Озоновый слой Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Озоновый слой - щит Земли

2. ХФУ и озон стратосферы: химия процесса взаимодействия

3. Источники поступления ХФУ в атмосферу

4. Открытие проблемы и дальнейшее развитие ситуации вокруг этого открытия

5. Воздействие на здоровье и окружающую среду

5.1 Увеличение случаев заболевания раком кожи

5.2 Подавление иммунной системы человека

5.3 Поражение глаз

5.4 Уничтожение урожаев

5.5 Вредное воздействие на некоторые морские организмы

Заключение

Введение

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической Службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный Самолетный Антарктический Озонный Эксперимент. В его ходе ученые из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озонная «дыра». В начале 80-х по измерениям со спутника «Нимбус-7» аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико - около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.

Это открытие обеспокоило как ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большей опасности, чем считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере менее 0.0001%, однако именно озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца с длинной волны <280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б, наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%. Эта оценка подтверждается измерениями, проведенными в Антарктиде (правда, из-за низкого положения солнца, интенсивность ультрафиолета в Антарктиде все еще ниже, чем в средних широтах. По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у излучения длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, и поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако значительно количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом получая большую дозу УФ облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона.

В мае 1985 года британские ученые объявили о резком сокращении концентраций озона в стратосфере над Антарктикой каждой весной южного полушария. Это явление получило название «озоновой дыры».

Существуют объективные причины, по которым «дыры» в первую очередь образуются над Антарктикой. Бром и хлор, несущие главную ответственность за разрушение озона, в среднем равномерно распределены в атмосфере Земли. Однако в Антарктике условия таковы, что эти вещества, вступая в химические реакции, способны уничтожить больше озона, чем в районах с более теплым климатом.

Маршруты движения антарктических циркумполярных ветров строго ограничены полярным регионом. В дополнение к этому антарктическая атмосфера долгие месяцы остается в темноте (в течение полярной ночи), при этом значительно охлаждаясь. С падением температуры атмосферы в стратосфере начинают образовываться ледяные облака.

Когда в августе первые лучи Солнца начинают проникать в стратосферу, то в ней начинают происходить химические реакции, отличающихся от реакций в стратосфере умеренных широт. «В то же время, эти реакции намного эффективнее с точки зрения разрушения полярного озона, так как в стратосфере отсутствуют окислы азота, которые бы прекращали цепную реакцию», - пишет Шервуд Роуленд в 1990 году в журнале «Амбио» (Ambio).

Падение концентраций озона продолжается до поздней весны, когда солнечные лучи (падающие на Землю под большим углом) разогревают атмосферу настолько, что из ледяных облаков начинает выделяться азот. Скорость падения концентраций озона стремительно возрастает с позднего августа, прогрессирует в сентябре и спадает к середине октября.

По данным, приведенным в отчете Межправительственной группы экспертов по проблемам изменениям климата за 1992 год, в весенний период в стратосфере Антарктики отмечается падение концентраций озона более чем на 90 процентов. Данные американского спутника Нимбус-7 показали, что площадь поверхности озоновой дыры, по грубым подсчетам, соизмерима с площадью Западной Европы или континентальной части США.

В докладе 1992 года Межправительственная группа экспертов по проблеме изменения климата (IPСС) отмечает, что, в предшествующие докладу пять лет, феномен дыры повторялся и ее размер достигал огромных масштабов. Это положение отличалось от ситуации середины 80-х годов, когда рост размера «дыры» колебался каждые год-два.

Согласно заявлению Межправительственной группы, недавние лабораторные исследования обнаружили дополнительные свидетельства образования антарктической озоновой дыры по причине использования хлор- и бромсодержащих веществ.

Что же касается Арктики, то условия в ее атмосфере сходны с условиями в атмосфере Антарктики. Разница лишь в том, что период циркуляции холодных циркумполярных ветров в атмосфере Арктики короче, чем в Антарктике и ее атмосфера теплее атмосферы южного полюса.

Разница климатических условий этих двух регионов объясняется частично большей массой земной поверхности, расположенной в северном полушарии планеты, и влияющей на активность атмосферы.

В 1989 году воздушная экспедиция по изучению стратосферы Арктики НАСА (первое наиболее полное исследование Арктического региона) обнаружила, что в зимний период в стратосфере Арктики содержится почти столько же оксида хлора (ClO), сколько и в стратосфере Антарктики. Это то же самое вещество, которое приводит к образованию озоновой дыры в Антарктике.

Роуленд прокомментировал этот факт в журнале «Амбио» в 1990 году. Он сказал, что потеря озонового слоя может происходить и в стратосфере Арктики. Однако периоды падения концентраций озона в Арктике не такие длительные, как в Антарктике, поскольку арктический циркумполярный поток не такой постоянный, как в Антарктике. Тем не менее, хотя потери озона в Арктике, сравнимые с потерями озона в Антарктике, зарегистрированы не были, «в отдельных арктических областях отмечены высокие концентрации реакционного хлора в зимний период», - отмечается в докладе IPCC.

