Разрушение озонового слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Атмосферный озон

1.1 Значение озона и его вертикальное распределение в атмосфере

1.2 История озоновой проблемы

2. Разрушение озонового слоя Земли

2.1 Основные озона разрушающие вещества

3. Защита озонового слоя земли

3.1 Мониторинг озона. Методы измерения содержания озона

3.2 Меры защиты озонового слоя

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Одной из наиболее важных современных проблем, связанных с воздействием антропогенных факторов на атмосферу Земли, является проблема сохранения озоносферы, которая защищает земную поверхность от биологически активного ультрофиолетового излучения Солнца и участвует в регулирование сложившегося стационарного баланса стратосферы.

Озоновый слой - это тонкий газовый слой в стратосфере, который защищает поверхность Земли от разрушительного эффекта солнечных ультрафиолетовых лучей.

Увеличение концентрации некоторых веществ в атмосфере Земли сопряжено с далеко идущими последствиями. Возможно возникновение экологических проблем мирового значения. К таким глобальным экологическим проблемам относятся парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислотные осадки.

Проблема сохранения озоносферы возникла много лет назад, что было обусловлено двумя причинами: ростом масштабов техногенных факторов воздействия на атмосферу, которые начали приближаться к масштабам естественных процессов, и расширением наших знаний в области химии атмосферы и в особенности в области элементарных химических процессов с участием свободных радикалов, атомов, ионов и возбужденных частиц, протекающих в земной атмосфере.

В связи с этим, целью данной курсовой работы, является выявление основных причин разрушения озонового слоя Земли и мер по его защите.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- показать историю развития озоновой проблемы;

- выявить основные причины разрушения и снижения концентрации стратосферного озона.

- показать основные пути решения защиты озонового слоя.

1. Атмосферный озон

1.1 Значение, функции и вертикальное распределение озона в атмосфере

Озон, несмотря на свое ничтожно малое количество, играет важную роль в физических процессах, происходящих в верхних слоях (стратосфере и мезосфере).

Озон сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию с длиной волны от 0,22 до 0,29 км. Коэффициенты поглощения озона в этом участке спектра настолько велики, что энергия солнечных лучей полностью поглощается уже в самой верхней части слоя озона, на высотах до 50 - 45км.

Ультрафиолетовые лучи обладают высокой биологической активность: они убивают многие виды бактерий, вызывают загар и даже ожоги человеческой кожи, содействует образованию в организме витамина D, способствующего росту и предупреждающего рахит.

Однако полезными оказываются лишь небольшие дозы ультрофиолетовой радиации. Если бы не было озона, то биологически активные ультрафиолетовые лучи совершенно изменили бы все биологические процессы, а может быть, и в целом органическую жизнь на Земле.

В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхности составляет в среднем 10-6%. Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода.

Слой озона удивительно тонок. Если бы этот газ сосредоточить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку лишь в 2- 4 мм толщиной (минимум - в районе экватора, максимум - у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас, почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация. Озон поглощает некоторую часть инфракрасного излучения Земли. Благодаря этому он задерживает около 20% излучения Земли, повышая отепляющее действие атмосферы.

Озон - активный газ и может неблагоприятно действовать на человека. Обычно его концентрация в нижней атмосфере незначительна и он не оказывает вредного влияния на человека. Большие количества озона образуются в крупных городах с интенсивным движением автотранспорта в результате фотохимических превращений выхлопных газов автомашин.

Озон, также, регулирует жесткость космического излучения. Если этот газ хотя бы частично уничтожается, то, естественно жесткость излучения резко возрастает, а, следовательно, происходят реальные изменения растительного и животного мира. Уже доказано, что отсутствие или малая концентрация озона может или приводит к раковым заболеваниям, что самым наихудшим образом отражается на человечестве и его способностью к воспроизводству. Распределение озона по высоте (до 30 км) было изучено с помощь спектрографов, поднимаемых на шарах-зондах. В последние десятилетия измерения с помощью спектрографов произведены на ракетах. Ракетные данные позволили изучить спектр солнечной радиации в ультрафиолетовом участке и распределение плотности озона по высоте.

Вертикальное распределение озона. Озон образуется, согласно теории, в основном в слое выше 25 км. В более низкие слои озон поступает благодаря турбулентному перемешиванию и вертикальным токам.

Озоновый слой (озоносфера) располагается в стратосфере приполярных широт на высоте 10 км от поверхности Земли и на высоте до 50 км вблизи экватора. Максимальная концентрация озона О₃ отмечается на высоте 20 - 25 км, где его содержание достигает максимума. В слое озоносферы озон находится в очень разреженном состоянии. Если бы можно было собрать весь озон, содержащийся в атмосфере, у поверхности Земли при давлении 101,3 кПа и температуре 20^о С, то толщина этого слоя составила бы около 3 мм. Его называют озоновым щитом Земли, так как он защищает все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.

Плотность озона, как показывают наблюдения, мала вблизи земной поверхности и в тропосфере. С увеличением высоты она возрастает и достигает максимума в среднем на высотах 20-25 км. Выше этого уровня концентрация озона убывает, практически обращаясь в нуль на высоте около 70 км.

Физические и химические процессы, под влиянием которых образуется озон в атмосфере, имеют достаточно сложную природу. В атмосфере одновременно происходят процессы образования и разрушения озона.

Скорость разрушения существенно зависит от температуры, возрастая вместе с ней. Установившееся распределение плотности озона будет наблюдаться тогда, когда наступит равновесие между процессами образования и разрушения озона. Равновесная концентрация озона зависит от температуры: чем ниже температура, тем выше равновесная концентрация озона, и наоборот.

1.2 История озоновой проблемы

С начала 20 века ученые наблюдают за состоянием озонового слоя атмосферы. Сейчас уже все понимают, что стратосферный озон является своего рода естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы жесткого космического излучения - ультрафиолета.

