3.4. Озоновый кризис

Природа и значение озонового экрана

Наряду с видимым светом Солнце излучает также ультрафиолетовые волны. Ультрафиолетовое излучение похоже на световое, но длина его волн несколько короче, чем у фиолетовых лучей, самых коротковолновых из воспринимаемых глазом человека. Хотя ультрафиолетовые лучи невидимы, они обладают большей энергией, чем видимые. Проникая сквозь атмосферу и поглощаясь тканями живых организмов, они разрушают молекулы белков и ДНК.

Мы защищены от агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения, так как большая его часть (свыше 99%) поглощается слоем озона в стратосфере. Этот слой обычно называют озоновым экраном. Природа предусмотрела большой запас надежности: земная атмосфера содержит три миллиарда тонн озона. И когда говорят, что этот слой расположен на высотах от 10 до 50 км, с максимумом концентрации от 18 до 30 км, то также представляется огромной его толщина. Однако в эквивалентном исчислении нашу Землю и всех нас защищает тончайшее озоновое покрывало толщиной всего в три миллиметра. И если это покрывало становится «дырявым», то его защитные способности становятся такими же, как и у дырявого зонтика в пору тропических ливней. В соответствии с официальными данными ООН, сокращение озонового слоя всего на 1% означает появление во всем мире 100 тыс. новых случаев катаракты глаз и 10 тыс. случаев рака. С этим явлением связывают и рост легочных, имунных, аллергических и других заболеваний.

Формирование и разрушение озонового экрана

Озон в стратосфере – это продукт воздействия самого ультрафиолета (УФ) на молекулы кислорода (О₂). В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона О₃ (рис.3.2). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы О, реагируя с молекулами озона, дают две молекулы О₂. Таким образом, количество озона в стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между этими двумя реакциями.

Рис. 3.2. Формирование и разрушение озонового экрана

Однако в 1970-е гг. ученые предположили, что свободные атомы хлора катализируют процесс разложения озона. А люди невольно поставляют такие атомы в стратосферу десятилетиями. Основным источником атомов хлора являются хлорфторуглероды (ХФУ). Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения вещества, поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны (табл.3.2). Как это не парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их врагами стратосферного озона. Инертные газы не распадаются быстро в тропосфере и проникают в стратосферу, верхняя граница которой на высоте 50 км. Когда молекулы этих веществ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетовой радиации, которая не проникает на меньшие высоты из-за блокирующего действия озона.

Таблица 3.2

Виды использования ХФУ

Область использования ХФУ	Доля от общего использования, %
Пропелленты аэрозолей	5
Растворители для чистки металлических поверхностей и деталей электронных устройств	12
Стерилизация медицинского оборудования и инструментов	4
Производство пенопластов и пеноизоляции	28
Торговые и бытовые холодильники	9
Кондиционеры в транспортных средствах	19
Неучтенное производство	22

УФ – излучение разрушает ХФУ, высвобождая атомы хлора Сl (рис.3.3). Свободные атомы хлора затем вступают в реакцию с озоном:

Cl + О₃ = ClO + O₂,

ClО + О = Cl + O₂

и в результате получается

О + О₃ = 2О₂.

Озон

Рис.3.3. Разрушение озонового экрана

Оценки степени уменьшения толщины озонового слоя заметно различаются между собой в зависимости от полноты учета всех факторов: от 3% до 7% (через 20-40 лет).

Для предотвращения возможной глобальной экологической катастрофы, разработана комплексная программа, включающая:

• наблюдение за озоновым слоем и измерение полей ультрафиолетового излучения в тропосфере и на поверхности Земли;

• углубленное изучение процессов, определяющих образование и разрушение озона в атмосфере;

• определение влияния изменения концентрации озона на климат и биосферу;

• анализ основных причин его разрушения, как антропогенного, так и естественного происхождения;

• поиск научно-технических мероприятий, направленных на восстановление озонового слоя Земли;

• анализ эффективности и экологической безопасности различных методов его восстановления.

Мероприятия, направленные на восстановление озонового слоя Земли, можно разделить на пассивные и активные. К пассивным относятся меры по уменьшению или полному исключению промышленных выбросов веществ, прямо и косвенно разрушающих озон в атмосфере. Так как помимо ХФУ к таким веществам относятся оксиды азота, водорода, серы, углерода, метан и другие соединения, то понятно, что эти мероприятия уменьшат антропогенное загрязнение атмосферы и улучшат общую экологическую обстановку. Именно им сейчас и уделяется большее внимание. Однако пассивные методы, хотя и позволяют уменьшить вредное воздействие антропогенных факторов на озоновый слой, все таки не решают проблемы в целом. Поэтому необходимы исследования и по активным методам, основанным на сложных физико-химических процессах, способствующих либо уменьшению скорости разрушения озона в стратосфере, либо ускорению его образования. Из опубликованных в научной литературе серьезных предложений по активным методам воздействия для сохранения озонового слоя Земли, по-видимому, особое внимание следует обратить на метод инжекции в атмосферу над Арктикой этана или пропана (связывание атомарного хлора) и использование озонаторов.

В настоящее время существуют другие гипотезы причин разрушения озонового слоя, однако теория, изложенная выше, считается в мире основной.