Истощение озонового слоя в стратосфере

Вторая, не менее важная глобальная экологическая проблема – ис­тощение озонового слоя. Беспокойство за его судьбу не утихает в мире вот уже более двух десятилетий.

Озон жизненно необходим для человека и других живых существ, на­селяющих освещенную солнцем Землю, поскольку он определяет темпе­ратурную стратификацию атмосферы и одновременно защищает от ин­тенсивной ультрафиолетовой радиации.

Большая часть озона находится в стратосфере между 15 и 25 км. Он является радиационно активной малой газовой составляющей и представ­ляет собой продукт природных и антропогенных химических и фотохи­мических реакций в нижней и верхней атмосфере. Озон является важным парниковым газом.

Озон представляет собой форму кислорода, которая содержит в мо­лекуле три атома вместо обычных двух. Озон является сильным поглоти­телем ультрафиолетового излучения Солнца. Около ста лет тому назад было установлено, что спектры всех астрономических источников, вклю­чая Солнце, срезаны на 300 нм и за это ответствен какой-то поглотитель в атмосфере. Данные лабораторных исследований спектров поглощения озона (полоса поглощения озона находится в инфракрасном диапазоне) дали основания предположить, что именно этот газ вызывает «срез» в спектре излучения. С тех пор измерения степени поглощения солнечной радиации в атмосфере используют для вычисления количества озона как с поверхности Земли, так и с космических ракет. Это поглощение очень важно, так как солнечная радиация в области ультрафиолета опасна для живых организмов.

Наиболее опасные для человека последствия истощения озонового слоя — увеличение числа заболеваний раком кожи и катарактой глаз.

Согласно официальным данным ООН, сокращение озонового слоя всего на 1% означает появление в мире 100 тыс. новых случаев катаракты и 10 тыс. случаев рака кожи. По Оценкам специалистов АОС США, каж­дый процент снижения содержания озона в атмосфере может привести к увеличению заболеваемости, прежде всего в экваториальной зоне, на 4-5%, снижению иммунитета, как у человека, так и у животных. В США за последние 7 лет количество случаев заболевания одним из самых опас­ных видов рака кожи, меланомой, возросло на 3-7%.

Помимо негативного влияния на здоровье, истощение озонового слоя приводит к усилению парникового эффекта, снижению урожай­ности, деградации почв, общему загрязнению окружающей среды.

Количество озона над средними и полярными широтами непрерывно сокращается, особенно в зимне-весенние месяцы (рис. 1).

Анализ причин убыли озона из атмосферы имеет свою историю.

Вопрос возник после сообщения о том, что в зоне над Антарктидой обнаружена озоновая дыра — область, где в весенние месяцы катастрофически убывает озон. Размеры дыры были сопоставимы с территорией США. Од­нако еще до этого, в конце 50-х гг., во время Международного геофизи­ческого года, озоновый слой привлек к себе внимание ученых. С тех пор проводятся его систематические исследования, что позволило многое узнать о естественной изменчивости, геофизическом распределении озо­нового слоя.

В начале 70-х гг. появилось предположение о том, что образование озоновых дыр связано с созданием сверхзвуковых самолетов «Боинг» (США), «Конкорд» (Франция и Великобритания) и ТУ-144 (СССР) и их выхлопные газы являются основной причиной разрушения озонового слоя. Однако в дальнейшем это предположение не подтвердилось.

Рис. 1. Тренды содержания стратосферного озона за последние два десятилетия (глобальное осреднение)

Во второй половине 70-х гг. была высказана идея, что существует другая опасность для озонового слоя — хлорфторуглеводороды (фреоны). В 1974 г. Пол Кратцен (впоследствии, в 1995 г., один из лауреатов Нобе­левской премии за работы, касающиеся формирования и разрушения озона) опубликовал данные модельного анализа потенциального истощения озона в результате длительного использования хлорфторуглеводородов. Анализ показал возможность 40%-ного уменьшения концентрации озона на высоте 40 км как результат продолжения использования этих соединений на уровне 1974 г.

