Изучение истории вопроса о возникновении причин разрушения озонного слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Проблема экологии для человечества сейчас, несомненно, самая главная. На реальность экологической катастрофы указывает и начавшееся разрушение озонного слоя Земли. Сегодня озон беспокоит всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонного слоя в атмосфере, а считал только, что запах озона является признаком свежего воздуха. Недаром озон в переводе с греческого означает «запах». Тревога людей об изменении озонного слоя, к сожалению не беспочвенна, ведь речь идет о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. Озонный слой в стратосфере Земли защищает биосферу от губительного действия ультрафиолетового излучения Солнца.

Ученые начали говорить о надвигающейся опасности еще в 70-ые годы. Впервые тревогу подняли американские ученые Пол Крутцен и Джонсон, которые провозгласили, что слою озона грозит если не полная гибель, то, по крайней мере, существенное истощение из-за развития стратосферной авиации. Ученых беспокоил факт того, что мощность двигателей самолетов при высокой температуре в камере сгорания, приведет к непрерывному росту выбрасываемых окислов азота в окружающую среду.

Именно американские ученые привлекли внимание к очень важной проблеме - судьбе озонного слоя и показали реальность его существенного разрушения в очень близком будущем. И как результат появились научные комиссии, программы, проекты, нацеленные на выяснение антропогенного загрязнения стратосферы на озон, погоду, климат.

Хотя человечеством были приняты различные меры по восстановлению озонного слоя, например, под давлением экологических организаций многие промышленные предприятия пошли на дополнительные затраты для установки различных фильтров для уменьшения вредных выбросов в атмосферу. Но проблема озонного слоя остается актуальной и в наше время. С годами выяснилось, что полеты авиации не являются единственным возможным поставщиком окислов азота в стратосферу. Прошло вот уже более сорока лет, исследования в данной области продолжаются, но проблема разрушения озонного слоя не является снятой. Конечно, обществу трудно поступиться интересами многих производств. Человек воздействует на озонный слой различными способами, и каждый связан с важной стороной хозяйственной деятельности. Это и производство сельскохозяйственной продукции, использование азотных удобрений, и ядерные взрывы, мирные электростанции и высотные военные самолеты, холодильная промышленность и бытовые аэрозоли.

К 2030 году, по данным международных конференций могут произойти непоправимые изменения в озонном слое. А это значит, что изменится климат, поднимется уровень Мирового океана, увеличится число онкологических и других заболеваний из-за увеличения ультрафиолетового излучения Солнца, достигающего Земли. Земля и ее биосфера станут неузнаваемыми.

Обо всех происходящих с озоном изменениях говорят озонные дыры, появляющиеся над Антарктикой. Образование дыр в озонном слое вызвало естественное беспокойство не только в научных, но и в самых широких кругах общественности. Выбрасываемые людьми в атмосферу вещества переносятся движением воздуха на все широты и долготы.

В одних местах озон образуется регулярно, в других только от случая к случаю, в одних местах образованный озон живет годы, в других только секунды, но, тем не менее, весь озон вокруг Земли находится как бы в сообщающихся сосудах. Поэтому если он исчезнет без компенсации в одном месте (в данном случае в Антарктике), то это изменит баланс озона в глобальном масштабе.

Суть проблемы, заключается в том, что озонный слой вокруг Земли не является чем-то постоянным, неизменным, одинаковым. Его характеристики очень сильно меняются в зависимости от большого числа факторов. Это и солнечная активность и региональные особенности, и другие факторы. Из всех свойств атмосферного озона важно разделять изменения в озонном слое, вызванные антропогенным влиянием, и изменения, являющиеся последствиями воздействия естественных факторов.

Поэтому целью данной работы является изучение истории вопроса о возникновении причин разрушения озонного слоя.

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. Причины разрушения озонного слоя

Озон в стратосфере - это продукт воздействия самого ультрафиолета (УФ) на молекулы кислорода (О2). В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона (О3). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы О, реагируя с молекулами озона, дают две молекулы О2. Таким образом, количество озона в стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между этими двумя реакциями. Разрушение озонового слоя - это разделение молекул озона, которое вызывают встречаемые в стратосфере вещества, разрушающие озоновый слой (OSNV), возникающие в результате природных процессов (например, извержения вулканов) или эмитированные (высвобожденные) в результате деятельности человека, и содержащие хлор ( или бром, а также метан или оксид азота.