Сегодня термин «озоновая дыра» хорошо известен во всем мире. Однако, нам все еще не достает понимания в полной мере природы самого явления. Что же это такое озоновая дыра? Где появляются озоновые дыры? Насколько они большие? Что стало причиной их возникновения? Как они будут себя вести в будущем? И, наконец, какую опасность они представляют для человечества?

Несмотря на то, что проблема озоновой дыры существует менее двадцати лет, большинство людей уже слышало о ней. Слово «дыра» хорошо позволяет представить проблему визуально.

Тема озоновой дыры объединяет в себе захватывающую дух интригу, в центре которой оказались передовые направления современной науки и техники. В течение лишь нескольких лет после открытия ряда чрезвычайно полезных химических соединений, стремительно завоевавших рынок, было обнаружено, что эти вещества наносят вред окружающей среде. В кратчайшие сроки было достигнуто беспрецедентное международное соглашение по контролю за их использованием, и были созданы и внедрены в различные технологические процессы альтернативные продукты, более приемлемые с экологической точки зрения.

1. Озоновый слой - щит земли.

Озон представляет собой едкий, слегка голубоватый газ. Его молекула состоит из трех атомов кислорода (O3), так что озон является «химическим родственником» более стабильного и изобилующего в атмосфере вещества, необходимого для дыхания человека, состоящего из двух атомов кислорода (О2). Озон образуется, когда молекула кислорода распадается на атомы под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения. Атомы кислорода вступают в связь с молекулами кислорода, при этом образуется озон (О+ О2-->O3).

Свойства озона:

* Способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца.

* Озон - сильнейший окислитель (попросту яд), поэтому приземный озон опасен.

* Способность поглощать инфракрасное излучение земной поверхности Способность прямым и косвенным образом влиять на химический состав атмосферы.

В отличие от других атмосферных составляющих озон появился в атмосфере исключительно химическим путём и является наиболее молодой атмосферной компонентой. Наиболее ценным с экологической точки зрения свойством озона является его способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца; в то же время как химическое соединение озон является сильнейшим окислителем (попросту ядом), способным при непосредственном контакте отравить ту самую флору и фауну, которую он защищает в качестве стратосферного озонового слоя. Помимо этого озон является эффективным парниковым газом. И, наконец, озон оказывает заметное влияние на малые активные составляющие атмосферы (такие, например, как гидроксильный радикал), а через них - и на стабильные компоненты, которые как и сам озон поглощают и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Тем самым озон оказывает не только прямое, но и косвенное влияние на парниковый эффект и уровень поверхностного УФ излучения.

Растительность на суше появилась лишь чуть более 400 миллионов лет тому назад, когда содержание кислорода составило примерно 0,5, а озона - 0,7 современного уровня, что оказалось достаточным, чтобы защитить живые клетки от коротковолнового солнечного излучения. До этого момента жизнь развивалась исключительно в водной среде, которая и обеспечивала соответствующую защиту вместо озонового слоя. Накопление кислорода в атмосфере до появления растений на суше происходило за счёт процессов фотосинтеза в океане, а также за счёт дегазации базальтовой магмы. Оба этих источника атмосферного кислорода продолжают действовать и сейчас, причём доля океана в фотосинтезе кислорода составляет 80%.

Существует «хороший озон» и «плохой озон». «Плохой озон» - ученые называют фотохимическим смогом, поразившим такие крупнейшие города, как, например, Лос-Анджелес, Мехико, Денвер, Чикаго, Нью-Йорк и многие другие. Существуют принципиальные отличия между «плохим» и «хорошим» озоном. Если на время оставить широко распространенную проблему городского смога, то окажется, что приблизительно 90 процентов озона Земли - это озон стратосферы, слоя атмосферы, расположенного высоко над земной поверхностью. Стратосфера располагается над тропосферой, нижним слоем атмосферы, толщина которого составляет километры. В тропосфере воздух наиболее плотный и там происходит большая часть преобразований, связанных с формированием погоды. Стратосфера начинается на высоте 8 км над полюсами (17 км над экватором) и простирается вверх на высоту приблизительно 50 км.

Озон в стратосфере обычно относят к «хорошему» озону, так как он предохраняет землю от разрушительного ультрафиолетового излучения. Большая часть из оставшихся 10 процентов «плохого» озона находится в приземном слое атмосферы - тропосфере - и, достигнув определенных концентраций, он представляет опасность для здоровья и благополучия населения.

Непосвященные наблюдатели, те, кто главным образом слышат о проблеме фотохимического смога и не слышат об ультрафиолетовом излучении, могут предположить, что в атмосфере Земли содержится слишком много озона. В некотором роде они правы. Да, слишком много в одних местах. Но существует опасность того, что его может оказаться слишком мало там, где он необходим. Следует уточнить, однако, что и понятие «много» относительно. Молекулы озона в земной атмосфере встречаются крайне редко.

Концентрация молекул озона в атмосфере ниже, чем одна молекула O3 на каждый миллион молекул воздуха. Такое соотношение одновременно как подчеркивает, так и дает неверное представление о том, какую критическую роль играет озон в глобальной экологической системе. Ключевой момент заключается в том, что озон поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение (УФ излучение с длиной волны в диапазоне между 280 и 320 нанометров, способное повредить ДНК живых организмов). Это свойство делает озон незаменимым элементом защиты человека от УФ излучения, способного нанести огромный биологический вред.

