Сокращение озонового слоя.
С начала 20 века ученые наблюдают за состоянием озонового слоя атмосферы. Сейчас уже все понимают, что стратосферный озон является своего рода естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы жесткого космического излучения - ультрафиолета-В.
Озон это разновидность кислорода. Он был открыт в 1839 году немецким химиком Шенбейном, а в 1873г. английский химик Гартли обнаружил его в приземной атмосфере.
Молекула озона состоит из трёх атомов кислорода, а молекулярный кислород состоит из двух атомов. Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода.
O2 + уф >> 2O;
O+O2 + (O2 или N2) >> O3 + (O2 или N2).
(Реакция была открыта в 1930 г. Сиднеем Чепманом).
Особо эффективно озон образуется из молекулярного и атомного кислорода на высоте 30-70 км. Выше эта реакция протекает плохо, так как молекул кислорода там мало, а ниже этого диапазона плохо проникает ультрафиолетовое излучение, которое нужно для его образования.
Свойства трёхатомной молекулы озона принципиально отличаются от двухатомной молекулы молекулярного кислорода. Озон остаётся газом до температуры –111,9 гр. С. При понижении температуры он переходит в жидкость тёмно-синего света. Если температуры опустить до –192,7 гр. С., то жидкость превратится в тёмно-фиолетовые кристаллы.
Озон обладает огромной реакционной способностью и легко реагирует со многими веществами. В нижних слоях атмосферы, где подобных веществ много, озон является недолговечным загрязняющим веществом. Но в стратосфере, веществ, с которыми может реагировать молекула озона не так много, поэтому там он сохраняется в течение длительного времени.
В воздухе озон присутствует всегда. Его концентрация у земной поверхности составляет в среднем 10-6%.
Общая схема движения озона выглядит примерно так. В стратосфере озон образуется с участием атомного кислорода. В стратосфере атомного кислорода очень мало по сравнению с озоном. Атомный кислород образуется под действием солнечного излучения. Как только с заходом Солнца солнечное излучение исчезает, образование атомного кислорода прекращается. Тот атомный кислород, который был образован до этого момента, идёт на создание озона.
Ночью пока нет солнечного излучения, разрушение озона не происходит. Исчезает озон в различных реакциях с химическими соединениями и под действием солнечного излучения. Поскольку в атмосфере от 100 км и до поверхности земли происходит интенсивное перемешивание, то вступать в реакцию с озоном в стратосфере могут химические соединения, которые образовались на земле, в её приземном слое, а затем из-за перемешивания были подняты в атмосферу. Для того, что бы слой оставался неизменным, должен существовать баланс между количеством образующегося озона и озоном, который разрушается.
Озоновый «экран» расположен в стратосфере, на высотах от 7-8 км. на полюсах, 17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 – 24 километров над Землей.
Слой озона удивительно тонок. Если бы этот газ сосредоточить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку лишь в 2-4 мм толщиной (минимум – в районе экватора, максимум – у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас, почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация.
Озоновый слой в стратосфере важен тем, что он поглощает определённый диапазон солнечного излучения. Наиболее сильно длину волн 253.65нм. Этот диапазон приходится на ультрафиолетовое излучение Солнца. Озоновый слой толщиной всего лишь 3мм (при температуре 00С и нормальном давлении) способен снизить интенсивность излучения на этой длине волн в число раз, равное 1040.
Полоса поглощения озона от 200 до 300нм в честь её первооткрывателя, была названа полосой Гартли. Но имеются и другие полосы поглощения озона (более слабые) от 300 до 360 нм. Это полоса Хюгинса. И волны от 440 до 850 нм. Это полоса поглощения Шапюи.
В последнее время внимание ученых обращено на один из видов качественных загрязнителей среды – хлорфторуглеродистые соединения – фреоны (ХФУ), имеющие чисто антропогенное происхождение. Эту группу газов широко используют в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах, в виде растворителей, распылителей, стерилизаторов, моющих средств и др. было обнаружено крайне негативное воздействие фреонов на озоновый слой атмосферы.
С начала 70-х годов ученые стали отмечать неуклонное истощение озонового слоя. В середине 1970-х гг. Была высказана гипотеза о разрушении озонового слоя хлор-, фтор- или бром- содержащими веществами используемыми в промышленности, проникающими в верхние слои стратосферы. Их назвали озоноразрушающими веществами (ОРВ).