Фреоны широко применяются в химии и быту: холодильниках, кондиционерах, аэрозольных упаковках. Сами по себе они не токсичны, но весьма стойки и рано или поздно за счет турбулентных движений воз­духа попадают в стратосферу. Там, на высоте 20-25 км, где содержание озона максимальное, фреоны распадаются под действием солнечного ультрафиолета с образованием свободного хлора. Последний усиливает процесс естественного разрушения озона. Часто говорят, что одной мо­лекулы хлора достаточно, чтобы погубить 10 тыс. молекул озона. В каче­стве источников соединений хлора рассматривали также выбросы в ре­зультате вулканической деятельности, хотя многие считают их незначи­тельными.

Озоновая дыра является примером развития событий глобального масштаба, которые разыгрываются на значительном удалении от индус­триальных выбросов и ответственных за это явление источников хими­ческого загрязнения.

Исследования со спутников и самолетов показали, что над Антаркти­дой весной озон почти весь разрушается на уровнях 12-13 и 25 км. Механизм разрушения озона и образования озоновых дыр представляется следующим образом. Преобладание низких температур приводит к конденсации воды и азотной кислоты и образованию «полярных стратосферных облаков». Радикалы фреонов «примерзают» к ледяным облакам; весной, когда появ­ляется солнце, и ледяные облака нагреваются, фреоны отрываются и раз­рушают озон. Вследствие слабой циркуляции воздуха над Антарктидой (континент приподнят на 3-4 км по сравнению со средними широтами) образуются огромные озоновые дыры. Летом приток воздуха из средних и тропических широт восстанавливает содержание озона в атмосфере. Обо­снованность всей цепочки событий, приводящей к активации хлора фре­онов, подтверждена измерениями, которые показали значительное увели­чение концентрации «хлорина» в нижней стратосфере в холодных регионах, совпадающее с быстрым уменьшением концентрации озона.

Главной причиной истощения озонового слоя считают его химичес­кое разрушение вследствие переноса «хлорина» из Арктики к залитому солнцем поясу между 60 и 45° северной широты, где температура страто­сферы на 8-10° ниже нормы. Важны и другие природные процессы — затруднение переноса богатого озоном воздуха из экваториальной страто­сферы. Высказываются гипотезы о связи изменений концентрации озо­на с вулканической деятельностью. Так, в частности, предполагалось, что низкие уровни озона в 1994 г. были следствием извержения вулкана Пинатубо в 1991 г., однако в 1994 г. остатков вулканических аэрозолей в атмосфере обнаружено не было.

Подсчитав объем мирового производства фреонов на конец 70-х гг. и объем поступления их в атмосферу, специалисты пришли к выводу о том, что если темпы производства не снизятся, то неизбежно произойдет ис­тощение озонового слоя. Осознав масштаб возможной катастрофы, правительства ряда стран — Норвегии, Швеции, Финляндии, США — в конце 70-х гг. ввели полный запрет на применение фреона в аэрозольных упаковках. В СССР, к сожалению, тогда никто сколько-нибудь серьезно не проанализировал ситуацию и не представил правительству подобных рекомендаций.

В 1985 г. в Вене была принята конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 г. в Монреале подписан международный протокол о сокращении выбросов озонразрушающих веществ. Протокол предусматривает сокраще­ние выбросов фреонов: на 20% — в 1993 г. и еще на 30% — к 1998 г. Од­нако даже в случае полной ратификации протокола, которая пока не обеспечена даже главными странами ЕЭС, он охватит лишь 2/3 общеми­рового потребления фреонов. В дальнейшем подписан ряд международных соглашений, запрещающих производство хлорфторуглеводородов.

Продолжительность жизни озона зависит от того, где он находится, но очень мала: от нескольких часов до нескольких месяцев. Время существо­вания фреонов, напротив, велико и составляет десятки или даже сотни лет. Даже если поступление фреонов в атмосферу прекратится, восстановление озона займет десятки лет. Американские специалисты подсчитали, что если все страны будут придерживаться протоколов и к 2000 г. проникновение фреонов в атмосферу прекратится, то восстановления условий, которые имели место 30 лет назад, можно ожидать только к середине XXI века.

Координация наблюдений за озоном осуществляется метеорологи­ческими службами (Глобальная служба атмосферы — ГСА) с 1957 г. Ре­зультаты измерений концентраций озона более чем на 140 станциях ГСА дополняются спутниковыми данными. Информация по озону собирает­ся в Мировом центре данных по озону и ультрафиолету ВМО в Торонто (Канада). Регулярно публикуется обобщенная информация.