Общее количество озона в атмосфере, если его сжать до плотности воздуха у поверхности Земли, составит слой толщиной приблизительно в 3,5 миллиметра. И эта тонкая пленка является одним из ключевых факторов, делающих окружающую среду планеты пригодной для жизни человека.

Ни климат, ни погода не являются статичными системами. То же верно и для озона. Количество озона в стратосфере сильно различается в зависимости от географической широты, от высоты расположения в слоях атмосферы и от времени года. Показатели концентраций O3 могут также меняться год от года. Например, общее количество озона в северных умеренных широтах показывает сильную корреляцию с сезонными циклами. Согласно данным Шервуда Роуленда, опубликованным в 1990 году в издании «Амбио», наиболее высокие концентрации озона в этих широтах отмечены в марте-апреле и наименьшие в октябре-ноябре. По мнению ученого Памеллы Зурер, естественные колебания озона могут достигать 25 процентов в высоких широтах. Эту информацию она опубликовала в 1993 году в журнале «Новости химии и инженерии».

В дополнению к сказанному нужно напомнить, что молекулы озона постоянно образуются и разрушаются в стратосфере. Новые молекулы озона непрерывно возникают в процессе химических реакций, происходящих на солнечном свету. Когда молекулы озона подвергаются воздействию солнечных лучей, они распадаются на очень активный элемент - атомарный кислород (О). Атомарный кислород вступает в реакцию с молекулами кислорода с образованием озона.

Так как механизм создания молекул озона находится в балансе с механизмом их разрушения, то среднее количество озона в стратосфере ученые считают величиной сравнительно постоянной с момента образования современной атмосферы Земли. Политические и экологические проблемы, связанные с озоном стратосферы, вызваны такими химическими веществами, как хлорфторуглероды и галогены.

2. ХФУ и озон стратосферы: химия процесса их взаимодействия

С момента их открытия в 30-40-х годах все говорило о том, что ХФУ слишком уж хороши для того, чтобы в них не таилась какая-нибудь опасность. Они сравнительно недороги, высокоэффективны, стабильны в атмосфере и нетоксичны для человека. Эти свойства способствовали широкому распространению ХФУ в различных областях современного производства. Производители электроники, например, стали использовать ХФУ в начале 80-х годов в качестве промывочных растворов. Это позволило им снять проблему загрязнения грунтовых вод, связанную с использованием в производстве метилхлорида и трихлорэтилена. Для различных областей производства хлорфторуглероды стали главным сырьем из-за своей стойкости к воздействию внешних факторов.

Проблема, конечно же, заключается в «ахиллесовой пяте» ХФУ. Когда хлорфторуглероды попадают в атмосферу, они начинают мигрировать в стратосферу, где более интенсивное солнечное излучение воздействует на них и в результате реакции выделяется хлор. Этот хлор действует как катализатор, постоянно вступая в реакцию с молекулами озона с образованием молекул кислорода (О2) и молекул оксида хлора (ClO2). Молекулы оксида хлора затем вступают в реакцию с атомарным кислородом, с образованием молекул кислорода и свободных атомов хлора. И все начинается сначала. Посредством этого повторяющегося процесса одна молекула хлора может разрушить тысячи молекул озона, прежде чем сама будет нейтрализована. Это свойство ХФУ и выделяемого ими хлора делает фреоны очень опасными для озонового слоя стратосферы. Хотя следует отметить, что не все ХФУ и не все растворители имеют одинаковый озоноразрушающий потенциал.

Например, метилхлороформ и четыреххлористый углерод - растворители широко применяемые в производстве, действуют на озон очень пагубно, хотя содержание хлора в них сравнительно низкое. Подобно хлору на озон действует другое вещество - бром. Бром, как и хлор, относится к группе веществ под общим названием галогены (хлор, фтор, бром, йод и астат). В то время, как в стратосфере брома содержится намного меньше, чем хлора, он более активен и несет ответственность за разрушение значительных количеств озона.

В наибольшей степени научные и политические проблемы, стоящие перед мировым сообществом в вопросе об озоновых дырах сводятся к следующему: дополнительное поступление бром и хлор содержащих веществ в стратосферу приведет к нарушению естественного баланса образования и разрушения озона, так как появляется дополнительный фактор, приводящий к разрушению озона.

Как уже отмечалось выше, различные ХФУ имеют разную продолжительность жизни в атмосфере и различную озоноразрушающую способность. Большая их часть - это долгоживущие вещества, они могут сохраняться в атмосфере десятилетиями и даже столетиями.

Для каждого вещества, внесенного в список Монреальского протокола, математически рассчитан озоноразрушающий коэффициент в пересчете на одну молекулу. Этот коэффициент - относительная величина, где за единицу принят озоноразрушающий потенциал ХФУ -11 и ХФУ-12.

Озоноразрушающая способность вещества определяется количеством атомов хлора или брома в молекуле, его продолжительностью жизни в атмосфере (то есть, того времени, на протяжении которого это вещество будет сохраняться в атмосфере, прежде чем оно распадется или будет выведено из нее) и особенностями химического процесса, необходимого для распада этого вещества.

