствие более высокой, чем в приземном слое, интенсивности солнечной радиации происходит

их разрушение с выделением атомов хлора (Cl) и молекул моноксида хлора (ClO), которые являются более сильными катализаторами процесса разрушения молекул озона, чем оксиды азота:

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2

При этом процессе каждый атом хлора может разрушить 10⁵ молекул озона. Подобные реакции происходят и при участии атомов и соединений брома. Приведенные выше химические реакции весьма схематично отражают процесс деградации озонового слоя. На самом деле такая деградация есть следствие нескольких сотен химических реакций

в атмосфере, часть которых протекает с запаздыванием в 10–15 лет по сравнению со временем поступления данного вещества в атмосферу.

Предположительно, потери озона достигнут 6–7 % от его первоначального количества,

что будет соответствовать увеличению среднего годового количества биологически вредной части УФ радиации на 6–12 %. Поэтому ожидается, например, что в США к середине следующего столетия будет на 100000 больше случаев заболевания раком кожи по сравнению с 1960 г., а общее дополнительное количество

заболевших достигнет трех миллионов.

1985 г. Венская конвенция явилась фактически декларацией о необходимости международного сотрудничества в этой области, а не действенным инструментом для решения проблемы.

Однако в 1984 г. английским исследователем Д.Фарманом была обнаружена над Антарктидой область, соизмеримая со всем континентом, где содержание озона в атмосфере в октябре-ноябре было до 40% ниже, чем в среднем. Это означало увеличение ультрафиолетовой радиации, достигающей земной поверхности, при-

близительно в десять раз.

Вследствие деятельности человека с конца 1960-х гг. до 1995 г. озоновый слой потерял около 5% массы. Ожидается, что максимум потерь стратосферного озона будет достигнут к концу этого века, с последующим постепенным восстановлением в течение

первой половины XXI века в соответствии с обязательствами стран по Конвенции по защите озонового слоя.

Антарктическая “озоновая дыра” формируется ежегодно в сентябре-октябре. В настоящее время в октябре среднее содержание озона на 50–70% меньше, чем в 1960-х гг.

Статистически значимые потери общего озона наблюдаются в средних широтах обоих

полушарий. В экваториальном поясе (20° с.ш. – 20° ю.ш.) значительного снижения содержания озона не отмечено.

В1988 г., был подписан Монреальский протокол к Конвенции по защите озонового слоя, предусматривающий постепенное сокращение производства и употребления хлорфто-

руглеродов. Это был первый пример такого международного сотрудничества, которое направлено на решение будущей, только еще возникающей природно-антропогенной проблемы. Такое сотрудничество предполагает и значительные экономические вло-

жения, потому что действия по защите озонового слоя означают

также перестройку многих технологических процессов, при кото-

рых используются ХФУ.

В дальнейшем, после Монреаля, принимались дополнительные международные решения, связанные с еще более быстрым сокращением производства хлорфторуглеродов. Эти химические вещества отличаются, однако, продолжительным существованием в атмосфере, и поэтому даже при соблюдении всеми странами всех принятых обязательств проблема угрозы состоянию озонового слоя будет существовать по крайней мере в течение нескольких десятилетий.

Вследствие антропогенной деятельности, в нижних слоях атмосферы накапливается тропосферный озон, значительный загрязнитель атмосферы и активный парниковый газ. Его территориальное распределение очень изменчиво, а масса составляет не более 10% массы стратосферного озона. Под воздействием солнечной радиации оксиды азота, выделяемые главным образом автомобильным транспортом, распадаются с выделением озона. Образуется так называемый фотохимический смог, опасный для здоровья человека и наносящий серьезный ущерб растениям, в том числе сельскохозяйственным культурам. Это явление проявилось уже в середине 1940-х гг. в Лос-Анджелесе.