С конца 70-х годов ученые стали отмечать неуклонное истощение озонового слоя. Причиной тому стало проникновение в верхние слои стратосферы озоноразрушающих веществ (ОРВ), используемых в промышленности, молекулы которых содержат хлор или бром. Хлорфторуглероды (ХФУ) или другие ОРВ, выпущенные человеком в атмосферу, достигают стратосферы, где под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы теряют атом хлора. Агрессивный хлор начинает разбивать одну за другой молекулы озона, сам при этом не претерпевая никаких изменений. Срок существования различных ХФУ в атмосфере от 74 до 111 лет.

По мнению врачей, каждый потерянный процент озона в масштабах планеты вызывает до 150 тысяч дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6 процента увеличивается количество раковых заболеваний кожи, значительно возрастает число болезней, вызванных ослаблением иммунной системы человека. Наибольшему риску подвержены жители северного полушария со светлой кожей. Но страдают не только люди. Ультрафиолетовое излучение, к примеру, крайне вредно для планктона, мальков, креветок, крабов, водорослей, обитающих на поверхности океана.

Озоновая проблема, первоначально поднятая учеными, вскоре стала предметом политики. Все развитые страны, за исключением Восточной Европы и бывшего СССР, к концу 1995 г. в основном завершили поэтапное сокращение производства и потребления озоноразрушающих веществ. С целью оказания помощи остальным государствам был создан Глобальный экологический фонд (ГЭФ).

По данным ООН, благодаря согласованным усилиям мирового сообщества, предпринятым в последнее десятилетие, производство пяти основных видов ХФУ сократилось более чем вдвое. Темпы прироста озоноразрушающих веществ в атмосфере уменьшились.

Озон - особая форма кислорода - аллатропная модификация кислорода - был открыт в лабораторных условиях в 1830-х гг., а в 1850-м его обнаружили в атмосфере.

В течение XIX в. на территории Европы проводились замеры концентрации озона у поверхности земли, и следует отметить, что содержание этого газа в воздухе над Парижем составляло, по данным 1873г., половину сегодняшнего. Это свидетельствует о глобальном увеличении содержания озона, сильного окислителя, у поверхности Земли.

К 1920г. Гордон Добсон из Оксфордского университета и его ассистент Ф.А. Линдеман (позже - лорд Червелл) выяснили, что наибольшая концентрация озона содержится в стратосфере, и по сей день его содержание измеряется в «единицах Добсона». В 1948г. была учреждена Международная комиссия по проблемам озона для изучения свойств и значения этого газа. До сих пор к исследованию озона побуждал чисто научный интерес, и ни у кого не возникало и мысли о том, что все это имеет важное значение для будущего человечества. Лишь в 1957г. - так называемом Международном геофизическом году, - когда мир потратил около миллиарда долларов на исследования природных процессов, положено начало длительной работе по измерению и контролю за концентрацией озона.

Первые признаки проблемы появились в 1970-х, когда данные по концентрации озона в стратосфере над Антарктикой стали вызывать серьезное недоумение. Датчики регистрировали исчезновение озона в феноменальной прогрессии. Так, в 1955г. воздух над Антарктикой содержал 320 единиц Добсона, в 1975г. - 280, а к 1995г. - лишь 90.

Рис - Изменение озоновой дыры:

По сравнению с относительной стабильностью уровня озона в воздухе в других районах, данные по Антарктике представлялись настолько странными, что целое десятилетие их считали следствием какой-то технической неполадки. Лишь в 1974г. трое ученых - Пол Крутцен, Ф. Шервуд-Роланд и Марио Молина - приступили к обоснованию того, что озоновый слой действительно истощается, а причина этого - химикаты, производимые в результате человеческой деятельности.

«Дыра» в озоновом слое представляет собой область атмосферы, концентрация озона в которой составляет менее 220 единиц Добсона. К 2000 г. эта «дыра» превратилась в огромный разрыв, охватывающий площадь в 28 миллионов км², а вокруг распространилась область с пониженной концентрацией озона, охватывающая большую часть пространства над земным шаром, южнее 40 ° южной широты. К 1990 г. образовалась вторая «дыра», в этот раз над Арктикой. Даже над тропическими широтами концентрация озона снизилась в среднем на 7%.

В связи с проблемой истощения озонового слоя было высказано несколько гипотез, согласно которым некоторые вещества - продукты деятельности человека - достигнув стратосферы, могут вызывать разложение озона.

В 1970 г. немецкий ученый Пауль Крутцен предположил, что причиной разрушения озона является N₂O - оксид диазота, который в атмосфере превращается в NO - оксид азота (П). Последний непосредственно участвует в каталитической реакции разрушения озона. В следующем 1971 г. химик из Калифорнийского университета в Беркли (США) Гарольд Джонстон высказал мысль, что оксиды азота, содержащиеся в выбросах реактивных двигателей сверхзвуковых самолетов, могут вызывать уменьшение количества озона в стратосфере. В декабре 1973 г. химики из Калифорнийского университета в Ирвине (США) Шервуд Роуленд и Марио Молина высказали мнение, что хлорфторуглеродные соединения (ХФУ) могут постепенно достигать стратосферы и разрушать озоновый щит.

В 1977 г. в рамках Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) проведена Первая международная конференция по проблеме истощения озона.

В 1985 г. была опубликована историческая статья, объявившая о появлении в Южном полушарии озоновой «дыры». Фотоснимки, сделанные из космоса, показали наличие над Антарктидой огромной «дыры», равной по площади территории США. Под «дырой» не следует понимать то, что в данной области совсем нет озона. Отмечено лишь сильное утончение его слоя.

В том же 1985 г. участники международных переговоров в Вене подписывают Венскую конвенцию об охране озонового слоя, призывающую страны к проведению дополнительных исследований и обмену информацией по сокращению озонового слоя. СССР присоединился к Венской конвенции в 1986 г.