Самые существенные этапы разрушения озонового слоя:

1. Эмиссии: в результате деятельности человека, а также в результате природных процессов на Земле эмитируются (высвобождаются) газы, содержащие галогены (бром и хлор), т.е. вещества, разрушающие озоновый слой.

2. Аккумулирование (эмитированные газы, содержащие галогены, аккумулируются (накапливаются) в нижних атмосферных слоях, и под воздействием ветра, а также потоков воздуха перемещаются в регионы, которые не находятся в прямой близости с источниками такой эмиссии газов).

3. Перемещение (аккумулированные газы, содержащие галогены, с помощью потоков воздуха перемещаются в стратосферу).

4. Преобразование (большая часть газов, содержащих галогены, под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере преобразуется в легко реагирующие галогенные газы, в результате чего в полярных регионах Земного шара разрушение озонового слоя происходит сравнительно активнее).

5.Химические реакции (легко реагирующие галогенные газы вызывают разрушение озона стратосферы; фактор, способствующий реакциям - полярные стратосферные облака).

6.Удаление (под воздействием воздушных потоков легко реагирующие галогенные газы возвращаются в тропосферу, где из-за присутствующей в облаках влажности и дождей разделяются, и таким образом из атмосферы полностью удаляются).

В 1970-е годы ученые предположили, что свободные атомы хлора катализируют процесс разделения озона. А люди ежегодно пополняют состав атмосферы свободным хлором и прочими вредными веществами. Причем относительно небольшое их количество может наносить значительный ущерб озоновому экрану, причем это влияние буде продолжаться неопределенно долго, так как атомы хлора, например, покидают стратосферу очень медленно.

Большая часть хлора, используемая на земле, например, для очистки воды, представлена его растворимыми в воде соединениями ионами. Следовательно, ни вымываются из атмосферы осадками задолго до того, как попасть в стратосферу. Хлорфторуглероды (ХФУ) очень летучи и нерастворимы в воде. Следовательно, они не вымываются из атмосферы и, продолжая распространяться в ней, достигают стратосферы. Там они могут разлагаться, высвобождая атомарный хлор, который собственно и разрушает озон. Таким образом, ХФУ наносят ущерб, выступая в роли переносчиков атомов хлора в стратосферу.

Хлорфторуглероды относительно инертны химически, негорючи и ядовиты. Более того, будучи газами при комнатной температуре, они ожигаются при небольшом давлении в выделением тепла, а испаряясь, вновь его поглощают и охлаждаются. Эти свойства позволили применять их в следующих целях:

1.Хлорфторуглероды используются практически во всех холодильниках, кондиционерах воздуха и тепловых насосах как хлорагенты. Поскольку эти приспособления рано или поздно ломаются и выбрасываются, содержащиеся в них ХФУ обычно попадают в атмосферу.

2. Вторая важнейшая область их применения - производство пористых пластмасс. ХФУ подмешивают в жидкие пластмассы при повышенном давлении (они растворимы в органических веществах). Когда давление понижают, они вспенивают пластмассу, как углекислый газ вспенивает содовую воду. И при этом улетучиваются в атмосферу.

3.Третья основная область их применения - электронная промышленность, а именно очистка компьютерных микросхем, которая должна быть весьма тщательной. И опять же, хлорфторуглероды попадают в атмосферу. Наконец, в большинстве стран, кроме США их, до сих пор используют как носители в аэрозольных баллончиках, которые распыляют их в воздухе.

Ряд промышленных стран (например, Япония) уже объявили об отказе от использования долгоживущих фреонов и переходе на короткоживущие, время жизни которых существенно меньше года. Однако в развивающихся странах такой переход (требующий обновления ряда областей промышленности и хозяйства) встречает понятные трудности, поэтому реально вряд ли можно ожидать полного прекращения в обозримые десятилетия выброса долгоживущих фреонов, а значит, и проблема сохранения озонового слоя будет стоять очень остро.

