Истощение озонового слоя: причины и последствия

Озоновая дыра — обман?

Некоторые ученые предполагают, что озоновые дыры не так страшны, как о них говорят. Бен Либерман, бывший старший сотрудник Института исследований экономической политики Томаса А. Роу в области энергетики и окружающей среды, убежден, что в Монреальском протоколе не было особой необходимости, а проблема озоновых дыр сильно преувеличена: «Истончение озонового слоя, которое происходило на протяжении 1980-х годов, по-видимому, прекратилось в начале 1990-х годов. Это слишком рано, чтобы приписывать это Монреальскому протоколу».

Он также считает, что связь между разрушением озонового слоя и повышением рисков для здоровья человека, животных и растений слишком натянута: «Разрушение озонового слоя само по себе не наносит вреда здоровью человека или окружающей среде. ВМО признает, что никаких статистически значимых долгосрочных тенденций обнаружено не было. Поэтому можно сказать, что влияние толщины озонового слоя на УФ-излучение над населенными районами настолько мало, что его даже трудно обнаружить».

Зеленая экономика

Как санкции и кооперация могут помочь избежать климатической катастрофы

Похожего мнения придерживается французский ученый Гарун Тазиев. Он считает, что появление озоновых дыр абсолютно нормально, и с этим не нужно ничего делать: «Озоновая дыра — это естественная дыра, которая появляется над Антарктидой в начале октября и исчезает к концу декабря. В Европе, я думаю, я единственный человек, который опровергает основную версию, но мне никогда официально не противоречили ни экологи, ни ученые».

Он утверждает, что озоновые дыры могут быть частью большой политической игры. Мнимые проблемы, которые поддерживают политики, по его мнению, привели к тому, что миллионы фунтов были направлены на «экологические ветряные мельницы», а не на реальные угрозы загрязнения.

Эти и другие ученые высказываются о недостаточной изученности проблемы. Они говорят о том, что многие страшные предсказания о последствиях озоновых дыр не сбылись или вовсе были основаны на мифах. Например, в 1992 году газета New-York Times сообщила, что разрушение озонового слоя над южной частью Чили стало причиной проблем со зрением у овец и кроликов . Эта история повторялась потом и в других источниках, в том числе на телевидении. А позже книга Эла Гора «Земля на волоске» еще раз пересказала этот миф: «В Патагонии охотники теперь сообщают о том, что нашли слепых кроликов, а рыбаки ловят слепого лосося» . Миф разоблачили, когда группа из Университета Джонса Хопкинса доказала, что слепота животных была связана с обычным конъюнктивитом .

Где находятся озоновые дыры

Самая известная озоновая дыра расположена над Антарктидой. Спутниковые измерения NOAA показали, что общая площадь полярной озоновой дыры достигла своего пика 7 октября 2021 года . На тот момент ее размер составил 24,8 млн км2. Это примерно соответствует размеру Северной Америки. Ниже на карте NOAA озоновая дыра выделена темно-синим цветом.

Озоновая дыра над Антарктидой (NOAA)

 

(Фото: Национальное управление океанических и атмосферных исследований.)

В июле 2022 года канадские ученые из Университета Ватерлоо в Онтарио обнаружили еще одну озоновую дыру в тропиках. Здесь в центре дыры количество озона истощено примерно на 80% по сравнению с нормальным содержанием, а по размеру она сравнима с полярной антарктической дырой. Правда, ее площадь примерно в семь раз больше.

Международное сообщество ученых спорит, насколько достоверным является исследование канадских коллег. «Никакой тропической озоновой дыры не существует», — считает Пол Янг, специалист по атмосферным явлениям из Ланкастерского университета в Англии и один из авторов доклада «Научная оценка разрушения озонового слоя 2022», который совместно подготовили ВМО и ООН.

Недоверие к ученым связано с новым определением озоновой дыры, которое вводят в докладе канадские метеорологи. «Автор исследования нашел тропическую озоновую дыру, потому что он смотрит на то, как изменилось количество озона в процентах, а не на абсолютные изменения. А последние как раз более важны для подсчетов вредного ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли», — убежден Янг. Таким образом получается, что по старому подходу тропической озоновой дыры не существует, в то время как по процентным потерям, исходя из измерений, утончение озонового слоя все-таки есть.