В 1986 г. тринадцать американских ученых совершают Национальную озоновую экспедицию в Антарктиду, результаты которой позволяют заключить, что потеря озона в этом районе, вероятно, вызвана химическими веществами.

В 1987 г. сто пятьдесят американских ученых совершают вторую экспедицию в Антарктиду, в результате которой сделан вывод о том, что первопричиной сокращения озонового слоя являются хлорсодержащие химические соединения. В октябре 1987 г. озоновая «дыра» над Антарктидой стала больше, чем в 1985 г. Дефицит озона уже составлял почти 50%.

Следующим шагом после Венской конференции стало подписание 16 сентября 1987 г. Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой. Это международное соглашение устанавливает графики поэтапного сокращения производства и использования озоноразрушающих веществ (ОРВ). Страны-участницы согласились заморозить производство и потребление ХФУ к 1990 г. на уровне 1986 г., провести 20%-ое сокращение к 1 января 1994 г. и следующее 30%-ое - к 1 января 1999 г. В 1987 г. Монреальский протокол (МП) подписали 36 стран, к июню 1995 г. - почти 150 стран, а на юбилейной встрече в Монреале в сентябре 1997 г. таких стран было уже 163. СССР подписал Монреальский протокол в 1988 г.

День принятия Монреальского протокола - 16 сентября - по инициативе ЮНЕП с 1995 г. объявлен ООН Международным днем защиты озонового слоя.

После открытия озоновой «дыры» над Антарктидой (1985 г.) исследования по содержанию озона продолжались. Они проводились не только в Южном, но и в Северном полушарии. В 1988 г. появилось сообщение, что над Северным полушарием за период 1968-1986 гг. обнаружены потери от 1,7 до 3% озонового слоя. Установлено наличие озоновой «дыры» и над Арктикой, однако меньшей по размерам, чем над Антарктидой.

В 1989-1992 гг. проведено несколько международных экспедиций по исследованию озонового слоя над Арктикой, в которых активное участие принимали ученые нашей страны. Выявленные озоновые «мини-дыры» особенно часто появлялись над европейским сектором Арктики и севером Европы и Атлантического океана. Однако в отличие от Антарктиды эти «мини-дыры» были менее интенсивными, меньше по площади и смещались на значительные расстояния за недолгое время своего существования. Это объясняется тем, что зимний полярный вихрь слабо устойчив и в отличие от антарктического обменивается массами воздуха со стратосферой соседних широт, откуда приходит более теплый и богатый озоном воздух. Однако арктические «мини-дыры» могут вызывать более серьезные последствия в густонаселенной Северной Европе, чем более сильная озоновая дыра в пустынной Антарктиде.

Встречи сторон Монреальского протокола на правительственном уровне происходят ежегодно. На таких встречах принимаются новые поправки к МП, все более ограничивающие производство и использование озоноразрушающих веществ. Так, в июне 1990 г. в Лондоне представителями 92 государств (в том числе и нашей страны) подписано дополнение к МП, предусматривающее полное прекращение производства ХФУ к 2000 г. Этот документ называют Лондонским протоколом.

Озоновая проблема обсуждалась и на Конференции ООН по окружающей среде и развитию, состоявшейся в июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро (Бразилия) с участием глав государств и представителей из 179 стран мира. В документах конференции отмечено, что «озоновый слой в стратосфере планеты продолжает уменьшаться из-за выбросов в атмосферу хлорфторуглеродов и других веществ, содержащих химически активные соединения хлора и брома... Необходимо разработать безопасные заменители этих химических веществ и проследить за тем, чтобы они были доступны как развитым, так и развивающимся странам».

Ежегодно наша планета Земля теряет около 0,5% озонового слоя. За последние 10-15 лет его содержание уменьшилось примерно на 7%, и отмечается нарастающая интенсивность этого процесса. Наибольшие потери стратосферного озона раньше приходились на каждую антарктическую весну (октябрь), но сейчас и в северных широтах исчезает около 10% озона зимой и весной и около 5% летом и осенью. В первой половине 1997 г. возникла громадная по своим масштабам озоновая «дыра» площадью ~30 млн. км² над всей Арктикой, включая север Европы, Канады, Гренландию, Балтийское море, северные области Сибири вплоть до Урала и Байкала. Среднемесячное уменьшение озона весной достигало здесь 30-40%. Над Южным полушарием за 5 лет (1993-1998) «дыра» увеличилась в два раза, достигнув площади 22 млн. км². Полученные данные полностью подтверждают теорию химического разрушения озонового слоя.

Но как же образуется озон и почему он так важен? Кислород, который поддерживает жизнь в организме человека, состоит из двух атомов, соединенных вместе. В атмосфере, на высоте от 10 до 50 км над нами, под воздействием ультрафиолетового излучения (УФ) к молекуле О₂ порой присоединяется третий атом кислорода. В результате образуется трехатомная молекула небесно-голубого газа, известного как озон. Этот газ нестабилен, так как неизменно теряет свой третий атом, но солнечный свет постоянно создает новые молекулы, поэтому в атмосфере всегда находится определенное количество молекул озона - примерно 1 из 100 000 молекул кислорода в неповрежденной атмосфере. Концентрация озона в стратосфере в 6 раз выше, чем в воздухе на уровне моря, тем не менее, если весь стратосферный озон сконцентрировать у поверхности, он образует слой толщиной лишь в 3 мм.

Исчезновение озонового слоя началось задолго до того, как это обнаружили. Фторуглероды, к которым относятся хладоны, были изобретены химиками для целей промышленности в 1928 г. и оказались очень полезными для замораживания, изготовления пенопласта, в качестве сжатой жидкости в аэрозольных баллончиках и в кондиционерах. Их высокая химическая устойчивость (они не вступают в реакцию с другими веществами) убедила людей, что воздействие фторуглеродов на окружающую среду минимально, и данные вещества стали активно использовать в промышленности.

