8.7.3. Разрушение озонового слоя
Являясь очень опасным загрязнителем для приповерхностных слоев атмосферы, озон стратосферы выполняет весьма полезную, более того, жизненно важную функцию. Дело в том, что если видимая часть спектра солнечного излучения (свет) играет важнейшую роль в функционировании экосистем (вспомним первый принцип), то присутствующее в нем ультрафиолетовое излучение (УФИ) смертельно опасно для всех живых организмов.
Даже небольшое увеличение дозы ультрафиолетового облучения вызывает у человека целый ряд негативных реакций: ожоги кожи, увеличение числа случаев заболевания раком кожи (по оценкам именно этой причиной обусловлено ежегодно от 200000 до 600000 случаев заболевания раком кожи только в США), нарушения в иммунной системе, что уменьшает сопротивляемость различным инфекционным болезням, развитие болезней глаз (например, катаракты), приводящих к слепоте. Биологическое действие ультрафиолетового излучения обусловлено высокой чувствительностью к нему нуклеиновых кислот и других органических молекул, которые могут под его действием разрушаться, что приводит к гибели клеток или возникновению мутаций. Не менее пагубно ультрафиолетовое излучение воздействует на растения, повреждая посевы, а также некоторые виды водных растений, являющихся важными элементами пищевых цепей в океане. Биологические эффекты воздействия ультрафиолетового излучения на молекулярном, клеточном, тканевом уровнях пока еще изучены не до конца, однако уже имеющихся данных достаточно, чтобы относиться к этой проблеме серьезно. Наконец, ультрафиолетовое излучение стимулирует фотохимические реакции в приповерхностных слоях атмосферы, что усугубляет проблему смога и кислотных осадков.
Экосистема Земли защищена от воздействия ультрафиолетового излучения озоновым слоем, в результате на поверхность Земли попадает менее 1 % ультрафиолетового излучения. Озоновый слой (или озоносфера) образовался на Земле, по современным данным, 570 – 400 миллионов лет назад и представляет собой разряженную (10-5– 10-6% по объему) массу озона, находящуюся на высотах от 10 до 50 км. Основная масса озона сосредоточена на высотах 20 – 25 км. Если собрать весь озон атмосферы при давлении в 760 мм рт.ст. и температуре 20C, то толщина образовавшегося слоя составляла бы 2,5 – 3 мм.
Механизм образования озона в стратосфере был предложен в 1930 году английским геофизиком С.Чепменом и называется циклом Чепмена. Под действием ультрафиолетовой части солнечного излучения (в диапазоне длин волн= 160 – 240 нм) происходит диссоциация молекул кислорода на два атома:
Атомы кислорода либо соединяются затем между собой, образуя снова молекулярный кислород, либо взаимодействуют с молекулой кислорода, образуя молекулу озона:
Образовавшийся озон либо интенсивно поглощает ультрафиолетовое излучение уже в более длинноволновой части спектра (= 240 – 320 нм) и при этом разлагается, либо взаимодействует с атомарным кислородом с образованием двух молекул кислорода:
При неизменных условиях существует фотохимическое равновесие, при котором скорость образования озона равна скорости его распада: ежесекундно в атмосфере Земли образуется и исчезает около 100 т озона. Защитная функция озонового слоя обусловлена тем, что и в процессе образования озона, и в процессе его разложения поглощается ультрафиолетовое излучение. Тем самым, из спектра солнечного излучения "вырезается" ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 160 до 320 нм, т.е. наиболее биологически активное, поскольку установлено, что при поглощении 1 Дж ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн от 200 до 400 нм на организм человека оказывается более сильное воздействие, чем при поглощении того же 1 Дж рентгеновского или -излучения.
