Наиболее часто задаваемые вопросы по поводу озонового слоя

Из Scientitfic Assessment of Ozone Depletion: 1994

Озона в атмосфере чрезвычайно мало - только 3 молекулы на 10 миллионов молекул воздуха. Тем не менее он играет жизненно важную роль в экологии фторы и фауны Земли.

Приводимые ниже ответы на наиболее общие вопросы относительно озона составлены на основании мнений 80 экспертов из 26 стран и таким образом выражают общепринятую в настоящее время точку зрения по этой проблеме.

               Атмосферный озон находится в основном в двух ее областях - стратосфере и тропосфере. В стратосфере находится около 90% всего озона и поэтому стратосферный озон называют еще озоновым слоем. Остальной озон находится в тропосфере, расположенной на высотах 0-10 км. Хотя и тот и другой озон химически совершенно идентичны, тем не менее роль озона в земной экологии существенно зависит от места его локализации.

               Стратосферный озон играет определяющую роль в поглощении биологически активного солнечного ультрафиолетового излучения (так называемого УФ-В излучения в диапазоне длин волн 280-320 нм), что обеспечивает достаточно низкий и биологически безопасный уровень этого излучения на земной поверхности. Поглощение этого излучения в стратосфере нагревает окружающий воздух, что, собственно, и создает саму стратосферу в соответствии с принятой температурной стратификацией атмосферы. Не будь озонового слоя - большая часть УФ-В излучения достигала бы земной поверхности, что губительным образом сказалось бы на флоре и фауне Земли.

               Тропосферный озон, содержащийся в приповерхностном слое, непосредственно контактирует с живыми формами, обнаруживая свои токсические свойства. Поскольку озон легко реагирает со многими молекулами, постольку он опасен для живых организмов и растений. Во многих экспериментах было убедительно доказано, что избыток озона снижает урожайность с.-х. культур, замедляет рост лесов и отрицательно сказывается на здоровье человека.

               В связи с этими обстоятельствами возникают две разные проблемы, связанные с атмосферным озоном. В тропосфере опасность представляет рост озона, который является основной компонентой городских смогов. Увеличение уровня поверхностного озона наблюдается повсеместно и в промышленно развитых районах. Однако концентрация озона в городских смогах намного меньше концентрации стратосферного озона.

               В стратосфере опасно истощение озонового слоя. Наземные и спутниковые измерения показали глобальное снижение уровня озона, которое в Антарктиде в сентябре и октябре достигает 60%. В более заселенных регионах уменьшение не столь значительно, но также имеет место. Одновременно наблюдается рост УФ-В излучения, которое ассоциирует с истощением озонового слоя.

               Данные разнообразных научных исследований, накопленные за два последних десятиления, доказывают, что именно антропогенные выбросы в атмосферу привели к образованию. Антарктической озоновой дыры и, по-видимому, к снижению уровня озона в других районах. Озоноразрушающие вещества содержат хлор, фтор, бром, углерод и водород в разных комбинациях и называются галоидуглаааеродами. Соединения, которые содержат только углерод, хлор и фтор, называют хлорфторуглеродами (ХФУ), или CFCs. ХФУ, четыреххлористый углерод и метилхлороформ составляют группу наиболее важных озоноразрушающих антропогенных веществ, широко используемых в холодильниках и кондицеонерах, в качестве полимерных наполнителей, для очистки в электронной промышленности и в качестве растворителей. Другую важную группу антропогенных озоноразрушающих веществ составляют халоны, содержащие углерод, бром, фтор и в некоторых случаях хлор, и используемые в качестве пожаротушащих веществ. В настоящее время производство этих соединений запрещено и создается производство озонобезопасных веществ.

