КЗ. Деградация озонового слоя

Максимальная концентрация озона сосредоточена в тропосфере на высотах 15-30 км, где существует так называемый озоновый слой. Его масса столь мала, что при нормальном, приземном давлении весь атмосферный озон образовал бы слой всего 3 мм толщиной. Для сравнения отметим, что толщина всей атмосферы при этих условиях равна 8,3 км.

Озоновый слой тоньше в экваториальных районах и толще в по­лярных. Он отличается значительной изменчивостью во времени и по территории (до 20%) вследствие колебаний солнечной радиации и циркуляции атмосферы, что маскирует антропогенные воздействия.

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 UVA с длинами волн 315- 400 нм) озоном не абсорбируется и проникает в тропосферу.

Молекула озона (0₃₎ 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 {hk ^ 240 пш). Этот процесс образует два атома кислорода, снова соединяющихся в молекулу, и две моле­кулы озона из трех молекул кислорода:

О2 + hX ->0 + 0 2 [О + 0₂ + М -» Оз + М]

где М - любая молекула (обычно азота или кислорода), уносящая из реакции избыток энергии.

Поскольку кислород в атмосфере представлен почти исключи­тельно как 0₂ , ясно, что должны существовать процессы, реконвер- тирующие основную часть О_э в 0₂:

Х+Оз-^ЛЮ + Оз

0₃ + hk О + 0₂

о+хо^>х+о₂

В итоге этой серии реакций две молекулы озона преобразуются в три молекулы кислорода. Здесь X и ХО это атомы или молекулы, ка­тализирующие превращение озона в кислород. Голландский геохи­мик Пауль Крутцен в 1970 г. показал, что в естественных условиях наиболее важными катализаторами являются оксиды азота (NO и N0₂). В свою очередь, они образуются вследствие окисления нитри­та кислорода (N₂0), происходящего на суше и в океанах главным об­разом вследствие естественных микробиологических процессов де- нитрификации или нитрификации. Тропические леса являются важ­ным источником нитрита кислорода.

Напомним, что 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. Еще в 1974 г. американские геохимики Ш.Роуланд и М.Молина пришли к выводу о том, что возрастающее производство и применение хлорфторугле- родов, 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 происходило 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 (С1) и молекул моноксида хлора (СЮ), которые являются более сильными катализаторами процесса разрушения мо­лекул озона, чем оксиды азота:

С1 + о₃ -> СЮ + о₂ СЮ + О CI + о₂

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.

Расчеты демонстрируют весьма значительные неблагоприятные последствия деградации озонового слоя. 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.

Предупреждение Роуланда и Молины о грядущем разрушении озонового слоя с серьезнейшими последствиями для человечества хотя и было замечено как специалистами, так и политиками, но не вызвало солидных, согласованных действий на международном уровне. Вяло текли переговоры о подготовке международной кон­венции по защите озонового слоя, которая в конце концов была за­ключена в Вене в 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 (рис. 10). На карте рис. 10 показаны вели­чины общего озона. Это означало увеличение ультрафиолетовой ра­диации, достигающей земной поверхности, приблизительно в десять раз.

120 200 280 360 440 --------------------------------------------------------------------------------------

Рис. 10. Содержание озона в атмосфере над Антарктидой. Слева - распределение суммарной концентрации озона весной Южного полушария. Справа - распределение концентрации озона в "нормальных" условиях (в августе) и при развитой "озоновой дыре" (в октябре)

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. Во время развития "дыры" вели­чина ультрафиолетовой радиации в Антарктиде на широте 64° ю.ш. больше летнего максимума в Сан-Диего (Калифорния) на широте 32° с.ш. Иными словами, антропогенное распределение озона начало превалировать над его природным распределением. Подобные, ме­нее устойчивые "дыры" были обнаружены позднее и в других рай­онах мира. 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.

Озоновая "дыра" над Антарктидой стала тревожным сигналом общепланетарного неблагополучия экосферы, требующего серьезно­го внимания всех стран мира.

Поэтому вскоре, в 1988 г., был подписан Монреальский протокол к Конвенции по защите озонового слоя, предусматривающий посте­пенное сокращение производства и употребления хлорфторуглеро- дов. Это был первый пример такого международного сотрудничест­ва, которое направлено на решение будущей, только еще возникаю­щей природно-антропогенной проблемы. Такое сотрудничество предполагает и значительные экономические вложения, потому что действия по защите озонового слоя означают также перестройку многих технологических процессов, при которых 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, где жизнь людей была практически невозможна без личного автомобильного транспорта, а общественного транспорта не существовало.

Исследования проблемы озонового слоя получили заслуженно вы­сокую оценку. В 1995г. Шервуд Роуланд, Марио Молина и Пауль Крутцен за исследования химических процессов в экосфере, связан­ных с озоновым слоем, были удостоены Нобелевской премии по хи­мии. Это первая Нобелевская премия за исследования проблем гео­экологии.