К 1975 г. использование одних лишь аэрозолей привело к выбросам в атмосферу 500 тысяч тонн вещества, насыщенного фреонами. К 1985 г. глобальное использование основных типов фреонов оценивалось в 1 800 000 тонн. Их стабильность как раз и была основным вредным фактором, так как они очень долго находились в атмосфере.

Фреоны легко испаряются и, попав в воздух, лишь по истечении пяти лет достигают стратосферы, где УФ-излучение медленно разрушает их, заставляя хлор выделяться из этих соединений. Именно хлор наиболее вреден для озонового слоя: лишь 1 атом способен уничтожить 100 000 молекул озона, и быстрее всего это происходит при температуре ниже - 43°С. Именно поэтому первая озоновая дыра появилась над Южным полюсом, где температура стратосферы составляет -62 °С. По сравнению с этой температурой - 42 °С в воздухе над Северным полюсом - довольно тепло, и поэтому потребовалось больше времени, чтобы хлор проделал дыру в озоновом слое и там.

Джеймс Лавлок, выдвинувший гипотезу Гайи, работал одно время самостоятельно, независимо от научных учреждений: он изобрел также прибор для определения уровня фреонов в атмосфере. Не найдя средства для осуществления проекта, Лавлок изготовил прибор из подручных деталей в своем гараже, после чего взял свое хитроумное изобретение в путешествие по Антарктике. Несмотря на большое количество сделанных замеров, Лавлок обнаружил настолько мизерное количество вредных химикатов в атмосфере, что поначалу счел свои труды напрасными. Но в 1973 г., в ходе случайной встречи с доктором Махта, во время перерыва на одной из конференций, он осознал всю важность своих исследований.

Молина выяснил, что из-за фреонов уровень хлора в атмосфере вырос в пять раз. Это само по себе весьма плохо, и лишь по воле случая наш мир не погрузился 30 лет назад в весьма жестокий природный кризис, который, возможно, привел бы к коллапсу социальных систем. Это могло произойти, если бы промышленность активно использовала бром вместо хлора.

Бром и хлор взаимозаменяемы при использовании для многих целей, и тот факт, что предпочтение было отдано хлору, объясняется экономически: бром стоит дороже (и кроме того, более реактивен), поэтому при сходных затратах на базе брома получают меньше фторуглеродов.

Хотя бром сохраняется в атмосфере лишь в течение 1 года (тогда как хлор - в течение пяти лет), он в 45 раз опаснее для озонового слоя, нежели хлор, поэтому озоновый слой мог быть полностью уничтожен им еще до того, как Шервуд-Роланд закончил свою работу, удостоенную Нобелевской премии. Чтобы понять, как близко подошел мир к этой катастрофе, следует обратить внимание на то, как бром используется в промышленности.

Что же могло произойти, если бы бромсодержащие хладоны шире, чем фреоны, использовались в промышленности? Ущерб, нанесенный фреонами, лишь тень предполагаемых последствий. Сегодня, из-за «дыры» в озоновом слое, образовавшейся в результате воздействия фреонов, люди, живущие южнее 40 ° южной широты, страдают от резкого роста случаев рака кожи. На 53 ° южной широты расположен город Пунта-Аренас (Чили), самый южный город Земли. С 1994 г. заболевания раком кожи в этом городе резко возросли, составив 66 %. Даже на более северных широтах, ближе к самым заселенным районам, изменения в частоте заболеваний раком кожи очевидны. В Америке, например, вероятность заболевания меланомой 25 лет назад составляла 1 к 250. Сейчас это соотношение - 1 к 84. Ультрафиолетовое излучение также вызывает заболевания глаз, и эти случаи также участились. По данным исследований, люди - да и все живые существа, у которых есть глаза, - столкнутся с ростом случаев заболеваний катарактой на 0,5 % с каждым уменьшением концентрации озона на 1 %. Сейчас 20 % катаракт - следствие воздействия УФ-излучения, количество случаев слепоты, вызванной катарактами, растет быстро, особенно у тех, кто пренебрегает соответствующими средствами защиты. Третий мощный удар по человеческому здоровью обусловлен свойством УФ-излучения наносить вред иммунной системе. Это проявится в общей подверженности заболеваниям. У наиболее уязвимых народов, таких как эскимосы, эти последствия уже ощутимы.

Многие морские виды так уязвимы, что без стратосферного озона они начнут быстро вымирать, ускоряя коллапс океанских экосистем. Мы уже рассматривали крайнюю уязвимость личинок земноводных к возросшей интенсивности УФ - излучения.

Их судьба - лишь один из первых признаков того, что может произойти на суше, - ведь уязвимы все природные экосистемы. Сельское хозяйство не избежит вредных последствий. Урожай сельскохозяйственных культур, таких как горох и бобы, уменьшается на 1% соответственно с усилением интенсивности УФ-излучения на 1%.

Если бы человечество сочло использование брома вместо хлора более дешевым, то, скорее всего, ко времени, когда Пол Крутцен и его коллеги завершили свои исследования, мы все были бы свидетелями беспрецедентного увеличения числа заболеваний раком, слепоты и тысячи других заболеваний, у нас возникли бы проблемы с обеспечением продовольствием, и в результате цивилизация находилась бы в глубочайшем стрессе. И мы не догадывались бы, в чем причина этих несчастий, пока не стало бы слишком поздно что-либо предпринимать.