В.Л.Сывороткин разработал альтернативную гипотезу, согласно которой озоновый слой уменьшается по естественным причинам. Известно, что цикл разрушения озона хлором не единственный. Существуют также азотный и водородный циклы разрушения озона. Именно водород - "главный газ Земли". Основные его запасы сосредоточены в ядре планеты и через систему глубинных разломов (рифтов) поступают в атмосферу. По примерным оценкам, природного водорода в десятки тысяч раз больше, чем хлора в техногенных фреонах. Однако решающим фактором в пользу водородной гипотезы Сывороткин В.Л. считает то, что очаги озоновых аномалий всегда располагаются над центрами водородной дегазации Земли.

Разрушение озона происходит также из-за воздействия ультрафиолетовой радиации, космических лучей, соединений азота, брома. Деятельность человека, приводящая к разрушению озонового слоя, вызывает наибольшую тревогу. Поэтому многие страны подписали международное соглашение, предусматривающее сокращение производства озоноразрушающих веществ. Однако озоновый слой разрушает также реактивная авиация и некоторые пуски космических ракет. Предполагается множество других причин ослабления озонового щита. Во-первых,- это запуски космических ракет. Сгорающее топливо «выжигает» в озоновом слое большие дыры. Когда-то предполагалось, что эти «дыры» затягиваются. Оказалось, нет. Они существуют довольно долго. Во-вторых, самолеты, летящие на высотах в 12-15 км. Выбрасываемый ими пар и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время самолеты, летающие ниже 12 км, дают прибавку озона. В городах он - один из составляющих фотохимического смога. В-третьих - окислы азота. Их выбрасывают те же самолеты, но больше всего их выделяется с поверхности почвы, особенно при разложении азотных удобрений.

Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона.

Таким образом, причин разрушения озонового слоя немало и, несмотря на всю его важность, большинство из них - это результат человеческой деятельности.

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 длиной волны l<280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б с 280<l<315 нм, 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 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.

Озоновый слой защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Обнаружено, что в течение многих лет озоновый слой претерпевает небольшое, но постоянное ослабление над некоторыми районами Земного шара, включая густо населенные районы в средних широтах Северного полушария. Над Антарктикой обнаружена обширная "озоновая дыра".

Разрушение озона происходит из-за воздействия ультрафиолетовой радиации, космических лучей, некоторых газов: соединений азота, хлора и брома, фторхлоруглеродов (фреонов). Деятельность человека, приводящая к разрушению озонового слоя, вызывает наибольшую тревогу. Поэтому многие страны подписали международное соглашение, предусматривающее сокращение производства озоно-разрушающих веществ.

Предполагается множество причин ослабления озонового щита.

Во-первых, -это запуски космических ракет. Сгорающее топливо «выжигает» в озоновом слое большие дыры. Когда-то предполагалось, что эти «дыры» затягиваются. Оказалось, нет. Они существуют довольно долго.

Во-вторых, самолеты. Особенно, летящие на высотах в 12-15 км. Выбрасываемый ими пар и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время самолеты, летающие ниже 12 км. Дают прибавку озона. В городах он - один из составляющих фотохимического смога. В - третьих, это хлор и его соединения с кислородом. Огромное количество (до 700 тысяч тонн) этого газа поступает в атмосферу, прежде всего от разложения фреонов. Фреоны - это не вступающие у поверхности Земли ни в какие химические реакции газы, кипящие при комнатной температуре, а потому резко увеличивающие свой объем, что делает их хорошими распылителями. Поскольку при их расширении снижается их температура, фреоны широко используют в холодильной промышленности.

Каждый год количество фреонов в земной атмосфере увеличивается на 8-9%. Они постепенно поднимаются наверх, в стратосферу и под воздействием солнечных лучей становятся активными - вступают в фотохимические реакции, выделяя атомарный хлор. Каждая частица хлора способна разрушить сотни и тысячи молекул озона.