Сначала гипотеза не вызвала большого интереса и к ней вернулись лишь спустя 10 лет. Было доказано, что накопившись в тропосфере, ХФУ проникают в стратосферу и катализируют (прежде всего благодаря выделению свободного хлора) реакции разложения озона, тонкий слой которого защищает землю от ультрафиолета. Хлорфторуглероды (ХФУ) или другие ОРВ, выпущенные человеком в атмосферу, достигают стратосферы, где под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы теряют атом хлора. Агрессивный хлор начинает разбивать одну за другой молекулы озона, сам при этом не претерпевая никаких изменений. Срок существования различных ХФУ в атмосфере от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано, что за это время один атом хлора способен превратить в кислород 100 000 молекул озона.
В настоящее время выявлены несколько механизмов разрушения озонового слоя:
1. Азотный фотохимический механизм.
Под влиянием солнечного излучения (особенно сильно это выражено в годы с максимальной солнечной активностью) в мезосфере увеличивается содержание оксидов азота. Оксиды опускаются на высоту 20 - 30 км и вступают в реакцию с озоном.
2N2О + O2 + gуф >> 4NO;
NO + O3 >> NO2 + O2;
NO2 + O >> NO + O2;
--------------------
О3 + О >> 2О2.
(Процесс был описан в 1970 г. Паулем Крутценом).
Оксиды азота попадают в атмосферу разными путями. Во-первых, естественным путем, при котором оксиды образуются на определенных стадиях природного азотного цикла. Во-вторых, при антропогенном загрязнении воздуха. В этом случае оксиды выбрасываются автомобильным и авиационным транспортом, а также космическими ракетами при запусках.
2.Хлорный механизм.
Этот механизм описан в 1973 году исследователями из Калифорнийского университета Марио Молина и Шерри Роуленд (эти исследователи получили за свое открытие Нобелевскую премию 1995 года по химии). Главная роль в процесс разрушения озонового слоя принадлежит здесь сложным химическим веществам - хлорфторуглеводородам, которые часто называют фреонами. Эти вещества были открыты в 1928 г. химиком концерна "Дюпон де Немур" Томасом Мигдли (им же придуман и тетраэтилсвинец - добавка к бензину). Производство было впервые налажено компанией "Дженерал Моторс". Основным производителем фреонов до недавнего времени являлась компания "Дюпон" (США). Крупнейшие страны-производители: США - 31% от общего объема производства, Западная Европа - 30%, Япония - 12%, Россия - 8%. Среди неучтенных стран крупнейший производитель - Китай. Фреоны производятся человеком и особенно важными являются два из них - фреон-11 (CFCl3) и фреон-12 (CF2Cl2). С земной поверхности они попадают в верхние слои атмосферы. Там под действием ультрафиолетового излучения фреоны разрушаются, высвобождая свободный хлор. Свободные атомы хлора вступают в реакцию с озоном.
CFCl3 (CF2 Cl2) + gуф >> Cl + остаток;
Cl + O3 >> ClO + O2;
ClO + O >> Cl + O2;
----------------------
О3 + О >> 2О2.
Это цепная реакция, поэтому один атом хлора может разрушить 100 000 атомов озона, пока не уйдет из стратосферы (атомы хлора могут, например, реагировать с метаном с образованием соляной кислоты (HCl), которая либо опускается в тропосферу и выпадает на поверхность в виде кислого дождя, либо опять разрушается и выпускает атом хлора).
За последние 20-25 лет в связи с увеличением выбросов фреонов, а также окислов азота, защитный озоновый экран уменьшился приблизительно на 2%, а по другим данным до 5%. По расчетам ученых уменьшение озона на 1% увеличивает ультрафиолетового излучения на 2%. Кроме того, в северном полушарии снижение озонового слоя произошло на 3%, причем в зимние месяцы, когда низкие температуры способствуют воздействию фреонов на озоновый слой, понижение доходит до 5%. С экономико-географических позиций это объясняется наибольшим выбросом фреонов США – 31%, Западной Европой – 30%, Японией – 12%, странами СНГ – 10%.
Более того, над некоторыми территориями стали возникать «озоновые дыры», которые отличаются более сильным разрушением озонового слоя.
Первая «дыра» была обнаружена над Антарктидой в 1978г. В 1985г. английские ученые опубликовали сообщение о том, что ежегодно в октябре над Антарктидой кол-во озона в атмосфере уменьшается на 40-50%, а иногда падает почти до нуля. При этом размеры дыры колеблются от 5 млн до 20 млн км2. Более того, озоновая дыра разрастается. Особенно ярко выраженной она была в 1992г.