               Естественной реакцией на любую новую проблему является желание найти лекарство и средства профилактики. В нашем случае возникают два вопроса - можно ли исправить нанесенный ущерб (имеется в виду озоновый слой) и можно ли предотвратить дальнейшее истощение озонового слоя. В связи с этими вопросами были изучены следующие возможности: (I) селективное удаление ХФУ из атмосферы; (II) перехват озоноразрушающего хлора до того, как он начинает разрушать стратосферный озон; (III) замена разрушенного стратосферного озона путем поставки его в стратосферу, например, из городского смога или из других источников.

               Поскольку озон быстро реагирует с другими молекулами, как это было отмечено выше, он слишком неустойчив, чтобы его можно было где-либо приготовить (включая городской смог) и затем транспортировать в стратосферу. Если же принять во внимание огромную массу атмосферы и количество разрушенного озона, то станет ясно, что попытка решить проблему таким путем является слишком дорогостоящей, слишком непрактичной и небезопасной для окружающей среды.

               Предотвращение дальнейшего истощения озонового слоя сейчас обеспечивается международными соглашениями в виде Монреальского протокола и поправок к нему, которые предусматривают прекращение производства и использование ХФУ в ближайшие несколько лет. В результате, как ожидают, через 50 лет или около того озоновый слой должен восстановиться, в то время, как содержание в атмосфере озоноразрушающих ХФУ м других веществ должно постепенно уменьшиться.

               Переходим теперь к рассмотрению вопросов, которые чаще всего задают в связи с проблемой сохранения озонового слоя.             

Как могут ХФУ достигать стратосферы, если они тяжелее воздуха?

               Хотя ХФУ действительно в несколько раз тяжелее воздуха, тем не менее тысячи измерений с помощью баллонов, самолетов и спутников убеждают нас, что они действительно присутствуют в стратосфере. Атмосфера не похожа на нечто застывшее и неподвижное. Ветры перемешивают атмосферу до высот, намного больше стратопаузы, с гораздо большей скоростью, чем скорость, с которой молекулы могли бы распределиться по высоте в соответствии с их весом. Такие газы, как ХФУ, которые нерастворимы в воде и химически неактивны в пределах тропосферы (т.е. ниже 10 км), быстро перемешиваются и достигают стратосферы независимо от их молекулярного веса.

               Важную информацию об атмосферной судьбе соединения могут дать сведения об изменении концентрации этого соединения с высотой. Так, например, два газа - четыреххлористый углерод (который выбрасывается в атмосферу при производстве алюминия) и ХФУ-11 - оба тяжелее воздуха. Четыреххлористый углерод в атмосфере абсолютно химически пассивен (по крайней мере в слое, где находится 99,9% атмосферы) и измерения показывают, что его распределение в атмосфере совершенно однородно (другими словами, его относительное содержание (еще говорят - отношение смеси) не изменяется с высотой. Аналогичным образом ведут себя другие, химически абсолютно устойчивые атмосферные компоненты, такие, как неон, который легче воздуха, и аргон, который тяжелее воздуха. Все они распределены совершенно однородно по высоте, независимо от их молекулярного веса.   ХФУ-11 химически устойчив в нижней атмосфере (ниже 15 км) и также однородно перемешан с воздухом. Когда этот газ достигает больших высот, его содержание уменьшается в результате разрушения под действием солнечного УФ-излучения. Хлор, который при этом выделяется из ХФУ-11 и других ХФУ, остается в стратосфере в течение нескольких лет, где он разрушает многие тысячи молекул озона. 

Что доказывает, что стратосферный озон разрушается хлором и бромом.         

          Лабораторные исследования показыают, что хлор быстро реагирует с озоном. Они показывают также, что высокореакционная частица, окись хлора, ClO, образованная в реакции хлора с озоном, принимает участие в других реакциях, которые приводят к регенерации атома хлора, порождая таким образом последовательность процессов, которая повторяется много раз. Такая последовательность реакций называется цепным процессом. Такие же реакции происходят между бромом и озоном.