9 февраля 2004 года на сайте Института Земли НАСА появилась новость о том, что ученые Гарвардского Университета нашли молекулу, разрушающую озон. Ученые назвали эту молекулу "димер одноокиси хлора", потому что она составлена из двух молекул одноокиси хлора. Димер существует только в особенно холодной стратосфере над полярными регионами, когда уровни одноокиси хлора относительно высоки. Эта молекула происходит из хлорфторуглеродов. Димер вызывает разрушение озона, поглощая солнечный свет и распадаясь на два атома хлора и молекулу кислорода. Свободные атомы хлора начинают взаимодействовать с молекулами озона, приводя к уменьшению его количества.

3. Последствия разрушения озонного слоя: озонные дыры и их влияние

Озоновая дыра - локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. До недавнего времени состояние слоя озона не внушало опасений. Тревожные сигналы начали поступать около 40 лет назад. С началом космических исследований атмосферы Земли осенью 1985 года обнаружено нарушение озонового слоя над Антарктидой. Оказалось, что во время антарктической весны уровень озона в атмосфере там значительно ниже нормы. Ежегодно в одно и то же время количество озона уменьшалось - иногда в большей степени, иногда в меньшей.

В последующие годы ученые выяснили, отчего появляется озоновая дыра. Когда солнце прячется и начинается долгая полярная ночь, происходит резкое падение температуры, и образуются высокие стратосферные облака, содержащие кристаллики льда. Появление этих кристалликов вызывает серию сложных химических реакций, приводящих к накоплению молекулярного хлора (молекула хлора состоит из двух соединенных атомов хлора). Когда появляется солнце и начинается антарктическая весна, под действием ультрафиолетовых лучей происходит разрыв внутримолекулярных связей, и в атмосферу устремляется поток атомов хлора. Эти атомы выступают в роли катализаторов реакций превращения озона в простой кислород. В результате этих реакций молекулы озона (O3) превращаются в молекулы кислорода (O2), причем исходные атомы хлора остаются в свободном состоянии и снова участвуют в этом процессе (каждая молекула хлора разрушает миллион молекул озона до того, как они удалятся из атмосферы под действием других химических реакций). Вследствие этой цепочки превращений озон начинает исчезать из атмосферы над Антарктидой, образуя озоновую дыру. Однако вскоре, с потеплением, антарктические вихри разрушаются, свежий воздух (содержащий новый озон) устремляется в этот район, и дыра исчезает.

В феврале 1989 года ученые исследовали стратосферу над Арктикой и обнаружили присутствие тех же самых химических факторов. Они пришли к выводу, что и тут содержание озона может резко сократиться. Это будет зависеть только от конкретных погодных условий очередного года. Если над Арктикой образуется озоновая дыра, то последствия будут гораздо более серьезными, т.к. там гораздо больше организмов, которые могут пострадать. Даже периодическое раскрытие такой дыры над Антарктидой чревато значительными потерями морского фитопланктона. А это, в свою очередь, сильно повлияет практически на всех антарктических животных от пингвинов до китов, так как фитопланктон - основа почти всех пищевых цепей данного региона. Если нынешние выбросы ХФУ в атмосферу сохранятся, то можно ожидать лишь расширения и «углубления» озоновых дыр над полюсами. Естественно, это повлечет за собой разрежение озонового слоя над всей планетой, что совершенно недопустимо как для животного мира, так и для всего человечества в целом.

Однако существует и другая точка зрения. Откуда озоновые дыры вдали от техногенных регионов, например, в Якутии, Тибете и над безлюдными территориями Сибири? Существует мнение, что изменения циркуляции атмосферы вызваны стационарными планетарными волнами, которые проникают в стратосферу в зимне-весенний период, сильно влияя на распределение озона и других ее составляющих в средних и высоких широтах. Один из источников этих волн - разные температуры над поверхностями континентов и океанов, поэтому изменения температуры океанской поверхности сказываются на волновой активности. При длительном же ослаблении волновой активности усиливаются западные ветры в стратосфере, охлаждается ее нижняя часть, формируются полярные стратосферные облака и, тем самым, условия для разрушения озона. Циркуляция в стратосфере за последние 20 лет могла сильно измениться. Так что основной причиной озоновой "дыры" в Антарктике вполне может быть длительное ослабление волновой активности стратосферы, связанное с очень медленными процессами в Мировом океане.