Через десятилетие после опубликования Крутценом и его коллегами результатов их исследований, выявляющих взаимосвязь фреонов и изменений в озоновом слое, проблема продолжала усугубляться, однако другим ученым не удавалось достоверно подтвердить выводы Крутцена. Тем не менее, когда цветные изображения озоновых дыр появились на телевизионных экранах по всему миру, тысячи людей убедились, что все же необходимо предпринять какие-то действия, пусть даже из простой предосторожности. Государственных деятелей завалили письмами с требованиями запретить вредные химикаты. «Дюпон де Немур», компания, выпускающая продукцию химической и нефтехимической промышленности, продукты переработки угля, разнообразные потребительские товары, широко применяла вредные химикаты в процессе производства. В ответ ею и другими компаниями была запущена крупная PR-акция, нацеленная на то, чтобы опровергнуть существование тогда еще слабо доказанной связи между их деятельностью и проблемой озонового слоя. Это принесло определенный успех, ведь наука в то время еще не представляла убедительных доказательств вредного воздействия фреонов.

Однако к 1987 г., когда сообщили, что есть научно подтвержденная связь между фреонами и уменьшением концентрации озона, появился импульс к подготовке Монреальского протокола. Подписав его, правительства стран мира обязывались постепенно сокращать использование вредных химикатов.

Сегодня мы понимаем, как важно, что Монреальский протокол был успешно принят.

Если бы этого не произошло, к 2050 г. средние широты Северного полушария, где обитает большинство населения земного шара, потеряло бы половину озона, защищающего от УФ-излучения, тогда как соответствующие потери этих же широт Южного полушария составили бы 70 %. Только благодаря принятию протокола, к 2001 г. реальный ущерб озоновому слою сократился на 1/10.

Требования Протокола, с момента их вступления в силу, дважды ужесточались - в 1990 г. и в 1992 г. И, как ни странно, уменьшение выбросов фреонов было достигнуто без потерь для промышленных предприятий и мировой экономики в целом.

Трудно поверить, что государственное регулирование может быть полезно для экономики, но обратите внимание, как «Нортел», американская телекоммуникационная компания, извлекла из него выгоду. Она использовала химикаты в качестве очищающих агентов. Ограничение на использование вредных для озонового слоя веществ побудило компанию разработать принципиально новые очистные установки. В конце 1980-х ей было предписано вложить 1 миллион долларов в новое аппаратное оборудование, но благодаря новым очистным системам компании удалось сэкономить 4 миллиона долларов. Более того, в результате быстрого применения США регулятивных мер для снижения выбросов фреонов американские фирмы получили преимущество, так как раньше других стран пошли по пути применения альтернативных химикатов.

Как и в случае с Киотским протоколом, не все страны сразу подписали Монреальский. Так, Китай продолжает активно использовать фреоны, и лишь в 2010 г. вступит в силу ограничение, предписывающее этой стране сократить выбросы.

Несмотря на подобные исключения, принятие Монреальского протокола - ключевой момент в развитии человеческого сообщества, так как это первый крупный шаг в борьбе с проблемой глобального загрязнения окружающей среды.

Сегодня есть проблески надежды, что мы решим эту специфическую проблему, ведь к 2004 г. озоновая дыра над Антарктикой уменьшилась на 20 %. Тем не менее, поскольку размеры дыры постоянно изменяются из года в год, у нас нет уверенности, что это уменьшение предвещает разрешение проблемы. Однако ученые надеются, что через 50 лет концентрация озона восстановится до первоначального состояния.

Конечно, страны мира давно уже имели возможность создать простой механизм для борьбы с изменениями климата. И поначалу действительно был огромный энтузиазм в подготовке международного договора для ограничения выбросов парниковых газов. Что же произошло?

В 1996 г. ученые Шервуд Роуленд, Марио Молина из Калифорнийского университета в США и Пауль Крутцен из Института химии им. Макса Планка в Германии были удостоены Нобелевской премии за установление причин снижения концентрации стратосферного озона. Они смогли доказать, что основными разрушителями озона являются атомы хлора или брома, отделившиеся от молекул галогенированных углеводородов под действием солнечной радиации.

2. Разрушение озонового слоя земли

Изучив историю озоновой проблемы и географию озоновых «дыр», перейдем к рассмотрению физико-химических аспектов этой проблемы. Еще раз убедимся, что экология - интегративная наука. Выясним, какие химические реакции лежат в основе образования и разрушения озона в стратосфере.

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%.

По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у g-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. Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при увеличении интенсивности жесткого УФ может серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жесткому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они. Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится, человечество легко найдет способ защититься от жесткого УФ-излучения но при этом рискует умереть от голода.

2.1 Основные озона разрушающие вещества

К числу основных озоноразрушающих веществ (ОРВ) относятся:

- хлорфторуглероды (ХФУ, международное обозначение CFC - chlorofluorocarbon), такие как фтортрихлорметан CFC13 (ХФУ-11, или CFC-11), дифтордихлорметан CF2C12 (ХФУ-12, илиСРС-12) и др.;

- фторхлорбромуглероды, иначе называемые галонами, такие как дифторхлорбромметан CF2ClBr (галон-1211) и трифтор-бромметан CF3Br (галон-1301);

- гидрохлорфторуглероды (ГХФУ, международное обозначение - HCFC), в них не все атомы водорода замещены галогенами (например, дифторхлорметан CHC1F2);

- метилбромид СН3Вг, метилхлороформ СН3СС13 (МХФ) и четыреххлористый углерод СС14 (ЧХУ).

Из перечисленных веществ главными виновниками разрушения озона являются ХФУ и галоны.

Дадим краткую характеристику этим веществам, назовем области их применения. Хлорфторуглероды (ХФУ) имеют и другие названия: хлорфторметаны, хладоны, фреоны. Они относительно химически инертны (нереакционноспособны), негорючи, малотоксичны, просты в производстве и хранении, очень летучи, практически нерастворимы в воде и хорошо растворимы в органических растворителях. Более того, являясь газами при комнатной температуре, они сжижаются при небольшом давлении с выделением тепла, а испаряясь, вновь его поглощают и охлаждаются. Благодаря этим свойствам ХФУ широко используются в технике.