               Но происходят ли они в реальной атмосфере? Полученные результаты показывают, что если температура и давление такие же, как в лабораторных экспериментах, то такие же процессы будут протекать и в природе. Однако в стратосфере протекают многие другие реакции с участием других частиц, что затрудняет объяснение наблюдаемых изменений. Тем не менее, всякий раз, когда хлор (и бром) оказываются вместе в стратосфере,  озоноразрушающие реакции обязательно происходят.

               Ингда небольшое число химических реакций оказываются настолько важными, что установить связи можно также легко, как и в лабораторных экспериментах. Такая ситуация возникает в Антарктиде, когда образуется озоновая дыра. В течение августа и сентября 1987 года - конец зимы и начало весны в Южном полушарии - самолет, оборудованный инструментами для измерения многих атмосферных компонент, много раз летал над Антарктидой. В числе других, измерялось содержание озона и окиси хлора - частиц, ответственных за протекание цепных химических реакций разрушения озона. В первом полете по направлению к Антарктиде с южной оконечности Южной Америки наблюдались относительно большие концентрации озона повсюду в Антарктиде. Однако в середине сентября инструменты зарегестрировали низкое содержание озона везде, где было много окиси хлора и наоборот. Более поздние полеты в сентябре зарегистрировали ещё меньшие концентрации озона, поскольку хлор продолжал реагировать с озоном.

               Независимые измерения, сделанные с помощью другого самолета, воздушного шара, спутников  и с поверхности Земли обеспечили возможность детально разобраться в химических реакциях, протеающих в антарктической стратосфере. Области с высокой концентрацией хлора имеют очень низкую температуру - до -80 ⁰С или -112⁰F, когда образуются стратосферные облака. Эти облака облегчают протекание других химических реакций, что приводит к появлению хлора при освещении атмосферы солнцем. Химические реакции на частицах облаков сейчас достаточно хорошо изучены в лабораторных условиях. Ученые изучают роль таких реакций на других широтах и участие в них частиц серной кислоты из вулканов и других источников.

Порожден ли хлор в стратосфере человеческой деятельностью или естественными источниками?

               Большая часть стратосферного хлора антропогенного происхожднения.

               Многие соединения, содержащие хлор, поступают в атмосферу на земной поверхности, однако те из них, которые растворяются в воде, не могут достичь стратосферы. Большое количество хлора появляется в атмосфере при испарении морских брызг в виде частиц соли (NaCl). Однако поскольку эти частицы легко растворимы в воде, такой хлор быстро поглощается в облаках каплями, снегом или  льдом и не достигает стратосферы. Другой источник хлора на поверхности - это плавательные бассейны и применение хлорных отбеливателей  в домашнем хозяйстве. Однако и этот хлор быстро выводится из атмосферы и не достигает в сколько-нибудь значительных количествах высот стратосферы. Вулканы выбрасывают в больших количествах HCl, однако она быстро превращается гидрохлорную кислоту в каплях дождя, в снеге или льде и не попадает в стратсоферу. Даже при извержении вулканов, когда выбрасываемые газы поднимаются на большую высоту, хлор вымывается с осадками и не достигает стратсоферы.

               В противоположность этому антропогенные ХФУ и четыреххлористый углерод (ССl₄) и метилхлороформ (CH₃CCl₃) не растворяются в воде, не реагируют со снегом или с другими естественными поверхностями и химически не разрушаются в нижней атмосфере. Хотя выбросы из Шаттла и некоторых других ракет вносят некоторое количество хлора непосредственно в стратсоферу, это количество относительно мало (менее одного процента от ежегодной прибавки от галоидуглеродов, в предположении 9 запусков Шаттла и 6 запусков Титана IV в год).  

