Глава 5. Экологические последствия техногенного загрязнения атмосферы

В 1985 г в журнале «Nature» была опубликована статья сотрудников Британской антарктической службы, в которой сообщалось, что, начиная с 1977 г. в небе над Антарктидой незадолго до окончания антарктической ночи наблюдается сезонное снижение концентрации озона. Так мир впервые узнал о существовании озоновых дыр.

ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ

Дальнейшие наблюдения привели к неутешительному результату: из года в год озоновая дыра разрасталась, и слой озона в ней становился все тоньше и тоньше. Кроме того, обнаружили, что еще одна дыра располагается над Северным полюсом. Площади этих дыр очень велики. Например в 90-е годы ее площадь над Антарктидой достигала 22 млн км² (рис. 20) Это больше, чем площадь России. Размеры озоновых дыр меняются в течение года  они как бы дышат. Они увеличиваются летом и уменьшаются в зимнее время [1,6,27].

В отличие от безопасных для живых организмов, включая человека, видимого света (=540 – 740 нм) и ИК-излучения (>740 нм), УФ-излучение (<400 нм) обладает энергией, достаточной для разрыва химических связей в молекуле. В стратосфере, в слое, расположенном на высоте 2550 км от поверхности Земли, беспрерывно идут фотохимические процессы, обеспечивающие поглощение самого опасного для всего живого на Земле УФ-излучения. Как мы уже упоминали в предыдущих главах, коротковолновое, жесткое излучение (<240 нм) вызывает диссоциацию молекул кислорода и образование озона в стратосфере по следующим реакциям:

О₂ +h (<240 нм)  2О

О₂ + О + М  О₃ + М^,

где М и М^ – любая невозбужденная и возбужденная молекулы, например N₂. Гибель стратосферного озона происходит в результате следующих двух процессов:

О₃ + h (= 220 – 350 нм)  О₂ + О

О₃ + О  О₂ + О₂

Рис. 20. Озоновая дыра над Антарктидой по данным, полученным в октябре 1999 г. орбитальным спектрометром для глобального картографирования озонового слоя ТОМS. Черный контур соответствует площади озоновой дыры в стратосфере.

Приведенный выше механизм образования и разрушения озона в стратосфере был предложен в 1930 году английским геофизиком Чепменом. Образующийся в тропической стратосфере озон процессами глобальной циркуляции переносится к полюсам, где накапливается в течение зимней полярной ночи.

Количество озона в разреженной стратосфере ничтожно, но этого количества озона в стратосферном озоновом слое достаточно для защиты растений и животных от жесткого УФ-излучения.

Известно, что молекула озона нестабильна и легко разрушается под действием свободных радикалов (R):

О₃ + R = O₂ + RO

Частица RO реагирует с атомарным кислородом О

RO + О = О₂ + R

и снова регенерирует активный радикал R, разрушающий новые молекулы озона.

Существуют, по крайней мере, несколько радикальных частиц, активно взаимодействующих с озоном: НО, NO, Cl и Вr. Из них самый активным является атом хлора, способный разрушить несколько тысяч молекул озона, прежде чем произойдет его гибель.

Летучие фреоны (галогенфторуглероды, такие, как CCl₂F₂, CClF₃ и др.), оказавшись в верхних слоях атмосферы, разлагаются под действием солнечного света с образованием атомов хлора, которые немедленно реагируют с молекулами озона:

О₃ + Cl  О₂ + ClО

Очень важно заметить, что эта реакция с участием атома хлора имеет цепной характер: радикал ClО атакует атомарный кислород и снова возрождает активный атом хлора:

ClО + О  Cl + О₂

В результате осуществляется гибель молекул озона по суммарной реакции:

О₃ + О  О₂ + О₂

Губительное воздействие на озон оказывает и NO:

О₃ + NO  О₂ + NO₂

Однако, время жизни оксидов азота NO и NO₂ невелико, и они гибнут, не достигнув стратосферы, поэтому не играют существенной роли в гибели озонового слоя в стратосфере.

Фреоны считают основными антропогенными источниками таких радикалов как Cl Br в атмосфере. Эти вещества очень стабильны, нетоксичны, химически инертны и широко использовались в качестве хладоагентов, вспенивателей пластмасс, сжатого газа в аэрозольных баллончиках. Оказавшись на поверхности Земли, они проходят тропосферу, и, поднявшись на высоту 10-15 км, вместе с конвекционными потоками попадают в тропическую зону и оттуда поднимаются до стратосферы, где находится озоновый слой. В отличие от оксидов азота, время жизни которых несколько дней, фреоны, живущие более 50 лет, способны разрушать стратосферный озон в течение всего времени своего пребывания в стратосфере [13].

Механизм антропогенного разрушения озона был обнаружен еще в 70-х годах прошлого века за 10 лет до открытия озоновых дыр. В 1985 году английский геофизик Фарман обнаружил антарктическую весеннюю озоновую дыру, в которой истощение озонового слоя достигало 50%. Обычно уровень О₃ в стратосфере составляет 400 единиц Добсона (ЕД) – стандартных единиц измерения концентрации озона. (1ЕД равна одной сотой миллиметра толщины слоя, который получится, если сжать весь озон, содержащийся в атмосфере, до давления 1 атм. при температуре 0⁰С). В антарктической озоновой дыре уровень содержания озона падал в некоторые годы до 85 ЕД , и это было неизбежным следствием накопления в атмосфере озоноразрушающих антропогенных веществ.

Почему же озоновые дыры образовались над полюсами? Известно, что в течение холодной антарктической зимы, когда температура нижней стратосферы опускается до  80⁰С, холодный воздух резко смещается вниз и на высотах 1520 км возникают полярные вихри, внутри которых воздух изолирован. В полярном вихре накапливаются в значительном количестве хлор- и бромсодержащие фреоны. Полярной ночью образования озона не происходит. С восходом солнца весной (в сентябре) молекулы фреонов легко разрушаются солнечным светом, в результате чего образуются активные Сl и Br атомы, начинающие разрушать озон по цепному механизму. Весной полным ходом идет разрушение озонового слоя внутри вихря. Далее воздух разогревается и начинается расползание озоновой дыры по Южному полушарию.

В Арктике происходит аналогичный процесс, обусловленный тем же механизмом и теми же антропогенными причинами, но в более слабой степени, так как отрицательные температуры Арктики не так велики, как в Антарктике.

Годы

Рис. 21. Динамика изменения озонового слоя над Аросой, Швейцария.

На рис.21. показана динамика изменения озонового слоя над Аросой, Швейцария, из которого ясно видно, что за период с 1973 по 2000 происходило резкое суммарное сокращение озонового слоя с 330 до 300 ЕД.

Правительства развитых стран в 1987 году подписали «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой». Они договорились запретить потребление веществ, угрожающих озоновому слою Земли и особенно фреонов. Хотя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов хлор- и бромсодержащих фреонов путем перехода на другие вещества, например фторсодержащие фреоны, процесс восстановления озонового слоя займет несколько десятилетий. Это обусловлено огромным объемом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые вполне стабильны и проживут еще в нашей атмосфере в течение нескольких десятков лет. Поэтому затягивание озоновых дыр следует ожидать не ранее 2050 года.