- Первоначально ХФУ стали использовать как хладагенты в холодильниках и кондиционерах воздуха. Поскольку эти изделия ломаются и в конце срока эксплуатации выбрасываются, содержащиеся в них ХФУ попадают в атмосферу.

- Другая область применения - ХФУ как пропелленты (распылители) в аэрозольных упаковках различного назначения.

- Следующая важнейшая область их применения - производство пористых пластмасс (пенопластов). ХФУ растворяют в жидких пластмассах при повышенном давлении (они хорошо растворимы в органических веществах). Когда давление понижают, они вспенивают пластмассу, так как растворимость их уменьшается, и при этом улетучиваются в атмосферу.

Галоны уже в середине 1940-х гг. стали применяться как эффективные средства пожаротушения. Галон-1301 и сейчас широко используется пожарными службами многих стран.

В России к концу XX столетия сложилась следующая структура использования озоноразрушающих веществ (ОРВ) по секторам потребления, связанным с промышленным производством:

1 - аэрозольные упаковки - 46%;

2 - холодильная техника (бытового, торгового и промышленного назначения) и кондиционеры - 27%;

3- средства пожаротушения - 14%;

4 - пенопласты - 11%;

5- растворители - 2%.

Каким же образом эти вещества распространяются в атмосфере и разрушают озоновый слой?

Высокая химическая устойчивость фреонов и плохая растворимость их в воде (они не вымываются дождем) позволяют этим веществам высоко подниматься в атмосфере. Оказавшись вблизи поверхности Земли, фреоны беспрепятственно проходят тропосферу, т. е. первые 10-15 км воздушного пространства, и оказываются в стратосфере, где сосредоточено 90% атмосферного озона. Путь в стратосферу непрямой, поскольку фреоны, как и все другие соединения, могут попасть в стратосферу с поверхности Земли только с тропическими конвективными потоками. До тропиков вещества переносятся приблизительно месяц. Движение вверх по тропосфере до высоты 10-15 км за счет конвекции занимает несколько суток, иногда несколько часов. Но чтобы оказаться на высоте 35 км, веществам требуется 15 лет. Отсюда следует, что влияние на озоновый слой могут оказать только такие вещества, время жизни которых в атмосфере превышает несколько десятков лет. Именно такими веществами являются фреоны. Время их жизни составляет 50 и более лет. По оценкам Роуленда и Молины, хлорфторуглеродам нужно от 50 до 100 лет, чтобы накопиться в стратосфере.

Итак, еще раз остановимся на экологических последствиях разрушения озонового слоя, который защищает все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Защитная роль озонового слоя объясняется тем, что озон поглощает коротковолновое солнечное УФ-излучение совершенно в том же диапазоне длин волн, что и молекулы живых клеток. В результате биологически опасное УФ-излучение поглощается в атмосфере, не достигая поверхности Земли.

Уменьшение содержания озона позволяет большему количеству УФ-лучей достигать поверхности Земли, что является вредным для живых организмов. Рассмотрим возможные экологические последствия разрушения озонового слоя. Потеря озона в стратосфере с одновременным увеличением его в тропосфере может привести к изменению климата. Разрушение озона вызывает снижение температуры в стратосфере и разогревание тропосферы, так как все большее количество УФ-лучей проникает в нее. Вспомним также, что О₃ относится к парниковым газам и его образование в тропосфере происходит при загрязнении её оксидами азота и углеводородами, что ведет к повышению температуры. Кроме того, хлорфторуглероды, являясь парниковыми газами, также поглощают ИК-излучение и тем самым участвуют в создании парникового эффекта. Таким образом, перераспределение озона между тропосферой и стратосферой будет сопровождаться климатическими изменениями.

Усиление УФ-облучения оказывает вредное воздействие на здоровье человека. Имеется много данных о связи солнечного света рака кожи. Известно, что даже при небольшом повышении дозы УФ-облучения у человека появляются ожоги на коже. Солнечная радиация способствует также старению кожи. Усиление УФ-облучения вызывает увеличение заболеваемости раком кожи. За последнее десятилетие XX в. частота таких заболеваний у жителей США и Европы возросла в несколько раз. Это связано не только с увеличением доли УФ-облучения, но и с изменением образа жизни людей, которые стали больше времени проводить на солнце.

3. Защита озонового слоя земли

3.1 Мониторинг озона. Методы измерения содержания озона

Систематические измерения содержания озона в атмосфере начались в Англии и Швейцарии в 1926 г. Позднее начала формироваться мировая озонометрическая сеть, а в 1960-е гг. она появилась и в нашей стране. К концу 1990-х гг. в мире уже насчитывалось около 120 озонометрических станций, из них около 40 - на территории России.

В первые годы измерение озона осуществляли преимущественно с помощью наземных спектрофотометров Добсона. Этот старейший разработанный Дж. М. Б. Добсоном инструмент стал использоваться с 1931 г. метеорологами для слежения за движением воздушных масс и измерений содержания озона. Принцип данного метода состоит в определении доли ультрафиолетового излучения Солнца, достигающего поверхности Земли. Поскольку О3 поглощает ультрафиолетовые лучи, уменьшение его количества соответствует усилению ультрафиолетового облучения земной поверхности. Точность этого прибора при благоприятных метеоусловиях составляет 1-3%. Этим методом, например, пользовались английские исследователи под руководством Джо Фармана в 1980-е гг. на британской антарктической станции Халли-Бей. В России широко используются фильтровые озонометры.

Вертикальное распределение концентрации озона исследуют с помощью озонозондов, поднимаемых на аэростатах до высоты 20-35 км.