Существуют опасения, что эти вещества нарушают естественный озоновый баланс. Необходимый для образования атомарный кислород выше уровня 20 км образуется при расщеплении кислорода под действием ультрафиолетового излучения c длиной волны <240 нм

Ниже этого уровня такие фотоны почти не проникают, и атомы кислорода образуются, в основном, при фотодиссоциации двуокиси азота фотонами мягкого ультрафиолета с длиной волны <400 нм.

Разрушение молекул озона происходит при их попадании на частицы аэрозолей или на поверхность земли, но основной сток озона определяют циклы каталитических реакций в газовой фазе.

Впервые мысль об опасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х годов, тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона представляют выбросы водяного пара и оксидов азота из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов и ракет. Однако, сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только «Конкорд», совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, из военных самолетов в стратосфере летают практически только сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как B1-B или Ту-160 и разведывательные самолеты, типа SR-71. Такая нагрузка вряд ли представляет серьезную угрозу для озонного слоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобрений также представляет определенную опасность для озонного слоя, но оксиды азота нестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Запуски ракет также происходят не очень часто, впрочем, хлоратные твердые топлива используемые в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях «Спейс-Шаттл» или «Ариан», могут наносить серьезный локальный ущерб озонному слою в районе запуска.

В 1974 г. М. Молина и Ф. Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что хлорфторуглероды (ХФУ) могут вызывать разрушение озона. Начиная с этого времени так называемая хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодиьниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков.

Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит не токсичны. Как это ни пародоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и в конце концов проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом ХФУ переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическом случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие уже попавших в атосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых фреонов составляет 75 и 100 лет соответственно.

Оксиды азота способны разрушать озон, однако, они могут реагировать и с хлором.

В ходе этой реакции содержание озона не меняется. Более важной является другая реакция, образующийся в ее ходе хлористый нитрозил является так называемым резервуаром хлора. Содержащийся в нем хлор неактивен и не может вступить в реакцию с озоном. В конце концов такая молекула-резервуар может поглотить фотон или вступить в реакцию с какой-нибудь другой молекулой и высвободить хлор, но она также может покинуть стратосферу. Расчеты показывают, что если бы в стратосфере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бы намного быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлористый водород HCl, образующийся при реакции атомарного хлора и метана.

Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. В сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали в Монреале конвенцию, обязывающую их снизить потребление ХФУ. Согласно достигнутой договоренности развитые страны должны к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ - пропан-бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками - вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена.

Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. 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 фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.

Вместе с тем, ранние прогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровня выброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упасть вдвое, возможно были слишком пессимистичны. Во-первых, дыра над Антарктидой во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широта. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -80 С. Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы и способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Все это говорит о том, что ХФУ способны вызвать заметное понижение концентрации озона только в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах, концентрация активного хлора должна быть намного выше. Во-вторых, при разрушении озонного слоя жесткий ультрафиолет начнет проникать глубже в атмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему, но только немного ниже, в области с большим содержанием кислорода. Правда, в этом случае озонный слой будет в большей степени подвержен действию атмосферной циркуляции.

Хотя первые мрачные оценки были пересмотрены, это ни в коем случае не означает, что проблемы нет. Скорее стало ясно, что нет немедленной серьезной опасности. Даже наиболее оптимистичные оценки предсказывают при современном уровне выброса ХФУ в атмосферу серьезные биосферные нарушения во второй половине XXI в., поэтому сокращать использование ХФУ по - прежнему необходимо.

озоновый слой хлорфторуглерод стратосфера атмосфера

3. Открытие проблемы и дальнейшее развитие ситуации вокруг этого открытия

«Исследователи должны были выйти за рамки химии атмосферных явлений», - написал Ричард Бенедикт, официальный представитель Госдепартамента США в администрации Рейгана. По словам Бенедикта, игравшего ключевую роль в переговорах по Монреальскому протоколу, научное сообщество, для того, чтобы «переварить» анализ Роуленда и Молина, «должно было связать воедино дисциплины, позволяющие изучать Землю как взаимосвязанную систему физических, химических и биологических процессов, происходящих на планете, в воде и атмосфере... Ученые разработали еще более совершенные модели компьютерного симулирования взаимодействий между энергетическими, физическими и химическими процессами стратосферы на десятилетия вперед. Они использовали воздушные шары, ракеты и спутники для того, чтобы отслеживать поведение удаленных газов, концентрация которых не превышала нескольких молекул в триллионе молекул воздуха». Для расчетов потерь озона необходимо было рассчитать сезонные колебания, одиннадцатилетний солнечный цикл и множество других факторов.

Вследствие волны научных и общественных обсуждений проблемы, поднятой исследованием Роуленда и Молина, были приняты политические решения. Этот процесс достиг своей кульминации 11 мая 1977 года, когда три федеральных ведомства США - Комиссия по безопасности потребительских товаров, Агентство по охране окружающей среды и Комиссия по вопросам продуктов питания и медицинских препаратов - объявили о графике выведения из употребления аэрозольной продукции, содержащей ХФУ.