На протяжении более двух тысяч лет общее количество озона в земной атмосфере изменялось незначительно, о чем свидетельствует реконструкция газового состава атмосферы на основании анализа пузырьков воздуха из антарктических ледовых кернов. Но в 1970-х – 1980-х годах в печати появился целый ряд сообщений об уменьшении количества стратосферного озона. Они основывались на многочисленных наблюдениях, проведенных на спутниках (российский "Метеор", американский "Нимбус"), на стационарных наземных обсерваториях, таких, как английская антарктическая станция Халли-Бэй, российская полевая обсерватория Главной геофизической обсерватории в поселке Воейково под Санкт-Петербургом и др., на измерениях, проведенных в подвижных лабораториях (например, российская летающая лаборатория "Геофизика", оборудованная в Центральной аэрологической обсерватории на базе самолета-разведчика М-55, или специальный железнодорожный вагон, оснащенный в Институте физики Земли Российской Академии наук и периодически курсирующий по маршруту Москва – Владивосток, проводя мониторинг озона вдоль пути следования).
Всего в мире существует около 120 озонометрических станций, сорок из которых находятся на территории России. Регулярные измерения содержания стратосферного озона были начаты еще в 1920-х годах, получив широкое развитие во время и после Международного геофизического года в 1957 – 1958 годах.
Сопоставление данных многолетних наблюдений показало, что каждой весной в течение 1986 – 1991 годов содержание озона над Антарктидой было в среднем на 30 – 40 % ниже, чем за период 1967 – 1971 годов, а в 1993 году – более чем на 60 %. В 1987 и 1994 годах было зафиксировано рекордно низкое содержание озона: почти в 4 раза меньше нормы.
Аналогичные данные получены и для северного полушария. В январе 1995 года было зарегистрировано снижение содержания стратосферного озона над большей частью территории России на 10 – 25 %. С конца марта до середины мая 1997 года отмечалось снижение на 30 % содержания озона над Арктикой и значительной частью Восточной Сибири, диаметр этой "озоновой дыры" составил около 3000 км. "Озоновые дыры" с разной продолжительностью жизни отмечались над Швейцарией, озером Иссык-Куль и другими районами.
Истощение озонового слоя с неизбежностью ведет к увеличению потока ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли, со всеми вытекающими из этого последствиями.
Колебания содержания озона не могли быть связаны с естественными циклами: 11-летним солнечным или квазидвухлетним циклом изменения содержания озона (назван так, потому что имеет период 26 месяцев), причины которого еще не ясны.
В чем же причина появления "озоновых дыр"?
Существенное влияние на баланс озона в атмосфере оказывает наличие загрязнителей, например, оксидов азота, соединений хлора и др. Выделяют три цикла разрушения озона: азотный, водородный и хлорный.
Общие схемы этих циклов выглядят следующим образом:
азотный цикл:
водородный цикл:
хлорный цикл:
Отметим, что загрязнители во всех трех циклах выступают как катализаторы, поэтому даже небольшие их количества могут длительное время влиять на баланс озона.
Основными источниками поступления оксидов азота помимо перечисленных выше также являются выхлопные газы ракет и сверхзвуковых самолетов, содержащие водяной пар, оксиды азота и продукты неполного сгорания углеводородов и приводящие к образованию "озоновых дыр" с диаметром в сотни километров, которые сохраняются в стратосфере в течение нескольких недель и могут перемещаться в другие места.
Ряд экспертов связывал изменения в озоновом слое с широкомасштабными испытаниями ядерного оружия, проводившимися в конце 1950-х – начале 1960-х годов, но в настоящее время этот фактор уже не может оказывать сколь либо существенного влияния.
По мнению большинства экспертов, наибольшую опасность для озонового слоя представляют галоидированные углеводороды. К ним относятся хлорфторуглероды (более известные как фреоны), трихлорфторметан, дихлордифторметан, бромхлорфторуглероды, гидрохлорфторуглероды, метилбромид, метилхлороформ и четыреххлористый углерод. Хлорфторуглероды были впервые синтезированы в 1930 году и долгое время считались идеальными для практического применения, т.к. они не токсичны, не имеют запаха, весьма устойчивы, химически неактивны (не воспламеняются, не вызывают коррозии металлов) и к тому же дешевы. Галоидированные углеводороды нашли широкое применение в самых различных областях:
в качестве хладоагентов (хладонов) в холодильниках, кондиционерах воздуха, тепловых насосах, поскольку сжижаются при комнатной температуре при небольшом давлении;
в производстве пористых пластмасс, поскольку хорошо растворяются в органических веществах и при понижении давления вспенивают пластмассу (как углекислый газ содовую воду);
в электронной промышленности для очистки компьютерных микросхем;
в качестве носителей в аэрозольных баллончиках, в том числе в медицинских ингаляторах, необходимых для лечения астмы;
в качестве стерилизаторов в больницах.