               Самые разные аргументы были использованы для доказательства того, что антропогенные галоидуглероды являются основным источником стратосферного хлора. Во-первых, измерения показали, что хлорсодержащие соединения, которые поднимаются в стратосферу, произведены человеком (главным образом ХФУ, четыреххлористый углерод, метилхлороформ, и водородсодержащие заменители озоноопасных фреонов) с небольшим количеством природного метилхлорида (CH₃Cl) и природной HCl. Природный вклад сегодня намного меньше антропогенного (в целом антропогенные источники стратосферного хлора составляют 82%, а естественные остальные 18%, из которых на долю CH₃Cl приходится 15%, а на долю HCl - 3%). Во-вторых, в 1985 г. и 1992 г. в стратосфере были измерены практически все известные газы, содержащие хлор. Эти измерения показали, что все антропогенные источники с учетом добавки естественных источников могут объяснить содержание всех стратосферных хлорсодержащих соединений. В-третьих,  увеличение общего хлора в стратосфере с 1985 по 1992 годы соответствует увеличению концентрации антропогенных галоидуглеродов в течение этого периода.

Могут ли изменения солнечной энергии объяснить изменения озонового слоя?

               Стратосферный озон образуется солнечным ултрафиолетом, поэтому изменение его интенсивности могут повлиять на скорость образования озона. Действительно, излучаемая солнцем энергия, особенно энергия УФ-излучения, а также энергия, приносимая протонами и электронами, изменяется в течение известного 11-летнего цикла. Наблюдения в течение нескольких солнечных циклов (начиная с 60-х годов) показали, что общее глобальное содержание озона уменьшается на 1-2% при переходе от максимума к минимуму типичного солнечного цикла. Изменения в солнечной активности не могут быть ответственны за долговременные изменения озона, поскольку наблюдаемый отрицательный тренд намного больше 1-2%. Мало того, в течение периода с 1979 г. по 1991 г. солнечный цикл прошел от максимума в 1979 г. к минимуму в 1985 г. и снова к максимуму в 1991 г. Однако тренд озона был отрицательным в течение всего этого периода. Причем, озоновый тренд, представленный в настоящем и предыдущем обзоре (Assessement) рассчитывался с учетом влияния солнечного цикла.

Когда впервые появилась антарктическая озоновая дыра?

               Антарктическая озоная дыра представляет собой новое явление. На рисунке показано, что наблюдения за озоном на английской антарктической станции Halley Bay впервые обнаружили явное уменьшение озона в начале 80-х годов (по сравнению с уровнем 1957 года). Озоновая дыра образуется каждый год, когда наблюдается резкое отклонение в содержании озона (до 60%) в течение весенних (в Южном полушарии) месяцев сентября и октября. Наблюдения на трех других антарктических станциях, проводившиеся в течение такого же времени обнаружили те же весениие изменения озона в Антарктике. Было показано, что разрушение озона в антарктической дыре происходит под влиянием газов, содержащих хлор и бром, которые имеют антропогенное происхождение.

               До того, как была обнаружена антарктическая озоновая дыра, весенние уровни озона в Антарктике были на 30-40% меньше, чем весенние уровни озона в Арктике. Это естественное различие между условиями в Антарктике и Арктике было впервые обнаружено Добсоном в конце 50-х годов. Оно (различие) вознивает вследствие исключительно низких температур и другой картине ветров в Антарктике по сравнению с Арктикой. Это совсем другое явление, чем Антарктическая озоновая дыра, о которой говорилось выше.         

               Изменения в стратосферной метеорологии также не могут объяснить озоновую дыру. Измерения показывают, что стратосферная температура в прошлые декады в течение зимы была такой же, как и в годы развития дыры. В противоположность этому наземные, спутниковые и самолетные измерения показывают важность химических процессов с участием антропогенных хлора и брома в разрушении озона и образовании антарктической весенней озоновой дыры в последние годы.

               Было показано, что единственное сообщение о предельно низком локальном содержании озона зимой 1958 года в Антарктиде не соответствует приведенным здесь данным и другим надежным данным об измерении озона в Антарктиде.