В свете вышесказанного, необходимо остановиться на двух принципиальных моментах. Во-первых, журналисты оказывают плохую услугу своей аудитории, когда утверждают, что озон страдает от использования аэрозолей. Не сами аэрозоли, а ХФУ в них, используемые в качестве распыляющих компонентов, будут представлять опасность для озонового слоя до тех пор, пока не возымеют действия запреты на использование этих веществ во всех странах. Во-вторых, даже полное прекращение использования ХФУ в аэрозолях не решит проблему разрушения озонового слоя. В производстве ХФУ используют в виде растворителей, хладонов и компонентов пенопластов, поэтому именно эти производства остаются источником поступления в атмосферу фреонов в огромных количествах. Приведенные выше две ошибки, к сожалению, довольно часто встречаются в журналистских материалах. В 1985 году, после трех лет переговоров, при участии ООН, было подписано международное соглашение - Венская конвенция. Венская конвенция установила механизмы международного сотрудничества в области исследований, мониторинга и обмена информацией о выбросах, концентрациях ХФУ и галогенов, а также выработала правовой статус озона стратосферы. Кроме того, Венская конвенция определила сроки разработки международных соглашений по конкретному сокращению выбросов.

В тот же самый год произошло еще одно событие, которое повлияло на признание научным сообществом и общественностью проблемы озонового слоя. В 1985 году была обнаружена антарктическая озоновая дыра.

Данные, полученные в рамках программы «Британские антарктические исследования», результаты которой были обнародованы в 1985 году, показали, что концентрации озонового слоя над Антарктикой уменьшались каждый год, начиная с конца 70-х годов. Памела Зурер в своей статье в журнале «Новости химии и инженерии» написала, что британские ученые под руководством Джо Фармана обнаружили полное его разрушение на отдельных высотах на протяжении нескольких весенних недель. Масштабы озоновых потерь превысили даже наихудшие сценарии, предсказанные научными моделями.

До открытия, сделанного в рамках «Британских антарктических исследований», многие ученые не были уверены в том, что количество озона сокращается на самом деле. С 1985 года, после открытия антарктической озоновой дыры, научное сообщество объявило о проведении лабораторных экспериментов, полевых исследований и создании компьютерных моделей, для того чтобы улучшить понимание озона стратосферы.

В сентябре 1987 года США присоединились к основополагающему международному соглашению - Монреальскому протоколу по веществам разрушающим озоновый слой (смотри стр. 82). Монреальский протокол, устанавливающий ограничения на использование ХФУ и галогенов, был подписан двадцатью четырьмя государствами и Европейским экономическим сообществом (ЕЭС), получив таким образом поддержку большинства развитых стран мира.

Данные, полученные в результате американских экспедиций в Антарктику в 1986 и 1987 годах, а также данные НАСА, полученные в 1987 году, главным образом подтвердили, что хлор, выделяющийся из ХФУ, бром из галогенов и метилбромида несут ответственность за разрушение озонового слоя, а также за образование антарктической озоновой дыры. В 1988 году в совместном докладе «О тенденциях озона» НАСА и Национальное управление по океану и атмосфере (NOAA) представили полный анализ результатов международных исследований газов стратосферы. Доклад «Тенденции озона» подтвердил теорию разрушения озонового слоя.

Однако не это стало самой плохой новостью в истории с озоновым слоем. Центр по космическим полетам им. Годдарда, НАСА и Лаборатория по мониторингу и диагностике климата NOAA в Болдере, штат Колорадо, зарегистрировали рекордно низкое содержание озона в 1993 году, о чем НАСА сообщило в пресс-релизе 18 октября 1993 года.

«Эти рекордно низкие уровни (озона в Антарктике) были зарегистрированы станцией Южного полюса Антарктики в конце сентября и в начале октября 1993 года и были подтверждены данными, полученными со спутника», - объявило НАСА. Количество озона упало до уровня менее чем 100 единиц Добсона с уровня в 275 единиц Добсона в середине августа того же года. НАСА сообщило, что точность показаний составила плюс-минус 5 единиц Добсона. Единицы Добсона показывают общее количество озона в столбе воздуха от земной поверхности до верхней точки атмосферы. Измерения проводятся путем спектрального анализа поглощенного ультрафиолетового излучения.

Подтвердив показания наземного спектрофотометра Добсона замерами, проведенными с воздушных шаров, НАСА назвало полученные данные «самыми низкими из когда-либо полученных в мире».

В то время, как НАСА и NOAA выразили надежду, что «недавно принятые международные соглашения по выведению из обращения ХФУ позволят восстановить в течении ста лет естественный уровень озона», Центр космических полетов им. Годдарда признал, что «ежегодная тенденция формирования озоновых дыр сохранится в следующем столетии». По мнению ученых центра «эта ситуация сохранится до тех пор, пока в стратосфере не упадет уровень содержания хлора».

Старший научный консультант NOAA Дэвид Хофман сказал, что новые данные показывают «увеличение глубины озоновой дыры».