Сопоставив изменения волновой активности стратосферы и содержания озона в 1979-1992 гг., специалисты заключили, что ослаблению активности отвечает снижение концентрации озона в средних и высоких широтах из-за меньшего межширотного обмена. Похоже, что летом 1980 г. резко изменилась циркуляция в стратосфере и возникли условия для образования озоновой "дыры". В последнее время появление озоновых дыр наблюдается периодически и над всей поверхностью земли. Кроме того, истончается сам озоновый слой Земли. Для человека это грозит повышением раковых образований кожи. Но если человек может защитить себя от ультрафиолетового излучения, то животный и растительный мир остается перед ним беззащитным.

Учеными ведутся поиски путей восстановления озонового слоя. Вначале для этой цели предлагалось создание фабрик по производству озона, после чего доставлять оный на самолетах в атмосферу. Другим вариантом является создание аэростатов оснащенных лазерами, имеющих питание от солнечных батарей, которые будут использовать кислород для создания озона. Наиболее же реальным выходом из этой ситуации является сокращение вырубки лесов, и увеличением зеленых насаждений.

Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 году, на Южном полушарии, над Антарктидой, группой британских ученых: Дж. Шанклин (англ.), Дж. Фармен (англ.), Б. Гардинер (англ.), опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature. Каждый август она появлялась, а в декабре -- январе прекращала свое существование. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра, но меньших размеров. На данном этапе развития человечества, мировые ученые доказали, что на Земле существует громадное количество озоновых дыр. Но наиболее опасная и крупная расположена над Антарктикой.

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.

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 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.

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.

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?

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.

Концентрация стратосферного озона стала предметом серьезного изучения лишь в 70-80-х годах прошлого столетия. Вред, который наносит озоновому слою утечка в атмосферу таких веществ, как хлорфторуглероды (ХФУ) и гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), был обнаружен почти случайно.

К тому времени были накоплены данные, согласно которым количество поступающего на Землю ультрафиолетового излучения значительно возросло по сравнению с 1925 годом. Опасность ультрафиолета для живых организмов уже была хорошо изучена. Было достоверно установлено, что повышение интенсивности УФ-излучения затрудняет процесс фотосинтеза у растений и ведет к снижению урожайности сельскохозяйственных культур; от ультрафиолета гибнет фитопланктон - кормовая база обитателей Мирового океана; негативно влияет интенсивное УФ-излучение и на человека - растет восприимчивость к болезням, изменяется структура и пигментация кожи, повышается вероятность возникновения болезней глаз, раковых заболеваний, повреждения молекул ДНК.

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. Повторю, что 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 широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озоновому 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 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 серьезной немедленной 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.

Анализ данных, собранных в рамках программы Антарктического управления Великобритании, показал, что значение наименьшей концентрации озона, обычно наблюдаемой в стратосфере над Антарктидой в середине октября, за период с 1975 по 1984 годы снизилось на 40%. Постепенно были установлены некоторые закономерности этого явления. В Южном полушарии сентябрь и октябрь - первые весенние месяцы, в это время солнце после долгой полярной зимы появляется над горизонтом и инициирует множество фотохимических реакций между молекулами озона и атомами хлора и брома, выделившихся из попавших в стратосферу органических соединений природного и антропогенного происхождения. Так гипотеза, высказанная десятью годами ранее, получила практическое подтверждение. То, что проблема озоновых дыр в атмосфере Земли действительно существует, было доказано полевыми исследованиями.

«Я думаю, что во многом мы обязаны простой удаче, как и в случае многих других научных открытий. Нашу группу убедил график минимальных значений 11 дневных средних измерений, на котором было четко видно, что весеннее снижение концентрации носит систематический характер», - сказал Джонатан Шанклин, который вместе со своими коллегами из Антарктического управления Великобритании, Джо Фарманом и Брайаном Гардинером, собрал основные полевые данные. Фарман разработал в общих чертах химическую теорию, объяснявшую результаты наблюдений,и связал спады содержания озона с увеличением концентрации ХФУ, а Гардинер провел необходимый контроль качества данных.