Причины разрушения озонового слоя

Озоновый слой разрушается, и это неизбежный факт. В некоторых случаях «виновата» сама природа, но чаще – земляне.

Естественные факторы

К природным факторам, убивающим озон в стратосфере, относятся:

• вулканические извержения;
• полярные вихри;
• полярные стратосферные перламутровые облака;
• отсутствие УФ-излучения в период полярных ночей.

Озоновый слой, разрушенный под действием природных факторов, быстро восстанавливается.

Антропогенные факторы

Промышленные выбросы в атмосферу – вот главная угроза для озонового экрана.

Масла в огонь подливает сельское хозяйство, авиация и космические полеты, добыча и обработка полезных ископаемых.

Выбросы фреона в атмосферу

Фреоны, или хладоны, – это газы, в составе которых хлор, фтор, бром, по отдельности либо в комбинации. Для человека они нетоксичны, но могут годами сохраняться в атмосфере и накапливаться, не прекращая разрушительную деятельность.

В настоящее время в атмосферу ежегодно попадает 1,4 млн т хладонов. Кроме уменьшения озонового слоя, они участвуют в создании парникового эффекта.

Название газа	Время жизни в атмосфере (лет)
Метан	-11
Оксид Озота	114
Фреон-11	45
Фреон-12	100
Фреон-115	1700
Галон-1301	65
Гексафторид серы	3200
Фреон-14	50000

С целью защиты озонового экрана в США и Европе запрещено использовать фреон R22. В кондиционерах для автомобилей вместо газа R12 используется менее опасный хладон R134. ЕЭС ужесточил правила транспортировки хладагентов, и теперь чаще используется газ R290 (пропан).

Маркировка продукции, не содержащей фреонов.

Ракеты и спутники

Ракетно-космическая техника не оказывает глобального влияния на концентрацию озона в стратосфере. Запуск таких мощных ракет, как «Спейс Шаттл» и «Энергия» хоть и воздействуют на атмосферный озон, но кратковременно и локально.

Озоновое облако, которое почти мгновенно разрушается в следе ракетоносителя, относительно быстро восстанавливается.

Исследования показали, что в большей мере вредят озоносфере твердотопливные ракеты, из-за хлорных соединений в продуктах сгорания. Кроме того, в выхлопных газах содержится почти треть оксида алюминия (Al₂O₃).

Его мелкие частицы становятся ядрами конденсации водяных паров и могут оказывать негативное влияние на озон, но это предположение пока не доказано. Даже несмотря на это, выброс хлорсодержащих газов космических ракет составляет менее 1% того хлора, который поставляют в стратосферу другие источники.

Авиатранспорт

Озон разрушают оксиды азота и диоксид углерода (СО₂), содержащиеся в выхлопных газах пассажирских и грузовых самолетов. Однако авиалайнеры летают на высоте 9-12 км, поэтому практически не доставляют вреда озоновому слою.

Ситуация может измениться, если увеличится парк сверхзвуковых самолетов. По предположениям ученых, при эксплуатации 500 таких авиалайнеров падение озона составит 1-2%.

Чтобы уменьшить этот показатель, конструкторы работают над созданием новых камер сгорания, с уменьшенным индексом эмиссии вредных газов.

Удобрения

Азотные удобрения, содержащие синтетический аммиак, высокоэффективны для развития растений, но настолько же вредны для озонового слоя.

Окислы азота, выделяемые при разложении этих веществ, разрушают молекулы озона, вступая с ними в реакцию.

Окислы Озота

Вред значительный, учитывая масштабы применения удобрений в сельском хозяйстве.

Опасные вещества

Главные «убийцы» озона:

1. Простые вещества: водород, бром, хлор, атомарный кислород.
2. Органические соединения: метан, фторхлор, галогеноалканы.
3. Неорганические соединения: оксид азота, хлороводород.