В своем пресс-релизе от 18 октября 1993 года НАСА и NOAA высказали предположение, что «на величину озоновой дыры в предшествующем и в этом году могли повлиять окислы серы в верхней атмосфере, попавшие туда вследствие извержения вулкана Пинатубо в июне 1991 года на Филиппинах». Влияние крупного извержения вулкана на озоновый слой стало предметом оживленных дискуссий. Тем не менее, старший научный консультант Фонда по охране окружающей среды Майкл Опенгеймер настаивал на том, что естественные феномены, подобные извержениям вулканов, не могут оправдать задержку в проведении превентивных мер. Ничего нельзя поделать с вулканами, - сказал Опенгеймер в ответ на пресс-релиз НАСА/NOAA, - но мы можем и должны постепенно вывести из обращения озоноразрушающие химические вещества, контроль за которыми недостаточен в рамках Монреальского протокола.

В 1991 году данные со спутников НАСА показали растущую тенденцию разрушения озонового слоя над территориями плотно заселенными людьми. «Масштабы потерь озона были больше, площадь подверженная разрушению озона увеличилась, и процесс разрушения сохранялся в течение более длительного периода времени, чем предполагалось раньше», - написала Памела Зурер.

Хотя и существует научный консенсус в том, что ХФУ несут ответственность за разрушение озонового слоя Антарктики, нет ясности в том, почему происходит утончение озонового слоя в северном полушарии. По мнению профессора химии Земли и планетарных наук Джеймса Андерсена из Гарвардского университета, хлор и бром возглавляют список веществ подозреваемых в этом. «Тем не менее, в настоящий момент приоритетом для нас является определение механизма, который отвечает за это утончение озонового слоя. На современном этапе мы не можем предсказать то, как будет развиваться этот процесс в будущем», - процитировала Зурер.

Между 1986 и 1991 годами мировое потребление ХФУ -11, -12 и -113 упало на 40 процентов, быстрее, чем предписывалось Монреальским протоколом и даже быстрее, чем то, к чему призывали наиболее амбициозные Лондонские поправки к Монреальскому протоколу 1990 года, отметила Межправительственная группа экспертов по проблемам изменения климата. Американские производители, например, раньше других поверившие, что ХФУ уникальны и незаменимы, обнаружили, как быстро им удается переключиться на альтернативные процессы и химические продукты. Сокращение потребления ХФУ в развитых странах произошло вследствие следующих шагов: замены ХФУ в процессах производства аэрозолей (используются как агенты, способствующие распылению вещества) и пенопластов; использования водяных и полуводяных систем; использование технологий, не требующих промывания, например в производстве или сборке электроники или замены ХФУ на спиртосодержащие растворители; восстановления и рециклирования ХФУ в охладительных системах и замены их на другие, более экологически чистые вещества или на аммиак.

По мнению Межправительственной группы экспертов по проблемам изменения климата, даже если меры по контролю, предписанные Лондонскими поправками, будут выполнены всеми странами, «содержание хлора и брома в стратосфере будет увеличиваться в последующие несколько лет». Поэтому образование Антарктической озоновой дыры, вызванное промышленными фреонами, будет повторяться каждую весну. В дополнение к сказанному, свидетельства говорят о том, что фреоны несут также ответственность за разрушение озона стратосферы в средних и высоких широтах. Следует ожидать продолжения этого процесса в течение 90-х годов.

Причины очевидны - ХФУ, как было отмечено выше, являются долгоживущими веществами и остаются активными в атмосфере в течение десятилетий. Даже если сократится использование и выброс ХФУ в мире, то количества, которые уже попали в атмосферу и стратосферу будут еще долго разрушать молекулы озона.

23 апреля 1993 года группа ученых опубликовала статью в журнале «Наука» (Science), в которой написала, что самые низкие показатели по содержанию озона в мире пришлись на конец 1992-начало 1993 годов. Тогда уровень его содержания был на 4 процента ниже среднего за прошедшие 12 лет, и на 2-3 процента ниже за любой из наблюдаемых годов до 1979 года. Отмечались низкие количества озона в широком спектре широт как в южном, так и в северном полушариях. В средних широтах северного полушария (между 30° и 60°) содержание озона было на 9 процентов ниже нормы. На широте 60° к северу ученые отметили уровень на 14 процентов ниже нормы.

Эти данные напоминают о том, что потеря озона происходит не только на полюсах. Недавно разработанная теория утверждает, что вихревые потоки на полюсах (циркумполярные ветра) втягивают богатый озоном воздух с больших высот и затем включает этот воздух в глобальную циркуляцию на более низких высотах. Эта теория могла бы объяснить потерю озона в средних широтах в зимний период.

Даже если все государства в полном объеме выполнят все меры, предписанные Монреальским протоколом и Лондонскими поправками, современные уровни стратосферного хлора (от 3,3 до 3,5 частиц на миллиард) будут увеличиваться в 90-е годы и достигнут пика (приблизительно 4,1 частиц на миллиард) к 2000 году. IPCC пришел к выводу, что учитывая это увеличение, дополнительные потери озона в средних широтах в 90-х годах будут сравнимы с потерями, наблюдавшимися в 80-е годы.