Почему озоновая дыра наблюдается в Антарктиде, в то время как ХФУ выделяются главным образом в Северном полушарии?  

               Действительно, ХФУ выбрасываются в атмосферу главным образом в Северном полушарии, на широтах, где расположены Европа, Россия, Япония и Северная Америка. Такие газы, как ХФУ, которые нерастворимы в воде и химически пассивны в нижней атмосфере, полностью перемешиваются в нижней атмосфере ниже 10 км (имеется в виду весь земной шар) в течение одного-двух лет. ХФУ в этом хорошо перемешанном воздухе поднимаются в стратосферу преимущественно в тропиках. Ветры затем перемещают воздух по направлению к полюсам - к северному и южному - так, что воздух повсеместно в стратосфере содержит одно и то же количество хлора. Однако метеорология двух полярных областей существенно различна - из-за больших различий в свойствах земной поверхности в этих областях. Южный полюс является частью огромной земной территории, полностью окруженной водами океана. Эти условия способствуют образованию в стратосфере очень низких температур, которые в свою очередь приводят к образованию стратосферных облаков. Облака, которые образуются при низких температурах, приводят к химическим изменениям, которые промотируют быстрое разрушение озона весной, создавая явление антарктической озоновой дыры.

               В противоположность этому район Северного полюса не имеет симметрии суша-океан, характерной для Южного полюса. В результате стратосферный воздух Северного полюса обычно гораздо теплее, чем на Южном полюсе, и образование стратосферных облаков происходит в существенно меньшей степени. Поэтому разрушение озона в Арктике существенно меньше, чем в Антарктике.

Приводит ли истощение озонового слоя к росту ультрафиолетового излучения на поверхности Земли?

               Солнце излучает энергию в широком диапазоне длин волн, при этом около 2% излучается в форме  высокоэнергичного УФ-излучения. Некоторая часть этого излучения (УФ-В) особенно эффективна по отношению к живым организмам, вызывая загар кожи, рак кожи и ухудшение зрения у людей. Количество солнечного УФ-излучения, получаемое любой локальной областью на земной поверхности, зависит от высоты Солнца над горизонтом, количества озона в атмосфере над этим районом, а также от локальной облачности и загрязненности атмосферы.

               Ученые считают, что в отсутствие изменений облачности и загрязненности атмосферы уменьшение озона должно приводить к росту уровня УФ-излучения на поверхности.

               Огромное уменьшение озона наблюдалосб над Антарктидой в течение последней декады, особенно в сентябре и октябре, когда образуется озоновая дыра. В течение последних нескольких лет на станциях в Антарктиде проводились одновременные измерения озона и уровня УФ-излучения. Как это видно из рисунка, когда озона становится меньше, уровень УФ-излучения растет. Из-за озоновой дыры уровень УФ-излучения на станции Palmer Station в Антарктиде в конце 1993 г. был больше, чем в Сан Диего, Калифорния, в любое время в течение всего 1993.

               В районах, где наблюдалось не столь большое уменьшение озона, обнаружить рост УФ-излучения гораздо труднее. Выявление тренда этого излучения, ассоциируемого с уменьшением озона, затрудняется изменениями облачности, загрязненности атмосферы, а также трудностями, связанными с поддержанием измерительных приборов в идеальном состоянии в течение многих лет. До 1980 г. инструменты, обладающие необходимой точностью и стабильностью для измерения долговременных небольших трендов УФ-излукчения, не применялись. Однако недавно такие приборы были созданы и использовались на Антарктических станциях. Когда были проведены высокоточные измерения уровня УФ-излучения в других районах, вдали от городов с загрязненной атмосферой, то обнаружилось, что уменьшение озона всегда сопровождается увеличением уровня УФ-излучения. Данные, полученные в урбанизированных районах с помощью старых измерительных средств, представляются ненадежными, особенно в виду отсутствия информации об изменении облачности и загрязненности атмосферы в этих районах.          