Самыми опасными считаются фторбромфреоны, хлорфторуглероды (ХФУ). Благодаря своей стабильности, они сохраняются в атмосфере десятки лет, накапливаясь и вступая в новые реакции с О₃.

Полный список озоноразрушающих веществ приведен в Постановлении Правительства РФ № 228.

причины возникновения и последствия для человечества

Всем известно, что нашу планету окутывает довольно плотный озоновый слой, располагающийся на высоте 12–50 км над поверхностью земли. Эта воздушная прослойка является надежной защитой всего живого от опасного ультрафиолета и позволяет избежать губительного воздействия солнечного излучения.Именно благодаря озоновому слою когда-то микроорганизмы сумели выбраться из океанов на сушу и способствовали появлению высокоразвитых форм жизни. Однако с начала XX столетия озоновая прослойка начала разрушаться, в результате чего в некоторых местах стратосферы стали появляться озоновые дыры.

Что такое озоновые дыры?

Вопреки распространенному мнению обывателей, что озоновая дыра является брешью в небесном пространстве, на самом деле она представляет собой участок значительного снижения уровня озона в стратосфере. В таких местах ультрафиолетовым лучам легче проникать к поверхности планеты и оказывать свое разрушительное воздействие на все живущее на ней.

В отличие от мест с нормальной концентрацией озона в дырах содержание «голубого» вещества составляет всего около 30 %.

Где находятся озоновые дыры?

Первая большая озоновая дыра была обнаружена над Антарктидой в 1985 году. Ее диаметр составлял около 1000 км, причем она появлялась каждый год в августе, а к началу зимы исчезала. Тогда исследователи определили, что концентрация озона над материком снижена на 50 %, а наибольшее его уменьшение было зафиксировано на высотах от 14 до 19 км.Впоследствии еще одна крупная дыра (меньших размеров) была обнаружена над Арктикой, сейчас же ученым известны сотни подобных явлений, хотя самой огромной по-прежнему остается та, что возникает над Антарктидой.

Как образуются озоновые дыры?

Поскольку на полюсах наблюдаются долгие полярные ночи, в этих местах происходит резкое снижение температуры и образуются стратосферные облака, содержащие ледяные кристаллики. Как следствие, в воздухе накапливается молекулярный хлор, внутренние связи которого разрываются с наступлением весны и появлением солнечного излучения.

Цепочка химических процессов, возникающих при устремлении в атмосферу атомов хлора, приводит к разрушению озона и образованию озоновых дыр. Когда Солнце начинает светить в полную силу, к полюсам направляются воздушные массы с новой порцией озона, благодаря чему дыра затягивается.

Почему появляются озоновые дыры?

Существует множество причин появления озоновых дыр, но важнейшая из них – загрязнение природной среды человеком. Помимо атомов хлора, молекулы озона разрушают водород, кислород, бром и другие продукты сгорания, попадающие в атмосферу из-за выбросов фабрик, заводов, дымовых газовых ТЭЦ.Не меньшее влияние на слой озона оказывают ядерные испытания: при взрывах выделяется огромное количество энергии и образуются окислы азота, которые входят в реакцию с озоном и уничтожают его молекулы. Подсчитано, что только с 1952 по 1971 год при ядерных взрывах в атмосферу попало около 3 миллионов тонн этого вещества.

Возникновению озоновых дыр способствуют и реактивные самолеты, в двигателях которых также образуются окислы азота. Чем выше мощность турбореактивного двигателя, тем выше температура в камерах его сгорания и тем больше азотных окислов попадает в атмосферу. Согласно исследованиям, ежегодные объемы азота, выбрасываемого в воздух, составляют 1 миллион тонн, из них треть приходится на самолеты. Еще одна причина разрушения озонового слоя – минеральные удобрения, которые при внесении в землю вступают в реакцию с почвенными бактериями. В этом случае в атмосферу попадает закись азота, из которой образуются окислы.

К каким последствиям для человечества могут привести озоновые дыры?