По расчетам Межправительственной группы экспертов по проблемам изменения климата (IPCC), к 2000 году потери озона составят около 6 процентов в летний период и около 10 процентов зимой. Кроме того, в докладе IPCC 1992 года отмечено, что «возросшие в стратосфере уровни аэрозолей, содержащих серу, из естественных (вулкан Пинатубо) или антропогенных источников могут повлечь еще большие потери озона, так как они усиливают каталитический эффект хлор и бром содержащих химических веществ». Если перевести это на доступный язык, то увеличение выбросов, содержащих серу из дымовых труб, заводов и таких природных феноменов, как вулканы может привести к еще большей потере озона, поскольку озоноразрушающая способность хлора и брома будет усилена этими веществами.

За последние 10 лет содержание озона, поглощающего ультрафиолет, уменьшилось на 3-8%. Колоссальные прорехи, образующиеся в озоновом щите планеты, многие специалисты связывают с разрушительным действием фреонов - веществ, используемых в холодильной технике, и галонов, незаменимых при тушении пожаров. Монреальский протокол 1987 года обязал многие страны, в том числе и Россию, ограничить использование этих веществ, а затем и перейти на их заменители. Во всем мире уже истрачено на это около 100 млрд. долл. Расходы же нашей страны в ближайшее время должны были составить несколько десятков млрд. долл.

Несмотря на огромные затраты, прогнозы ученых оставались малоутешительными. Фреоны живут десятки лет, а потому озон - даже при условии строгого выполнения всех договоренностей - будет восстанавливаться до середины следующего столетия.

Однако тревожный тон по поводу дефицита озона в научных кругах недавно сменился некоторым замешательством. В России, например, сегодняшнее состояние озонового слоя вдруг оказалось в норме. Весной отмечались лишь кратковременные понижения содержания озона в Сибири и на Дальнем Востоке. В июне несколько таких дней было в Приазовье. И это при том, что начиная с 1995 года дефицит озона наблюдали надо всей территорией России: в отдельные дни «недостача» достигала 40%, подвижные «дыры» длительное время висели над севером европейской части нашей страны и Поволжьем.

Проплешины в озоновом слое ни с того ни с сего «сползли» к югу, дыры появились над экватором, где раньше колебания не превышали 6%. Дефицит озона до 20 и более процентов обнаружили над экваториальной областью планеты - в двух районах с центрами над Тихим океаном и Африкой. Специалисты Центральной аэрологической обсерватории Гидрометцентра (руководитель группы - профессор Черников), которые и обнаружили «дыры» над экватором, считают, что изменения в состоянии озонового слоя, в первую очередь, связаны с общими естественными изменениями климата на планете.

4. Источники поступления ХФУ в атмосферу

Как уже отмечалось ранее, особенности хлорфторуглеродов - их нетоксичность, стойкость к коррозии, негорючесть и стабильность (они не вступают в реакцию с большинством других веществ) сделали эти вещества идеальным продуктом для широкого применения. Использование ХФУ значительно возросло в 1950-1960-х годах и их производство в среднем увеличивалось на 10 процентов ежегодно, в течение трех десятилетий, пишут Шервуд и Роуленд в журнале «Амбио» в 1990 году.

Основные категории продуктов, содержавших ХФУ и галогены до введения ограничений, включают:

- жесткие пенопласты - используются в качестве изоляционных и упаковочных материалов;

- паралон - используется в мебельном производстве, в матрасах и автомобильных сидениях;

- холодильники - для охлаждения продуктов питания в быту и торговле;

- кондиционеры - в автомобилях и домах;

- растворители - для промывания электронных плат, металлических частей и соединений;

- больничные стерилизаторы;

- огнетушители (используют галоны);

- аэрозольные баллончики - фреоны использовались в качестве пропилентов (веществ, способствующих распылению содержимого) главным образом в Европе и Японии.

До введения в США, Канаде и Швеции в 1978 году запрета на использование ХФУ в аэрозолях, аэрозольное производство было крупнейшим потребителем ХФУ. Использование ХФУ в аэрозолях другими странами продолжалось еще довольно долго после того, как США, Канада и Швеция ввели запрет. Более того, мировое производство ХФУ продолжало увеличиваться еще в течение долгого времени после запрета 1978 года.

США, не нарушая запрета на использование ХФУ в аэрозолях, тем не менее остаются крупнейшим мировым потребителем хлорфторуглеродов. В 1989 году на долю США пришлось 29 процентов мирового потребления ХФУ. Автомобильные кондиционеры стали (еще в большей степени, чем аэрозоли) крупнейшим потребителем ХФУ. На их долю пришлось 16 процентов всех ХФУ, потребленных США в 1989 году. Эта практика должна прекратиться согласно Монреальскому протоколу и 1990 года поправкам к «Закону о чистом воздухе».

5. Воздействие на здоровье и окружающую среду

Озон в стратосфере защищает Землю от разрушительной ультрафиолетовой солнечной радиации. Разрушение озонового слоя позволит большему количеству солнечной радиации достигнуть поверхности Земли.

