3. Проблема стратосферного озона

Озон в тропосфере относится к токсичным газообразным ком­понентам. Предельно допустимая концентрация озона в составе воздуха составляет ~10^-5 об. %. Стратосферный озон играет жиз­ненно важную роль в защите всего живого на Земле от губитель­ной ультрафиолетовой радиации. Озон сильно поглощает УФ из­лучение в диапазоне волн 220 — 290 нм (с максимумом поглоще­ния при λ = 255 нм). Показатели поглощения озона на этом участ­ке спектра настолько велики, что солнечная радиация существен­но уменьшается уже в верхней части озонового слоя — на высоте 45 — 50 км и более, вследствие чего температура воздуха в верхней части стратосферы (на высоте около 50 км) возрастает до значе­ний, близких к 0 °С.

Наблюдается озон в слое от земной поверхности до высоты около 70 км, основная же масса сосредоточена в слое 15 — 55 км с максимумом концентрации на высоте 20 — 30 км. Озон является одним из важнейших компонентов стратосферы, но его общее содержание удивительно мало. Если весь озон сосредоточить в од­ном слое, толщина слоя молекул О₃ составит всего ~ 3 мм.

Содержание озона начало уменьшаться в результате антропо­генной деятельности с начала 1960-х гг., что связывают с увели­чением в стратосфере количества оксидов азота под влиянием про­исходивших в те годы массовых испытаний ядерного оружия. К 1970 г. (с 1956 г.) содержание озона в целом по земному шару изменилось на 40 млн^-1. Хотя о колебаниях концентрации О₃ в стратосфере было известно и раньше, большой неожиданностью явилось резкое уменьшение содержания озона над Антарктидой с 1979г. Сформировалась так называемая «озонная (озоновая) дыра», которая становится все больше.

В 1971 г. Г. Джонстон в США и Г. Крутцен в ФРГ почти одновре­менно опубликовали научные статьи, тема которых была одна — разрушение озонового слоя Земли в результате деятельности че­ловека. В 1974 г. внимание мировой общественности было привле­чено к наиболее опасным для озонового слоя химическим веще­ствам — хлорсодержащим соединениям, выброс которых в атмос­феру все более увеличивается.

В настоящее время выдвинуто несколько гипотез о том, что распаду молекул озона в стратосфере способствуют оксиды азота, соединения водорода с кислородом (в основном в виде радикалов НО· и НО₂·) и хлорсодержащие соединения, особенно фреоны (например, CFC1₃, CF₂C1₂, CF₃C1). Однако проблема озона и об­разование «озонных дыр» нуждается в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях.

Оксиды азота (N₂O, NO, NO₂) являются одними из основных загрязнителей воздуха. Из антропогенных источников в атмосферу выбрасывается 40 — 50 млн т в год токсичных оксидов азота. Ради­калы НО· и НО₂· образуются из атмосферной воды, которая попа­дает в верхние слои атмосферы при полетах стратосферных само­летов, запусках ракет, космических кораблей, ядерных взрывах. Источником водорода в стратосфере с последующим образовани­ем гидроксильного и пероксидного радикалов является также ме­тан. Ежегодно в результате хозяйственной деятельности (угольные шахты, добыча нефти и газа) в атмосферу выбрасыва­ется до 21 млн т СН₄.

Фреоны появились в начале 1920-х гг. в период развития холо­дильной техники как хороший (недорогой и неядовитый) заме­нитель аммиака. Поэтому их второе название — хладоны. В даль­нейшем фторхлоруглероды получили широкое распространение при производстве дезодорантов, лаков, смазок, антикоррозий­ных покрытий, пенопластов, инсектицидов и др. Фреоны — не единственный источник антропогенного хлора. Мировая химиче­ская промышленность выпускает в больших количествах тетрахлорметан СС1₄, дихлорэтан С₂Н₄С1₂ — промежуточные продукты во многих промышленных процессах, их поступление в атмосфе­ру связано с технологическими потерями. Кроме хлорорганических соединений из антропогенных источников в окружающую среду и далее в стратосферу попадают хлороводород и хлор (про­изводство бумаги, пестицидов, пигментов, органических раство­рителей, хлорирование воды, химические и металлургические про­изводства).

Общей для процессов, происходящих в стратосфере и способ­ствующих уменьшению количества озона, является фотодиссоци­ация кислорода:

О₂ → О + О*

Разрушение озонового слоя происходит:

1) под действием оксидов азота:

2) под действием радикалов НО· и НО₂·:

3) под действием хлорсодержащих радикалов, образующихся в результате фотодиссоциации молекул фреонов или других хлорсодержащих соединений:

Каждая пара реакций приводит к исчезновению озона и ато­марного кислорода, тогда как оксид азота, гидроксильные ради­калы и атомарный хлор постоянно регенерируются, т. е. эти про­цессы являются каталитическими. Даже одна молекула загрязня­ющего вещества инициирует последовательность реакций, в ко­торых исчезает множество молекул озона.

Особое внимание, которое уделяется в настоящее время про­блеме разрушения озонового слоя, объясняется тем, что возрос­шая интенсивность УФ радиации в приземном слое может ока­заться губительной для жизни. В случае отсутствия озоносферы жесткие УФ лучи способны существенно изменить биологически активные процессы, а возможно и в целом органическую жизнь на Земле. В последние годы в южных широтах, близких к Антарк­тиде, обнаруживают китов с ожогами, полученными в результате воздействия УФ радиации. Статистические данные американских ученых свидетельствуют: уменьшение толщины озонового слоя всего на 1 % увеличивает вероятность заболевания раком кожи на 10-20%.

Феномен антарктической «озонной дыры» пока непонятен: является ли она результатом антропогенного загрязнения атмо­сферы или это естественный процесс. Во всяком случае, натурные измерения показали почти 100%-е превышение концентрации хлорсодержащих частиц в зоне антарктической «озоновой дыры» по сравнению со средним значением их концентрации в атмосфе­ре. В итоге в весенние месяцы над Антарктидой в стратосфере на­чали появляться области с практически нулевой концентрацией озона. Согласно оценкам, проведенным экспертами Всемирной метеорологической организации, при нынешнем уровне поступ­ления в атмосферу фторхлоруглеродов концентрация озона в стра­тосфере через 10 — 20 лет может уменьшиться на ~ 17%, после чего стабилизируется. При этом климат у поверхности Земли по­чти не изменится, но уровень УФ излучения возрастет на треть.

Есть другие теории образования «озонной дыры». В частности, одна из гипотез связывает ее формирование с 11-летним циклом солнечной активности. На 1975— 1986г. пришелся 21-й очень ак­тивный цикл солнечной деятельности. Именно в этот период, с 1979 по 1986 г., наблюдалось резкое уменьшение общего содержания озона в стратосфере. В годы солнечной активности в мезосфере и верхней стратосфере наблюдается увеличение содержа­ния оксидов азота на 50 —60 %.

Таким образом, проблема озона в целом и «озонных дыр» в частности нуждается в дальнейших теоретических и эксперимен­тальных исследованиях. Отметим, что влияние «озонной дыры» при прочих равных условиях тем больше, чем ближе к экватору она находится. Это связано с разными углами вхождения солнеч­ного излучения в атмосферу в северных и южных областях.