Причини і наслідки руйнування озонового шару

Найважливішою складовою частиною атмосфери, що впливає на клімат і захищає все живе на Землі від випромінювання Сонця, є озоносфера. Основна маса озону перебуває на висотах від 10 до50 км, А його максимум - на 18 -26 км. Всього в стратосфері міститься 3,3 трильйона тон озону. У шарі озоносфери озон перебуває в дуже розрідженому стані.

Роль озону в збереженні біологічного життя на Землі винятково велика. Молекули озону поглинають жорстке ультрафіолетове випромінювання Сонця саме в тій спектральній області, є найбільш руйнівною для біологічних систем. Органічні молекули руйнуються ультрафіолетовим (УФ) випромінюванням. Це стосується також і молекул ДНК, що відповідають, як відомо, за передачу спадкових ознак. Озоновий шар, як щит, не тільки оберігає живу речовину від прямого руйнування, але й забезпечує хід еволюції.

Мал. 1 Озон в атмосфері Землі

Якщо товщина озону зменшилася, це нанесло б непоправну шкоду усім живим організмам. Твердий ультрафіолет погано поглинається водою і тому представляє велику небезпеку для морських екосистем. Експерименти показали, що планктон, що мешкає в приповерхневому шарі, при збільшенні інтенсивності жорсткого УФ може серйозно постраждати і навіть загинути повністю. Планктон знаходиться в основі харчових ланцюгів практично всіх морських екосистем, тому без перебільшення можна сказати, що практично все життя в приповерхневих шарах морів і океанів може зникнути. Рослини менш чутливі до жорсткого УФ, але при збільшенні дози можуть постраждати і вони. Повне зникнення озонового шару, безсумнівно, означало б і зникнення вищих форм життя. Що стосується людей, то зараз підраховано, що навіть незначне зниження товщини шару озону може збільшити захворюваність раком шкіри. Однак людство легко знайде спосіб захиститися від жорсткого УФ-випромінювання але при цьому ризикує померти від голоду. Інший розподіл озону по висоті істотно вплине й на клімат, тому що зміниться характер поглинання УФ-випромінювання озоном, а отже, і температура стратосфери.

Проблема озону, як одного з малих газових компонентів атмосфери, раніше представляла інтерес тільки для невеликого кола вчених, в даний час придбала глобальне значення. Така різка зміна пояснюється відкриттям того факту, що нормальний вміст озону в атмосфері перебуває під загрозою в результаті господарської діяльності людини.

Якби все кількість озону зібрати за нормального тиску 760 ммрт. ст. і температури 273,15 К, то товщина цього шару склала б усього 2,5 -3 мм. Озон є їдкий. трохи блакитний газ. Його молекула складається з трьох атомів кисню (O 3), так що озон є «хімічним родичем» більш стабільної та багатою в атмосфері речовини, необхідної для дихання людини, що становить ться з двох атомів кисню (О 2).

- Здатність поглинати біологічно небезпечне ультрафіолетове випромінювання Сонця.

- Озон - найсильніший окислювач (просто кажучи - отрута), тому приземний озон небезпечний.

- Поглинання інфрачервоне випромінювання земної поверхні.

- Здатність прямим і непрямим чином впливати на хімічний склад атмосфери.

Оскільки механізм створення молекул озону перебуває в балансі з механізмом їхнього руйнування, то середня кількість озону в стратосфері вчені вважають величиною порівняно постійної з моменту утворення сучасної атмосфери Землі.

На відміну від інших атмосферних складових озон з'явився в атмосфері винятково хімічним шляхом і є наймолодшим атмосферним компонентом. З екологічної точки зору, найціннішою властивістю озону є його здатність поглинати біологічно небезпечне ультрафіолетове випромінювання Сонця; в той час як хімічна сполука озон є найсильнішим окислювачем (попросту отрутою), здатним при безпосередньому контакті отруїти ту ж флору і фауну, що він захищає в якості стратосферного озонового шару. Крім цього, озон є ефективним парниковим газом. І, нарешті, озон впливає на малі активні складові атмосфери, а через них - і на стабільні компоненти, які, як і сам озон поглинають і ультрафіолетове і інфрачервоне випромінювання. Тим самим озон робить не тільки прямий. але і непрямий вплив на парниковий ефект і рівень ультрафіолетового випромінювання на поверхні Землі.

Практично єдиним джерелом озону в атмосфері є фотодисоціація молекулярного кисню на атоми з наступним швидким усипляння атома до молекули O 2 з утворенням молекули озону:

O 2 + H N = O + O (1)

O + O 2 + M = O 3 + M (2)

(Тут М - будь-яка молекула повітря).

Цей процес на висотах більше 30 км, Оскільки нижче цієї висоти короткохвильове сонячне випромінювання не проникає. В результаті досить високо в атмосфері з'являються молекули озону й атоми кисню.

Загибель атмосферного озону відбувається в результаті наступних процесів:

O 3 + H N = O + O 2 (3)

O + O 3 = O 2 + O 2 (4)

Таким чином, атоми, що утворилися колись із молекул кисню, знову з'єднуються в молекулу. Відзначимо тільки, що, для того щоб «розвалити» молекулу озону, короткохвильове випромінювання не потрібно. Зв'язок атома О с молекулою О 2 в озоне дуже слабкий, тому навіть при опроміненні видимим світлом молекула озону буде фотодісоціювати на вихідні складові.