Озоновая "дыра" существует не постоянно. Она появляется в начале антарктической весны в середине октября и исчезает через месяц. На высотах 13-24 км озоновый слой разрушается полностью, а на других сильно уменьшается.
Тщательные исследования атмосферы выявили снижение концентрации озона и в Северном полушарии. Вторая подобная дыра была обнаружена над Арктикой. Она меньше по размерам и состоит из нескольких малых дыр, но в большей степени влияет на жителей Евразии.
В середине 1980-х гг. содержание озона начало падать над территорией средних широт северного полушария. В конце 1994г. возникла огромная озоновая дыра над территорией зарубежной Европы, России, США. В начале 1995г. было зарегистрировано рекордное (на 40%) падение содержания озона над территорией Восточной Сибири. Весной 1997г. снова наблюдалось аномально низкое содержание озона над Арктикой и значительной частью Восточной Сибири. Диаметр этой дыры составил приблизительно 3000 км.
По мнению врачей, каждый потерянный процент озона в масштабах планеты вызывает до 150 тысяч дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6 процента увеличивается количество раковых заболеваний кожи, значительно возрастает число болезней, вызванных ослаблением иммунной системы человека. Наибольшему риску подвержены жители северного полушария со светлой кожей. Но страдают не только люди. УФ-В излучение, к примеру, крайне вредно для планктона, мальков, креветок, крабов, водорослей, обитающих на поверхности океана.
Под давлением научных фактов и общественности многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ.
Было заключено несколько международных соглашений о запрещении производства фреонов. В 1985 году была подписана «Венская конвенция об охране озонового слоя».
16 сентября 1987 г. был принят Монреальский протокол о замораживании производства и потребления хлорфторуглеводородов к 1990 г. на уровне 1986 года, сокращении производства на 20% к 1994 г., на 30% к 1999 г. Под ним, подписались около 150 стран, Россия в то числе.
В 1990 г. - Лондонский протокол о 50% сокращении производства и потребления хлорфторуглеводородов к 1995 г. и полном прекращении к 2000 году. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя.
Все развитые страны, за исключением Восточной Европы и бывшего СССР, к концу 1995 г. в основном завершили поэтапное сокращение производства и потребления озоноразрушающих веществ. С целью оказания помощи остальным государствам был создан Глобальный экологический фонд (ГЭФ).
В России в 1999 году Постановлением Правительства установлено, что с 1 августа 1999 г. производство на территории Российской Федерации озоноразрушающих веществ, осуществляется по квотам, определяемым Государственным комитетом Российской Федерации по охране окружающей среды совместно с Министерством экономики Российской Федерации исходя из расчетных ставок, сроков и других требований Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, 1987 года.
При этом производство озоноразрушающих веществ с 20 декабря 2000 г. осуществляется только в тех случаях, когда эти вещества используются исключительно как сырье для производства других химических веществ, и в особых случаях, предусмотренных Монреальским протоколом.
С 1 марта 2000 г. ввоз в Российскую Федерацию и вывоз из Российской Федерации озоноразрушающих веществ, осуществляется только в случаях:
использования этих озоноразрушающих веществ исключительно в качестве сырья для производства других химических веществ;
в особых случаях их применения, предусмотренных Монреальским протоколом;
транзитных перевозок их через Российскую Федерацию из государств и в государства, являющиеся Сторонами Монреальского протокола.
Запрещается с 1 июля 2000 г. создание на территории Российской Федерации новых мощностей по производству озоноразрушающих веществ.
Позднее Президент издал распоряжение, в котором еще раз заявил, что Госкомэкология России и Минэкономики России являются ответственными за реализацию мероприятий по охране озонового слоя. И рекомендовал органам исполнительной власти субъектов Российской Федерации разработать и осуществить в 1999 - 2000 годах комплекс мероприятий, направленных на исключение из производства и потребления озоноразрушающих веществ и переход организаций независимо от их организационно-правовой формы на озонобезопасные технологии.
Таким образом, Российская Федерация принимает все возможные меры по выполнению Венской конвенции и Монреальского протокола.
По данным ООН, благодаря согласованным усилиям мирового сообщества, предпринятым в последнее десятилетие, производство пяти основных видов ХФУ сократилось более чем вдвое. Темпы прироста озоноразрушающих веществ в атмосфере уменьшились. Однако на ближайшие годы придется пик истощения озоносферы, а наиболее сложным был 1998 год. После этого, по мнению ученых ученые, озоновый слой начал медленно восстанавливаться. По другим данным использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов - концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере активных фотохимических соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.