Как происходит разрушение озонового слоя

Озон, O₃, является настолько мощным окислителем, что в значительных концентрациях он разрушает многие пластмассы, металлы, резину, а также ткани растений и животных. Поэтому мы стараемся минимизировать воздействие озона в нашей непосредственной среде. Однако в верхних слоях атмосферы озон играет очень важную роль в поглощении вредного солнечного излучения. Поддержание соответствующих концентраций озона — минимизация его образования там, где он вреден, и предотвращение его разрушения там, где он полезен, — является важной задачей в экологической химии.

Компьютерное изображение части южного полушария от 17 октября 1994 года показывает озоновую «дыру» (черные и фиолетовые области) над Антарктидой и оконечностью Южной Америки. Относительно низкие уровни озона (синие и зеленые области) распространяются на большую часть Южной Америки, а также Центральной Америки. Нормальные уровни озона показаны желтым, оранжевым и красным цветами. Озоновая дыра не является стационарной, а перемещается в результате воздушных потоков

Озон образуется в верхних слоях атмосферы, когда некоторые молекулы O₂ поглощают высокоэнергетическое ультрафиолетовое (УФ) излучение солнца и распадаются на атомы кислорода; эти атомы затем соединяются с другими молекулами O₂, образуя озон.

Хотя озон также разлагается в верхних слоях атмосферы, его запас постоянно пополняется благодаря этому процессу. Его концентрация в стратосфере (≈7–31 миль над поверхностью Земли) составляет около 10 частей на миллион (ppm), тогда как у поверхности Земли она составляет всего около 0,04 ppm.

Озоновый слой на большой высоте отвечает за поглощение большей части опасного ультрафиолетового света от солнца в диапазоне длин волн 20–30 Å.

Каждый раз, когда происходит этот процесс, он поглощает один фотон ультрафиолетового света; однако процесс восстанавливает столько же озона, сколько и расходует. Таким образом, каждая молекула стратосферного озона может поглотить значительное количество ультрафиолетового света. Если бы это высокоэнергетическое излучение достигало поверхности Земли с большей интенсивностью, оно было бы очень вредным для растений и животных (включая людей). Подсчитано, что заболеваемость раком кожи увеличилась бы на 2% при каждом 1% снижении концентрации озона в стратосфере.

Хлорфторуглероды (ХФУ) — это химически инертные, негорючие, нетоксичные соединения, которые являются превосходными растворителями и использовались во многих промышленных процессах; они также являются отличными хладагентами для кондиционеров и холодильников. Два широко используемых ХФУ — это фреон-11 и фреон-12 (фреон — торговая марка DuPont).

Соединение, известное как ГХФУ-134, фторуглерод, в настоящее время используемый в бытовых и автомобильных кондиционерах

ХФУ настолько нереакционноспособны, что они не разлагаются легко, то есть не распадаются на более простые соединения, когда попадают в атмосферу. Со временем ХФУ переносятся в стратосферу воздушными потоками, где подвергаются воздействию большого количества ультрафиолетового излучения.

В 1974 году Марио Молина и Шервуд Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвайне продемонстрировали в своей лаборатории, что при воздействии высокоэнергетического ультрафиолетового излучения ХФУ распадаются с образованием хлорных радикалов.

Молина и Роуленд предсказали, что эти высокореактивные радикалы могут вызывать проблемы, катализируя разрушение озона в стратосфере.

Каждую весну, начиная с 1979 года, исследователи наблюдали истончение озонового слоя над Антарктидой. Каждую весну (осень в Северном полушарии), начиная с 1983 года, спутниковые изображения показывали «дыру» в озоновом слое над Южным полюсом. В августе и сентябре 1987 года исследовательская группа NASA совершила 25 полётов на самолёте, оснащённом sophisticated аналитическими приборами, в озоновую дыру. Их измерения показали, что по мере увеличения концентрации радикалов хлороксида, Cl-O, концентрация озона уменьшалась.

График, показывающий уменьшение [O₃] по мере увеличения [ClO] над Антарктидой

К сентябрю 1992 года эта озоновая дыра была почти в три раза больше площади США. В декабре 1994 года трёхлетние данные со спутника NASA для исследования верхних слоёв атмосферы (UARS) предоставили убедительные доказательства того, что ХФУ являются основной причиной разрушения озонового слоя. Значительное истончение озонового слоя также наблюдалось в Северном полушарии.

Следующая упрощённая схема представляет цепную реакцию, которая, как считается, отвечает за большую часть разрушения озона в стратосфере:

В верхних слоях атмосферы достаточно атомов кислорода, O, для протекания второй реакции. В результате чистой реакции происходит разрушение молекулы озона. Однако хлорный радикал, который инициирует первую стадию этой реакции, восстанавливается на второй стадии, поэтому один хлорный радикал может катализировать разрушение многих тысяч молекул O₃. Другие известные реакции также разрушают озон в стратосфере, но доказательства убедительно показывают, что ХФУ являются главными виновниками.

С января 1978 года использование ХФУ в аэрозольных баллончиках в США было запрещено; всё более строгие законы запрещают выброс ХФУ в атмосферу из таких источников, как автомобильные кондиционеры и выброшенные холодильники. Монреальский протокол, подписанный 24 странами в 1989 году, призвал к сокращению производства и использования многих ХФУ. Международные соглашения впоследствии призвали к полному запрету производства ХФУ. Продолжаются усилия по разработке подходящих заменителей и контролю за существующими ХФУ. Хорошая новость заключается в том, что учёные ожидают уменьшения и, возможно, исчезновения озоновой дыры в течение XXI века, если текущие международные договоры останутся в силе и будут реализованы по всему миру. Однако это два очень больших «если».

Актуальную информацию о стратосферном озоне можно найти на сайте NASA: [ozonewatch.gsfc.nasa.gov/](https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/) и на других веб-сайтах.