Зазначу також, що реакція (3) є основним постачальником атомів кисню; її швидкість на всіх висотах тропосфери і стратосфери на три й більше порядки вище швидкості реакції (1).

Наведений вище механізм був запропонований на початку 1930-х років англійським геофізиком Чепменом і з'явився першою спробою пояснити утворення озонового шару в атмосфері.

Озон в стратосфері постійно народжується і гине, отже, його шар складається з рівноважної кількості. А оскільки ця рівновага рухлива, то товщина озонового шару може змінюватися. Спостерігаються добові, сезонні коливання вмісту озону, а також цикли, пов'язані з багаторічними змінами сонячної активності. Найбільша кількість озону (46%) утворюється в стратосфері тропічного поясу, там максимум його щільності перебуває приблизно на висоте26 кмот поверхні. У середніх широтах він розташовується нижче: узимку - на висоте22 км, А влітку - 24 км. У полярних районах висота максимуму становить усього 13 -18 км, І тут озон найбільш інтенсивно переноситься в нижні шари атмосфери.

Існує велика кількість причин ослаблення озонового щита, викликаного антропогенною діяльністю. В цілому їх можна об'єднати в дві групи.

1. Викиди висотних літаків і ракет

По-перше, - це запуски космічних ракет. Паливо згорає, «випалює» в озоновому шарі більші діри. Колись передбачалося, що ці «діри» затягуються. Виявилося, немає. Вони існують досить довго.

По-друге, - літаки. Особливо ті, що летять на висотах в 12 -15 км. Пара, що викидається ними і інші речовини руйнують озон. Але, в той же час літаки, що літають ніже12 км, Дають збільшення озону. У містах він - один зі складових фотохімічного смогу.

По-третє, - окису азоту. Їх викидають ті ж літаки, але найбільше їх виділяється з поверхні ґрунту, особливо при розкладанні азотних добрив.

Оскільки на сьогодні польоти на надзвукових літаках здійснюються не дуже часто, вони не завдають значної шкоди озоновому шару. Запуски ракет відбуваються також не надто часто, але вони можуть наносити дуже серйозний збиток озоновому шару. Так, при загальній масі орбітального корабля «Спейс Шаттл» століття сорок три з половиною тонни в процесі підйому до висоти50 кмтвердотоплівная ракетна система викидає 187 тонн Cl 2 і його сполук, 7 тонн оксидів азоту й знищує за політ 10 мільйонів тонн озону. Це дуже багато, тому що в земній атмосфері міститься всього 3000 000 000 тонн озону.

Оксиди азоту відіграють важливу роль у формуванні та руйнуванні озону, причому в стратосфері відбувається каталітичне руйнування озону в тропосфері - каталітичне формування.

2. Хлорофторовуглеці (ХФУ), або фреони

Колись фреони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки вони дуже стабільні і неактивні, а значить, не токсичні. Як це не парадоксально, але саме інертність цих з'єднань робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФУ не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, що простирається від поверхні землі до висоти10 км), Як це відбувається, наприклад, з переважно оксидів азоту, і в кінці кінців проникають в стратосферу, верхня межа якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули ХФУ підіймаються до висоти прімерно25 км, Де концентрація озону максимальна, вони зазнають інтенсивного впливу ультрафіолетового випромінювання (рис. 2), не проникає на менші висоти через екрануючого дії озону. Ультрафіолет руйнує стійкі в звичайних умовах молекули фреонів, розпадаються на компоненти, що володіють високою реакційною здатності, зокрема, атомний хлор. Таким чином, ХФУ переносить хлор з поверхні землі через тропосферу і нижні шари атмосфери, де менш інертні з'єднання хлора руйнуються, в стратосферу, до шару з найбільшою концентрацією озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: в ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону перш ніж буде дезактивувати або повернеться в тропосферу. Зараз викид фреонів в атмосферу обчислюється мільйонами тонн, але слід зауважити, що навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва і використання ХФУ, негайного результату досягнути не вдасться: дія фреонів, які вже потрапили в атмосферу, буде тривати кілька десятиліть. Вважається, що час життя в атмосфері для двох найбільш широко використовуваних ХФВ: фреон-11 (CFCl 3) і фреон-12 (CF 2 Cl 2) становить 75 і 100 років відповідно.

Ученим знадобилося кілька років, щоб знайти пояснення появі озонової діри. Коротенько це таке.

Оскільки Антарктида оточена океаном, вітри можуть безупинно циркулювати навколо континенту, на якому немає гірських ланцюгів. При південній зими вони утворюють навколо полюсний вихор, лійку з вітрів, що збирає повітря над Антарктидою й утримує його, не дозволяючи змішуватися з іншою атмосферою. Цей вихор служить ізольованим «реакційним казаном» для полярних атмосферних хімічних сполук (він значно сильніше того, що утворюється над Північним полюсом, тому північна озонова діра проявляється значно слабше).

До того, в 1985 році було підписано Віденську конвенцію про охорону озонового шару, в якій розвинені країни визнавали факт проблеми руйнування озонового шару.

Хочеться сподіватися, що проблема озонового шару навчить з великою увагою і побоюванням ставитися до всіх речовин, що попадають в атмосферу в результаті антропогенної діяльності.