Результаты исследований, говорящие о существовании озоновой дыры в атмосфере, оказались пугающими и в некоторой степени невероятными для ученых США, проводивших мониторинг озонового слоя при помощи сложных спутниковых систем.

Первоначально проведенный ими анализ не показал никаких изменений в озоновом слое, но после повторного изучения данных со спутников его истощение было подтверждено.

4. Озоновый слой как объект охраны окружающей среды

озоновый дыра атмосфера охрана

16 сентября 1987 г. был принят Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя.

Но еще до принятия Монреальского протокола была принята Венская конвенция об охране озонового слоя. Именно год ее принятия, 1985, и стал началом борьбы человечества за сохранение озонового слоя. И к 1995 году многие страны уже приняли меры к сохранению озонового слоя, только Россия и страны Восточной Европы не предприняли шагов в этом направлении. Но сейчас и наша страна также работает над сохранением озонового слоя и прекращения его разрушения13.

В соответствии с Венской конвенцией, Россия, наряду с другими странами, в соответствии с имеющимися в ее распоряжении средствами и возможностями сотрудничает посредством систематических наблюдений, исследований и обмена информацией, для того чтобы глубже познать и оценить воздействие деятельности человека на озоновый слой и последствия изменения состояния озонового слоя для здоровья человека и окружающей среды, а также принимает надлежащие законодательные или административные меры и сотрудничает в согласовании соответствующих программных мероприятий для контролирования, ограничения, сокращения или предотвращения деятельности человека, подпадающей под их юрисдикцию или контроль, если будет обнаружено, что эта деятельность оказывает или может оказать неблагоприятное влияние, изменяя или создавая возможность изменения состояния озонового слоя.

В Монреальском протоколе положения Венской конвенции получают свое подтверждение и развитие - оговаривается, что любая сторона протокола может в рамках определенного периода передать любой другой стороне протокола любую часть квоты своего расчетного уровня производства, при условии, что общий суммарный расчетный уровень производства для этих сторон по любой группе регулируемых веществ не выходит за пределы ограничений производства, которые установлены этими статьями для данной группы веществ. Каждая участвующая в этом процессе сторона уведомляет секретариат о такой передаче, заявляя об условиях и периоде, на которые действует такая передача.

В Российской Федерации в целях обеспечения выполнения обязательств по Венской конвенции об охране озонового слоя 1985 года и Монреальскому протоколу по веществам, разрушающим озоновый слой, 1987 года Правительство Российской Федерации в 1995 году постановило:

1. Одобрить прилагаемые первоочередные меры по выполнению обязательств Российской Федерации по охране озонового слоя на 1995-1996 годы;

2. Поручить координацию работ по реализации первоочередных мер Министерству охраны окружающей среды и природных ресурсов Российской Федерации;

3. Установить, что с 1 января 1996 г. ввоз и вывоз озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции в страны, являющиеся Сторонами Венской конвенции и Монреальского протокола, осуществляются по соответствующим лицензиям.

4. Запретить ввоз в Российскую Федерацию озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции из стран, не являющихся Сторонами Венской конвенции и Монреальского протокола, а также вывоз из Российской Федерации озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции в указанные страны.

В 1999 году Постановлением Правительства установлено, что с 1 августа 1999 г. производство на территории Российской Федерации озоноразрушающих веществ, осуществляется по квотам, определяемым Государственным комитетом Российской Федерации по охране окружающей среды совместно с Министерством экономики Российской Федерации исходя из расчетных ставок, сроков и других требований Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, 1987 года. При этом производство озоноразрушающих веществ с 20 декабря 2000 г. осуществляется только в тех случаях, когда эти вещества используются исключительно как сырье для производства других химических веществ, и в особых случаях, предусмотренных Монреальским протоколом.

С 1 марта 2000 г. ввоз в Российскую Федерацию и вывоз из Российской Федерации озоноразрушающих веществ, осуществляется только в случаях:

- использования этих озоноразрушающих веществ исключительно в качестве сырья;

- для производства других химических веществ;

- в особых случаях их применения, предусмотренных Монреальским протоколом;

- транзитных перевозок их через Российскую Федерацию из государств и в государства, являющиеся Сторонами Монреальского протокола.