Глобальное распределение озона изучают также с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли, например на американских серии «Нимбус» или российских серии «Метеор». Так, группа исследователей Дональда Хита из Годдардовского центра космических полетов НАСА использовала спутник «Нимбус-7». Цветные слайды, полученные ими с помощью компьютеров в 1979-1983 гг., показали наличие над Антарктидой озоновой «дыры», о которой заявила английская группа Джо Фармана только в 1985 г.

В России проводятся систематические наблюдения за общим содержанием озона (ОСО) сетью наземных озонометрических станций, а также путем измерений прибором ТОМС со спутника «Метеор-3».

В последнее десятилетие ушедшего века измерения содержания озона проводились с помощью российских стратосферных самолетов, ранее используемых в военных целях. В их числе М-17, созданный под руководством генерального конструктора В. М. Мясищева, и его модификация М-55, разработанная Экспериментальным машиностроительным заводом (ЭМЗ) им. В. М. Мясищева. Эти летательные аппараты представляют собой выдающиеся образцы мировой авиационной техники. Уже в 1990 г. самолетом М-17 «Экологический интернационал» проведены первые исследования состояния атмосферы с целью определения содержания в ней озона. Эта работа проводилась в рамках проекта «Глобальный резерв озона», организаторами которого были объединение «Ноосфера», ЭМЗ им. В. М. Мясищева и Московская патриархия. Самолет М-55 также получил новое назначение и название «Геофизика». В переоборудовании самолета принимали участие ученые Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета и Института космических исследований Российской академии наук (РАН).

В 1994 г. комиссия по научно-техническому сотрудничеству между Российской Федерацией и Итальянской Республикой одобрила международный проект создания на базе советского высотного самолета-разведчика М-55 летающей лаборатории для проведения всестороннего мониторинга атмосферы Земли, в частности стратосферного озона. В декабре 1996 г. - январе 1997 г. состоялась первая международная научная экспедиция по изучению озонового слоя в Арктике с помощью самолета-лаборатории М-55 «Геофизика». Создание подобной летающей лаборатории - это вклад России в выполнение ее обязательств по Венской конвенции и Монреальскому протоколу. Мониторинг озона как в верхних слоях атмосферы, так и в приземном слое в нашей стране осуществляет Росгидромет и в первую очередь его ведущие институты - Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО), Главная геофизическая обсерватория и Институт прикладной геофизикии им. академика Е. К. Федорова.

Проблемой озонового слоя занимаются также многие научно-исследовательские институты РАН, например Институт космических исследований, Физический институт, Институт химической физики, Институт физики Земли.

Мониторинг содержания озона, проводимый в нашей стране, позволяет дать следующую характеристику озонового слоя над территорией России в последнее десятилетие XX в.

Если в 1970-1980 гг. снижение общего содержания стратосферного озона (ОСО) над Россией происходило эпизодически, то в 1990-х гг. озоновые «дыры» над обширными регионами России зимой стали носить устойчивый характер.

С декабря 1992 г. по апрель 1993 г. над территорией СНГ значения ОСО были ниже климатических норм на 5-20%. Наибольшие среднемесячные отклонения в декабре составляли 10- 12% севернее 50° с. ш. Понижение ОСО достигало 20% над Восточной Сибирью в январе и над севером европейской части в феврале 1993 г. В марте - апреле этого же года наиболее низкие значения ОСО отмечены на северных широтах (от 60° и выше). В период с мая по сентябрь над территорией СНГ значения ОСО были ниже нормы на 5-15%. В октябре - ноябре ОСО было близко к норме. В декабре 1993 г. над всей территорией России ОСО было пониженным. Таким образом, в период с декабря 1992 г. по сентябрь 1993 г. для средних и высоких широт территории СНГ, как и для всего Северного полушария, были характерны пониженные значения ОСО.

Зимой 1993-1994 гг. не было столь обширных и сильных отрицательных отклонений ОСО, как зимой 1992-1993 гг., однако в зимне-весенний сезон 1994-1995 гг. опять отмечены значительные отрицательные отклонения в содержании озона.

До середины 1990-х г. общее содержание озона над Скандинавией и северо-западом России в январе было обычно ниже, чем над северо-востоком Сибири и Камчаткой, на 20-25%. Однако в последние годы снижение ОСО стало наблюдаться и над другими областями России. Так, в январе 1995 г. отмечено снижение ОСО над Западно-Сибирской равниной и Среднесибирским плоскогорьем на 15-20%, в то время как над северо-западом России ОСО было ниже нормы только на 10-15%.

В 1996 г. (в период с января по апрель) над большей частью контролируемой территории России наблюдались пониженные среднемесячные значения ОСО. С мая по июль незначительные понижения отмечались только в отдельных районах. В августе значения ОСО приблизились к климатическим нормам, а в сентябре в отдельных регионах оказались несколько выше средних многолетних значений. К декабрю 1996 г. значения ОСО снова понизились. В целом за 1996 г. ОСО было несколько ниже нормы над европейской территорией России и Уралом, устойчиво ниже нормы - над Западной и Восточной Сибирью, а также над Дальним Востоком. Над Якутией озоновый слой был минимален, и жители республики подвергались сильному ультрафиолетовому облучению.

Весной 1996 г. было зарегистрировано уменьшение озонового' слоя до 30% над Республикой Коми, Архангельской и Кировской областями РФ, что, по мнению некоторых специалистов, связано с воздействием выбросов при запусках искусственных спутников Земли с космодрома Плесецк, находящегося в Архангельской области.

С января по май 1997 г. значения ОСО были ниже нормы на 5-30% преимущественно над Сибирью и Дальним Востоком, в особенности над их северными районами. С июня по ноябрь среднемесячные значения ОСО над всей контролируемой территорией были близки к норме. В декабре значения ОСО также были близки к норме, исключая северо-западную часть европейской территории России (ЕТР) и Балтии, где дефицит озона превышал 20%.