В силу ослабления озонового слоя увеличивается поток солнечной радиации, что в свою очередь, может привести к гибели растений и животных. Влияние озоновых дыр на человека выражается прежде всего в увеличении числа раковых заболеваний кожи. Ученые подсчитали, что если концентрация озона в атмосфере упадет хотя бы на 1%, то число больных раком возрастет примерно на 7000 человек в год.

Причины разрушения озонового слоя

Несмотря на непродолжительный период наблюдений и недостаток информации, учёные выделили две группы факторов, влияющих на истончение антирадиационной защиты Земли. Ведутся споры о том, какая группа оказывает большее негативное влияние.

Естественные факторы

Для образования озона необходимо солнечное излучение. Следовательно, во время полярных ночей процесс прекращается, но естественные факторы, влияющие на разрушение, сохраняются. Из-за полярных вихрей и азотнокислых полярных стратосферных облаков слой истончается. В умеренных, тропических и экваториальных широтах процесс менее заметен.

Во время извержений вулканов в атмосферу попадают тысячи тонн пепла, в составе которого есть соединения, способствующие распаду молекул озона.

Антропогенные факторы

Основной причиной истончения антирадиационного слоя считают хлорфторуглероды (ХФУ). Эти вещества стабильны и не представляют опасности для человека, но при взаимодействии с воздухом способствуют распаду молекул озона.

Антропогенные причины разрушения озонового слоя

Выбросы фреона в атмосферу

Ярчайший пример хлорфторуглеродов — фреоны, которые могут быть в агрегатном состоянии жидкости или газа. Их используют как дешёвый хладагент в холодильниках, они содержатся в аэрозольных баллончиках. Ранее фреоны считали главным виновником разрушения озонового слоя. Сейчас учёные склоняются к мнению, что их влияние переоценено.

Запуск спутников и ракет

При прохождении ракеты-носителя через стратосферу её двигатели выбрасывают колоссальное количество газов (оксидов азота, двуокиси углерода). По оценкам некоторых исследователей, 300 запусков шаттла хватило бы для полного истощения озонового слоя.

Твердотопливные ракетные двигатели опаснее жидкостных ракетных двигателей, так как выбрасывают соединения хлора.

Использование авиатранспорта на больших высотах

Гражданская авиация летает на высотах до 13 км. Военные самолёты могут подниматься выше, в стратосферу. При работе реактивный или ракетный двигатель выделяет окиси азота. Так как полёт проходит на высоте формирования озонового слоя, окись азота немедленно вступает в реакцию с молекулами озона и разрушает их.

Применение азотных удобрений

Азотные удобрения используются с конца XIX века, но сейчас масштабы их применения представляют угрозу для атмосферы. Обычно используют следующие вещества:

• аммофос и диаммофос;
• хлористый аммоний;
• карбонат аммония;
• сульфид аммония;
• сульфат аммония.

При их разложении выделяются окислы азота, которые в атмосфере вступают в реакцию с молекулами озона и разрушают их.

Другие причины

Исследования в данной области продолжаются, и не исключено выявление новых факторов, сопутствующих истончению озонового слоя Земли. Истинное положение дел остаётся предметом споров. Не до конца ясно, насколько существенно влияние на природный антирадиационный экран современных хладагентов и аэрозолей.

Защита озонового слоя

К способам защиты озона относится переход на биотопливо, разработка новых технологий в холодильной промышленности, отказ от опасного производства, от использования озоноразрушающих веществ.

В России

В РФ выполняются все предписания Монреальского протокола. В законе №7-ФЗ от 2002 г., касающегося охраны окружающей среды, ст. 54 посвящена защите озонового слоя.

Каждое промышленное предприятие имеет разрешение на выброс в атмосферу определенного количества газов, содержащих вредные для озона вещества. За превышение лимита следуют строгие санкции, вплоть до закрытия предприятия.

Международный опыт

В странах ЕС строго контролируется использование фторсодержащих газов. Все оборудование, содержащее озоноразрушительные вещества, в обязательном порядке проверяется на герметичность. Специалисты, обслуживающие такие системы, обязаны сдать экзамен для допуска к работам. Государственные и частные компании также проходят лицензирование.