Широкое распространение получили также соединения, содержащие бром, – бромхлорфторуглероды (бромхлордифторметан, бромтрифторметан и др.), или халоны, главным образом в огнетушителях, в том числе в системах пожаротушения на атомных подводных лодках, атомных электростанциях, ракетных комплексах.
Естественно, такое широкое распространение галоидированных углеводородов приводит к неизбежным утечкам их в атмосферу как в процессе производства, так и в процессе использования. При этом благодаря своей устойчивости и инертности они беспрепятственно достигают стратосферы, где под действием ультрафиолетового излучения распадаются с образованием свободных радикалов, таких, например, как атомарный хлор. Один атом хлора способен разрушить до 100000 молекул озона, прежде чем он дезактивируется или вернется в тропосферу, откуда может быть удален вместе с осадками. Благодаря высокой устойчивости хлорфторуглероды в зависимости от типа могут сохраняться в атмосфере от 22 до 111 лет.
Основные усилия по сохранению озонового слоя сосредоточились на ограничении и запрещении производства и использования озоноразрушающих веществ. Движение "зеленых", принятие Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и усилия Всемирной метеорологической ассоциации привели к заключению в 1985 году 44 странами Венской конвенции об охране озонового слоя, в 1986 году к конвенции присоединился СССР. В развитие Венской конвенции в 1987 году представителями 36 стран был подписан Монреальский протокол, предусматривающий замораживание на уровне 1986 года и последующее сокращение в течение 10 лет на 30 % производства пяти наиболее используемых хлорфторуглеродов (СССР присоединился к протоколу в 1988 году, общее число стран, подписавших протокол к сентябрю 1997 года, составило 163). В 1990 году в Лондоне 92 государства (в том числе и СССР) подписали дополнение к Монреальскому протоколу, предусматривающее полное прекращение производства хлорфторуглеродов, метилхлороформа, четыреххлористого углерода и халонов к 2000 году. В 1992 году в Копенгагене были приняты новые поправки (Россия и многие другие страны их не подписали), содержащие требование о поэтапном выводе из производства метилбромида и гидрохлорфторуглеродов. В 1997 году в Монреале была достигнута договоренность о введении лицензирования экспортно-импортных операций с озоноразрушающими веществами и о сокращении сроков вывода из потребления метилбромида, являющегося дешевым и эффективным пестицидом. Наряду с запретительными мерами ведутся поиски экономически и технически эффективных альтернатив озоноразрушающим веществам. При условии выполнения всеми странами подписанных соглашений можно было ожидать начала снижения содержания антропогенного хлора, вызывающего разрушение озона, уже в 2000 году.
В то же время, Монреальский протокол вызывает ряд нареканий из-за излишней политизированности и дискриминации интересов ряда стран (в том числе и России). Так, например, Россия в 1998 году получила право произвести лишь по 226 т трихлорфторметана и дихлордифторметана (для производства медицинских ингаляторов), а США даже в 1999 году – 1085,3 т трихлорфторметана и 2539,7 т дихлордифторметана для развития программы "Шаттл".
Рядом экспертов даже высказывалось утверждение, что озоносберегающая политика была инспирирована владельцами некоторых крупных химических корпораций с целью задавить конкурентов. Вряд ли это так, поскольку "озоновый" вопрос был поднят многими независимыми экспертами в разных странах (в том числе в США и СССР еще в период противостояния в "холодной" войне), хотя какие-то зерна истины в этом утверждении, возможно, и есть.