Следует отметить, что уже не первый год выделяется весна с аномально низкими значениями ОСО в марте и апреле над Восточной Сибирью. Аномалия 1997 г. была самой значительной как по длительности, так и по размерам затрагиваемой территории и дефициту озона (-30%) за все время наблюдений. Эта аномалия над восточной территорией страны явилась отражением необычно низкого содержания озона в циркумполярном вихре весной 1997 г., когда в Арктике наблюдалось близкое подобие озоновой «дыры» в Антарктике. «Дыра» над Арктикой и значительной частью Восточной Сибири имела диаметр ~3 тыс. км. Таким образом, наиболее неблагоприятными с точки зрения повышения доз УФ-Б (биологически опасной) радиации в 1997 г. были Восточная Сибирь и северо-запад ЕТР.

В 1998 г. в отличие от ряда предыдущих лет общее содержание озона над территорией Российской Федерации характеризовалось значениями, близкими к средним многолетним. Только в отдельные периоды наблюдался некоторый дефицит озона (5-25%), преимущественно над Якутском, Архангельском, Владивостоком, Сибирью, Дальним Востоком, Северным Уралом, ЕТР. В другие месяцы наблюдались повышенные значения ОСО над этими же районами. В ноябре ОСО практически над всей территорией России было выше средних многолетних. В целом за 1998 г. ОСО над Россией было близко к «нормам» 70-х гг. и даже несколько их превышало. Неблагоприятных по ОСО зон на территории нашей страны не было.

Наблюдаемое поведение озона над территорией России зимой - весной 1997-1998 гг. можно объяснить естественными и антропогенными факторами. Среди естественных причин можно назвать влияние изменений солнечной и вулканической активности, динамики атмосферы, флуктуации температуры. Долговременные изменения содержания озона связаны с солнечной активностью, которая имеет 11-летний цикл. Например, максимум солнечной активности отмечен в 1979 г. Кроме того, наблюдаются изменения содержания озона с более коротким периодом - 26 месяцев. К антропогенным факторам относятся выбросы парниковых газов и озоноразрушающих веществ, содержащих хлор. Это приводит к потеплению тропосферы и похолоданию стратосферы. Рост антропогенного хлора в стратосфере вызывает понижение уровня глобального ОСО. Другое антропогенное воздействие - повышение содержания парниковых газов - с одной стороны, должно приводить к некоторому уменьшению скорости разрушения озона при понижении температуры стратосферы; с другой стороны, при этом может увеличиться скорость разрушения озона в результате активации хлора в гетерогенных реакциях на сульфатном аэрозоле и полярных стратосферных облаках. Совокупность всех этих факторов в конечном итоге влияет на содержание озона.

В 1999 г., как и в 1998 г., средние значения общего содержания озона над всей территорией России оказались близки к средним многолетним.

В целом с 1979 г. наблюдается понижение глобального среднегодового ОСО со скоростью примерно 2,5% за десятилетие.

3.2 Меры защиты озонового слоя

Итак, разрушение озонового слоя грозит изменением климата, вредным воздействием на здоровье человека (рак кожи, катаракта, нарушение иммунной системы, возрастание опасности инфекционных заболеваний), а также негативно влияет на многие растения и животных (падение урожайности сельскохозяйственных культур, гибель некоторых микроорганизмов) и даже на строительные материалы.

Как же спасти, защитить озоновый слой Земли, чтобы избежать таких экологических последствий? Еще в 1970-е гг. американские ученые Ш. Роуленд и М. Молина ставили вопрос перед промышленниками и политиками об отказе от производства и применения ХФУ в тех случаях, где это не продиктовано особой необходимостью.

В 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозольных баллончиках. Так был сделан первый шаг к избавлению человечества от этих химических соединений - главных виновников разрушения озона. К такому решению пришли еще и потому, что использование пропеллентов из ХФУ связано с определенной опасностью для здоровья людей. Стало известно, что в больших концентрациях ХФУ могут вызывать остановку сердца, а в малых дозах, как предполагали, - нарушение ритма его работы. При вдыхании содержимого баллончиков хлорфторуглерод действует и на легкие. Кроме того, была показана неэкономичность аэрозольных упаковок. В баллончике содержится от 50 до 90% пропеллента и лишь небольшое количество активного вещества. Потребителям было рекомендовано подыскать замену этим изделиям:

- вместо напыляемого крема для бритья пользоваться мыльной палочкой или электробритвой;

- вместо аэрозольных дезодорантов пользоваться дезодорантами с шариком, палочкой или пудрой;

- вместо баллончиков с краской пользоваться кисточками;

- вместо распылителя инсектицидов пользоваться распылителем на сжатом воздухе или опрыскивателем с ручным насосом.

Одновременно с поисками альтернативных веществ идет поэтапное сокращение производства и использования озоноразрушающих веществ согласно Венской конвенции (ВК) и Монреальскому протоколу (МП) и дополнениям к МП. Для развивающихся стран вывод из производства и потребления ОРВ может быть осуществлен в более поздние сроки, чем в развитых странах. Например, если для развитых стран срок вывода из производства ХФУ, четыреххлористого углерода (ЧХУ) и метилхлороформа (МХФ) - 1 января 1996 г., то для развивающихся стран - 1 января 2006 г.

На момент подписания ВК и МП Советский Союз характеризовался как промышленно развитая страна. После распада СССР, в 1991 г. Россия получила статус государства с переходной экономикой, и в 1996 г. ей была предоставлена помощь в виде гранта от Глобального экологического фонда (ГЭФ) для поэтапного сокращения производства озоноразрушающих веществ. Россия к моменту принятия МП (1987 г.) находилась в числе крупнейших мировых производителей и потребителей главных ОРВ. Пик их производства пришелся на 1990 г. и составлял тогда 20% от мирового уровня производства.

...