В Нидерландах, Венгрии и некоторых других странах проводится строгий учет оборота оборудования, использующего вредные для озона вещества. Информацию поставляют производители и продавцы, монтажные организации, устанавливающие это оборудование. Контролем занимаются сразу несколько структур, включая органы местного самоуправления.

В Европейском союзе запрещено утилизировать оборудование без предварительного извлечения фторсодержащих веществ. Этим занимаются специализированные организации, а ответственность лежит на потребителе.

16 сентября проводится Международный день охраны озонового слоя, а это значит, что проблема находится на контроле у правительств всех стран мира.

Что такое озоновый слой

Озон (О3) – это аллотропная модификация кислорода. Молекула этого вещества состоит из трех атомов кислорода. Наибольшие концентрации О3 образуют в стратосфере слой толщиной несколько десятков километров. Если бы все количество этого вещества, находящегося в стратосфере, сжать до нормального атмосферного давления, получилась бы тонкая прослойка толщиной 3 мм.

Озоновый экран был открыт в 1913 г. французскими учеными Ш. Фабри и А. Бюиссоном. Изучение активности Солнца показали, что излучение, которое достигает поверхности Земли, соответствует спектру абсолютно черного тела при температуре 5,5 – 6 тыс. градусов по Кельвину, за исключением отсутствующих волн в ультрафиолетовой части спектра с длиной волны менее 310 нм. Ученые сделали предположение, что в атмосфере есть вещество, поглощающее эти волны. Дальнейшие исследования показали, что недостающая часть спектра сопоставляется с озоном.

Свойства О3 были детально изучены метеорологом Дж. Добсоном. Этот ученый разработал спектрофотометр – прибор для определения количества стратосферного озона.

Как образуется озоновый слой

Образование озонового экрана началось примерно 1,85 млрд. лет назад и продолжается до сих пор. Озон образуется из кислорода в результате фотохимических реакций воздействия ультрафиолетового излучения на молекулу кислорода О2. Благодаря распаду атомарного кислорода и образовании впоследствии озона поглощается «ближний» – наиболее опасный для здоровья ультрафиолет.

Химически цикл образования озона можно показать так:

Где находится озоновый слой

Он находится в нижней части стратосферы на высоте 15 – 35 км. Концентрация озона на этих высотах – не более 10 частей на миллион частей молекул (для сравнения: концентрация газа во всей атмосфере – не более 0,3 частей на миллион).

Толщина озонового слоя

Толщина этой части стратосферы изменяется во всем мире. Она ниже над экватором и выше над полюсами. Причины таких вариаций связаны с атмосферной циркуляцией и интенсивностью солнечного излучения.

В результате циркуляции Брюера-Добсона в северном полушарии слой озона самый массивный весной и тонкий осенью. В южном полушарии наиболее массивный слой стратосферного озона осенью, а самый низкий – летом.

Для того, чтобы охарактеризовать содержание озона в земной атмосфере, используют единицы Добсона. Слой озона в 3 мм соответствует 300 единицам. Толщина озонового слоя может колебаться от 100 до 600 единиц Добсона.

Озоновый слой и ультрафиолетовое излучение

Озон важен для сохранения жизни на планете, поскольку поглощает опасные ультрафиолетовые лучи, исходящие из Солнца. Все они делятся на три категории:

• УФ-А (с длиной 400–315 нм);
• УФ-В (315 – 280 нм);
• УФ-С (длина этих волн менее 280 нм).

Часть УФ-В излучения, достигающего поверхности планеты, способна вызывать раковые заболевания кожи, катаракту. Однако некоторые лучи из этой части спектра важны для выработки кожей витамина D.

Озон пропускает практически всю часть УФ-А спектра. Оно менее вредно для ДНК, хотя потенциально способно вызвать преждевременное старение и рак кожи, генетические мутации.