Каждый потерянный процент содержания озона в стратосфере приводит к увеличению интенсивности воздействия ультрафиолетовой солнечной радиации на 1,5-2 процента, по данным Агентства по охране окружающей среды США. Для человека увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения прежде всего опасно воздействием солнечной радиации на кожу и глаза.

Радиация с длиной волн в спектре от 280 до 320 нанометров - УФ лучи, которые частично блокируются озоном - могут вызвать преждевременное старение и рост числа раковых заболеваний кожи, а также поражение растений и животных.

Радиация с длиной волн больше, чем 320 нанометров, УФ спектра, практически не поглощается озоном и фактически необходима человеку для формирования витамина Д. УФ радиация с длиной волн в спектре 200 - 280 нанометров может вызвать серьезные последствия для биологических организмов. Однако излучение этого спектра практически полностью поглощается озоном. Таким образом, «ахиллесова пята» земной жизни - это излучение довольно узкого спектра УФ волн длиной от 320 до 280 нанометров. С сокращением длины волн усиливается их способность причинять вред живым организмам и ДНК. К счастью, способность озона поглощать ультрафиолетовую радиацию растет пропорционально сокращению длины волны излучения. Потенциальные последствия для здоровья человека с увеличением интенсивности ультрафиолетовой радиации описаны ниже:

5.1 Увеличение количества случаев заболевания раком кожи

По данным Агентства по охране окружающей среды США в случае разрушения озонового слоя увеличится частота трех видов рака кожи. Два наиболее распространенных типа рака кожи, это базальноклеточный рак (базалиома) и плоскоклеточный рак (шиповидный). Сегодня более 500 тысяч американцев ежегодно подвержены таким заболеваниям. В ранней стадии развития эти типы рака излечимы. Третий тип рака, саркома, встречается значительно реже, но это наиболее опасная форма. Ежегодно отмечается около 25 тысяч случаев этого заболевания. В пяти тысячах случаев саркома приводит к летальному исходу, что составляет 65 процентов всех смертей, вызванных всеми видами рака кожи вместе взятыми. Согласно данным Совета безопасности Российской Федерации, с 1970 по 1980 годы в СССР был отмечен рост всех видов раковых заболеваний кожи на 13 процентов и на 8 процентов в период с 1985 по 1986 годы (достигнув почти 80 тысяч). Совет безопасности предсказывает удвоение числа заболевших каждые восемь лет.

В то время, как ученые в основном согласны с тем, что повышенная УФ радиация вызывает базальноклеточный и плоскоклеточный рак кожи, связь между солнечной радиацией и саркомой не так очевидна. Для более мягких форм рака наблюдается прямая корреляция между временем, проведенным на солнце и возникновением заболевания - это чаще всего происходит у людей в возрасте 70-80 лет в местах, где кожа открыта для воздействия солнечного света (например, лицо и руки). Агентство по охране окружающей среды рассчитало, что увеличение УФ радиации на 2 процента приведет к увеличению случаев заболевания раком (не являющихся саркомой) на 2-6 процентов. Саркома, однако, встречается у более молодых людей и в местах не обязательно подверженных воздействию прямых солнечных лучей. Она имеет тенденцию появляться у людей, вообще не проводящих много времени на открытом воздухе.

Опасность развития саркомы прямо связана с чувствительностью кожи отдельного человека к солнечному свету (светлокожие люди более подвержены этому процессу, чем темнокожие). По данным Института экологической политики и Института по исследованиям энергии и окружающей среды, опубликованным в 1988 году в книге «Как спасти нашу кожу», жертвами такой формы рака становятся почти исключительно люди кавказского происхождения, особенно кавказцы со светлой кожей. Случаи возникновения саркомы были зарегистрированы в последние десятилетия у людей со светлой кожей по всему миру.

По подсчетам специалистов, солнечная радиация в Пунта-АрЭнас достигла таких размеров, что человек практически полностью обгорает буквально за несколько минут.

По сообщению Национального космического агентства NASA, озоновая дыра над Антарктидой продолжает увеличиваться.

Особенно сильное влияние дыра оказывает на один из чилийских городов - Пунта-АрЭнас, где уже сегодня показатели солнечной радиации настолько высоки, что местным жителям рекомендуется как можно меньше находиться на улице. По подсчетам специалистов, солнечная радиация достигла таких размеров, что человек практически полностью обгорает буквально за несколько минут.

Хотя местные власти настойчиво рекомендуют жителям по возможности не выходить из дома в течение дня, многие жители Пунте-АрЭнас весьма легкомысленно относятся к рекомендациям специалистов.

В этом году размеры озоновой дыры достигли рекордных размеров за последние 15 лет. Площадь озоновой дыры возросла до 29,3 миллиона квадратных километров, что в три раза больше территории Соединенных Штатов. Об этом в четверг сообщил исследователь атмосферы Стивен Вуд со ссылкой на данные Национального управления по аэронавтике и космонавтике США.

Другой новозеландский ученый отметил, что отколовшиеся от озоновой дыры фрагменты могут угрожать Аргентине и даже Южной Африке, а также - Австралии и Новой Зеландии.И хотя в настоящее время во всем мире запрещено использование веществ, разрушающих озоновый слой, полное исчезновение дыры следует ожидать не ранее 2050 года.