Данные мониторинга показывают, что, несмотря на ограничи­тельные меры, принятые мировым сообществом в рамках Венской кон­венции и Монреальского протокола, озоновый слой продолжает исто­щаться с более высокой интенсивностью, чем предполагалось: и пределах 0,5-0,7% в год от общего содержания. В отдельных районах количество озона в стратосфере сократилось в еще большей степени; в частности, в Антарктиде за период 1979—1992 1 г. — примерно на 50% (1% уменьшения приводит к увеличению интенсивности ультрафиолетового излучения у поверхности Земли на 1,5%).

Аномалии озона — как по уровню его дефицита, так и по размерам затронутой территории, наблюдались в России в 1995 и в 1998 гг. По дан­ным Росгидромета, в феврале 1995 г. над всем Северным полушарием, а особенно над рядом районов Восточной Сибири, вплоть до Урала, заре­гистрировано рекордное уменьшение концентрации озона — до 40%, сохранявшееся в течение 25 суток. К середине марта в отдельных районах оно достигло 50%. По сравнению с началом десятилетия произошло сме­щение районов наибольшего дефицита озона из западных областей СНГ в Сибирь и Якутию.

Размер озоновой дыры над Южным полушарием в 1995 г. составил 10 млн. км², что по площади равно Европе и в два раза больше дыры в 1993-1994 гг.

В 1998 г. уменьшение концентрации озона над Антарктидой оказалось рекордным; весной площадь озоновой дыры превышала 10 млн. км², а осе­нью — 25 млн. км².

Модельные оценки показывают, что снижения содержания «хлори­на», приводящего к разрушению озонового слоя, можно ожидать лишь в следующем десятилетии. В ближайшее время дальнейшее разрушение озо­нового слоя будет продолжаться, особенно в период низких страто­сферных температур. Однако многие полагают, что необходимости в принятии срочных мер нет, так как Солнце в средних и северных широ­тах стоит низко и небо часто закрыто облаками. Тем не менее, сотруд­ничество по выполнению Монреальского протокола продолжается.

Регулярно проводятся исследования по различным международным программам. Так, в рамках двух крупных программ НАСА США и Госкомгидромета СССР (ныне Росгидромет) выполнены исследования в 1988— 1989 гг.

В последние годы ученые России, США, Германии, Японии и других стран ведут альтернативные поиски путей защиты и сохранения озонового слоя за счет активного воздействия на стратосферу химическими и физико-химическими методами. В авиационно-космическом консорциуме «Интер­озон», который образовался на базе ведущих аэрокосмических фирм Рос­сии, проведены международные семинары и выполняется научная про­грамма «Загрязнение атмосферы и сохранение озонового слоя Земли».

Возможно, Россия выступит одним из учредителей международного фонда по восстановлению озона активными методами. Правительство Москвы создало спецслужбу по контролю озонового слоя, а также посто­янно действующий «круглый стол» по выработке стратегии выживания человечества в экстремальных условиях. Вопросы защиты озонового слоя обсуждаются российско-американской комиссией. Россия как правопреемница СССР, подписавшего Монреальский протокол, должна была с 1 января 1997 г. полностью прекратить выпуск озонразрушающих ве­ществ, однако выполнение соответствующей программы пока не начато.

Коллективный труд исследователей химии атмосферы привел к по­ниманию необходимости тщательного мониторинга атмосферных газов и контроля за их выбросами. Особую роль сыграло открытие озоновых дыр в результате исследований и измерений в тяжелых условиях Антарктиды в конце 50-х гг.

Сейчас большинство специалистов считают, что рост концентрации озона в нижней атмосфере вызван выбросом различных загрязняющих воздух веществ, тогда как наблюдаемое уменьшение в верхней атмосфе­ре обусловлено присутствием там хлорфторуглеводородов. Уменьшение количества озона может быть также усилено в результате увеличения кон­центрации соединений азота, хлора и брома.

Любые изменения концентрации озона в результате деятельности че­ловека, например, вызванные водой, окисью азота и двуокисью серы, некоторыми выбросами от растущего парка гражданской авиации, будут иметь огромное значение. Эти изменения могут привести к повышению температуры и концентрации озона в нижней стратосфере и пока еще не понятным динамическим и химическим эффектам. Существенное умень­шение концентрации озона в стратосфере может оказать разрушительное воздействие на человечество и биосферу в целом.