С 1 июля 2000 г. запрещается создание на территории Российской Федерации новых мощностей по производству озоноразрушающих веществ.

Позднее Президент издал распоряжение, в котором еще раз заявил, что Госкомэкология России и Минэкономики России являются ответственными за реализацию мероприятий по охране озонового слоя. И рекомендовал органам исполнительной власти субъектов Российской Федерации разработать и осуществить в 1999 - 2000 годах комплекс мероприятий, направленных на исключение из производства и потребления озоноразрушающих веществ и переход организаций независимо от их организационно-правовой формы на озонобезопасные технологии18.

Озоновый слой является согласно действующему законодательству одним из важных природных объектов, подлежащих правовой охране. Он назван в Законе "Об охране окружающей природной среды" (ст. 4) в числе природных объектов, подлежащих охране от загрязнения, повреждения, истощения, разрушения. Статья 56 Закона специально посвящена охране озонового слоя Земли. В ней предусмотрены следующие мероприятия по охране окружающей природной среды от экологически опасных изменений озонового слоя Земли:

- организация наблюдения, учета и контроля изменения состояния климата, озонового слоя под влиянием хозяйственной деятельности и иных процессов;

- установление и соблюдение нормативов предельно допустимых выбросов вредных веществ, воздействующих на состояние климата и озонового слоя;

- регулирование производства и использования в быту химических веществ, разрушающих озоновый слой;

- применение мер ответственности за нарушение указанных требований19.

В соответствии с международными соглашениями, говорится в статье 56 Закона "Об охране окружающей природной среды", министерства и ведомства, предприятия, учреждения, организации обязаны сократить и в последующем полностью прекратить производство и использование химических веществ, вредно воздействующих на озоновый слой. Список химических веществ и отходов производства, вредно воздействующих на состояние озонового слоя Земли, устанавливается специально уполномоченными на то государственными органами Российской Федерации в области охраны окружающей природной среды и сообщается всем министерствам, ведомствам, предприятиям, организациям. Нарушение установленного порядка производства или использования химических веществ, вредно воздействующих на состояние озонового слоя, влечет за собой приостановление либо прекращение деятельности предприятий, учреждений, организаций или отдельных цехов, агрегатов, технологических процессов, оборудования по предписанию специально уполномоченных на то государственных органов Российской Федерации в области охраны окружающей природной среды.

Заключение

Возможности воздействия человека на природу постоянно растут и уже достигли такого уровня, когда возможно нанести биосфере непоправимый ущерб. Уже не в первый раз вещество, которое долгое время считалось совершенно безобидным, оказывается на самом деле крайне опасным. Лет двадцать назад вряд ли кто-нибудь мог предположить, что обычный аэрозольный баллончик может представлять серьезную угрозу для планеты в целом. Понимание взаимодействий между озоном и изменением климата, и предсказание последствий изменения требует громадных вычислительных мощностей, надежных наблюдений, и здравых диагностических способностей.

Именно поэтому в целях защиты озонового экрана созывались множество различных конференций и симпозиумов, в результате которых были достигнуты определенные соглашения в области сокращения вредных производств. В частности, 22 марта 1985 года была принята Венская конвенция «Об охране озонового слоя», в которой страны-участники договорились о необходимости проводить систематические исследования озонного слоя, а так же создания международного Секретариата по озону. На встрече в Хельсинки в 1989 году было намечено полностью отказаться от использования в производстве хлорфторуглеродов к 2000 году. Это сложная проблема, поскольку в уже выпущенных холодильниках и кондиционерах накоплено слишком много ХФУ: по мере их обычного выхода из строя количество вредных газов в атмосфере будет продолжать увеличиваться еще многие годы даже в случае полного и немедленного запрещения производства.

Количество озона в атмосфере зависит от очень многих условий. Поэтому сложно предсказать в точности, как будет меняться количество озона. Важно не просто знать, как действуют на разрушение озона отдельные (естественные и антропологические) факторы порознь, но и то, как они действуют все вместе, в комплексе. Человеку еще не все известно о составе атмосферы, о тех реакциях, которые вступают между собой разные составляющие атмосферы.