Технический прогресс и озоновые дыры

Озоновая дыра (или аномалия) – это снижение концентрации озона в стратосфере над определенным районом планеты. Наиболее известна антарктическая озоновая дыра. Когда после полярной ночи здесь наступает весна, над значительной частью Антарктиды наблюдается снижение общего содержания озона до 220, иногда даже до 80 единиц Добсона. Одновременно с этим в нижних слоях стратосферы наблюдаются температуры ниже –80 градусов и стратосферные полярные облака. Ученые полагают, что на поверхности этих облаков происходят реакции, разрушающие озон. Катализаторами этого процесса выступают фтор- и хлорсодержащие вещества.

Вещества, разрушающие озон, попадают в воздух из выбросов теплоэлектростанций, заводов, фабрик. Молекулы О3 ввиду своей активности могут реагировать с ними. Таким образом, деятельность человека способствует истощению слоя этого газа.

В осенний и зимний период над Арктикой также образуются озоновые дыры. Однако они имеют меньшую площадь. Время их «жизни» – не более недели.

История обнаружения

Вред, наносимый озоновому экрану хлорфторуглеродами, гирохлорфторуглеродами был обнаружен случайно. В 1974 г. химики Марио Молина и Фрэнк Роланд, работающие в Калифорнийском университете, высказали предположение, что хлорфторуглероды способны разрушать озон. С подобной гипотезой выступил П. Крутцен, исследуя свойства закиси азота.

Но такая связь человеческой деятельности и разрушения озонового слоя была на то время неочевидной. Более того, производители фреонов жестко критиковали ученых. Доказательства о существовании озоновых дыр и связи с ними человеческой деятельности были получены в 1985 г.

В этом году впервые группой британских ученых была обнаружена озоновая дыра над Антарктидой диаметром более 1 тыс. км. Тогда же была опубликована статья об этом в журнале Nature. Дыра появлялась каждый август, а в декабре «затягивалась». Вскоре были установлены некоторые закономерности этого процесса.

Результаты исследований оказались пугающими. Американские ученые, проводившие спутниковые исследования, подтвердили наличие озоновой аномалии. В дальнейшем обнаружено ее увеличение. Стало очевидно, что на решение проблемы разрушения озонового слоя могут уйти десятилетия, и то при условии, что использование озоноразрушающих веществ полностью прекратится.

 Механизм образования

Во время полярной ночи озон не образуется, потому что ультрафиолет не может воздействовать на молекулы кислорода. В свою очередь молекулы озона опускаются и разрушаются, потому что являются неустойчивыми в нормальных условиях. Препятствовать проникновению озона из приполярных широт могут полярные вихри и образование стратосферных облаков. Все это – естественные механизмы образования озоновых дыр.

Это – антропогенный фактор в разрушении озонового слоя.

 Антарктическая озоновая дыра

Эта озоновая аномалия образуется в течение продолжительных полярных ночей. Однако в результате техногенных выбросов площадь озоновой дыры заметно увеличилась. Впервые ученые с тревогой заговорили о ней в середине 1980-х гг.

В последние годы размеры антарктической озоновой дыры значительно увеличился. В октябре 2020 года ее площадь составила примерно 24 млн. км2. Это тревожная тенденция: дальнейшее истощение озоновой защиты грозит жизни на Земле.

Распространенные мифы

В результате этого появились многочисленные ненаучные мифы, поддерживаемые конспирологами. Вот наиболее распространенные заблуждения относительно озоновых дыр.

1. Фреоны тяжелые, а поэтому не достигают стратосферы. Действительно, они тяжелые, однако они в результате постоянного движения воздушных потоков равномерно распределяются в атмосферной оболочке, достигая за определенное время стратосферы. Если бы эта теория была правильной, то, к примеру, углекислота, являющаяся тяжелее воздуха, образовала бы мощный приземный слой, и жизнь на планете была бы невозможной.
2. Вред от фреонов – вымысел, поддерживаемый производителями более дорогих хладагентов. В то же время фреоны дешевые, и их можно активно использовать в технологическом процессе. Этот миф легко опровергается результатами научных исследований.
3. Озоновые дыры должны быть не над Антарктидой, а над промышленными центрами. Это было бы правильно, если бы воздух в атмосфере не перемешивался бы.