Насколько сильно истощение озонового слоя сегодня и не ожидается ли, что оно будет ещё больше в будущем?

               Научные данные свидетельствуют, что истощение озонового слоя, вызванное антропогенными выбросами, продолжается (имеется в виду данные до 1994 года) и ожидается, что оно сохранится до тех пор, пока уровень атмосферного хлора и брома не станет уменьшаться. Данные мирового мониторинга свидетельствуют, что уменьшение озона происходило в течение последних двух декад или более. Глобально усредненные потери озона с середины 60-х годов составляют около 5%, с суммарными потерями около 10% зимой и весной и около 5% летом и осенью над такими регионами как Европа, Северная Америка и Австралия. С конца 70-х годов появилась весенняя озоновая дыра в Антарктиде с истощением озонового слоя порядка 60%. Это явление связано с большим ростом антропогенных галоидсодержащих соединений в атмосфере и есть масса свидетельств, что эти соединения ответственны за уменьшение озона и в других районах.

               В течение 1992-93 годов во многих районах озон уменьшился до рекордно низких отметок: весеннее уменьшение превышало 20% в некоторых населенных среднеширотных районах Северного полушария , а уровень озона над Антарктидой упал до самых низких отметок, когда-либо регистрирумых в этой области. Обычно большие изменения озона в 1992-93 г.г. связывают с извержением вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году. В результате этого извержения в стратосфере появилось большое количество сульфатных аэрозольных частиц, которые временно увеличили скорость разрушения озона антропогенным хлором и бромом. Недавние измерения показывают, что поскольку вулканический сульфатный аэрозоль покинул стратосферу, постольку стратосферная концентрация озона возвращается к уровню, обусловленному долговременным отрицательным трендом, наблюдавшимся до извержения Пинатубо.            

               В 1987 году понимание разрушительной роли хлора и брома по отношению к стратосферному озону стало основой Монреальского Протокола, предусматривающего уменьшение мирового производства озоноразрушающих веществ. Наблюдения дальнейшего итстощения озонового слоя стимулировали появление Дополнений к Протоколу, ужесточающих предусмотренных Протоколом требований. Дополнения, принятые в Копенгагене в 1992 году, содержали рекомендации прекратить производство наиболее опасных веществ к 1996 году. На рисунке показано как изменялся бы уровень антропогенных хлорных и бромных соединений а) без Монеальского Протокола; б) при выполнении Протокола; в) при выполнении Копенгагенских поправок к Протоколу. Без Протокола и его Дополнений дальнейшее использование ХФУ привело бы к утроению стратосферного содержания хлора и брома к 2050 году. Сегодняшнее понимание проблемы позволяет заключить, что в этом случае истощение озонового слоя было бы гораздо больше того, какое мы имеем сегодня. В противоположность этому, при выполнении международных соглашений, которые сейчас уменьшают и в конце концов исключат использование озоноразрушающих веществ, стратосферное содержание хлора и брома достигнет своего максимума в течение ближайших нескольких лет (имеется в виду состояние на 1993 год) и затем начнет медленно уменьшаться. При сохранении неизменными всех других условий содержание озона вернётся к соему нормальному (невозмущенному) уровню к середине следующего столетия.

               В заключение стоит подчеркнуть, что в последние годы наблюдалось существенное уменьшение озона и с большой вероятностью можно утверждать, что существенно большие глобальные изменения имели бы место в будущем, если бы не принятые меры по сокращению производства озоноразрушающих веществ. Однако принятое соглашение, которое получило всемирное одобрение, быстро уменьшает эмиссию таких соединений в атмосферу. В этих условиях озоновый слой будет постепенно восстанавливаться в течение следующих нескольких десятилетий. Это восстановление будет достаточно медленным, поскольку требуется значительное время, чтобы ХФУ были естественным образом удалены из атмосферы.