Озоновый слой земли

Размещено на http://allbest.ru

Введение

озон климат азот

Озоновый слой -- часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км (в тропических широтах 25--30 км, в умеренных 20--25, в полярных 15--20), в которой под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулярный кислород (О2) диссоциирует на атомы, которые затем соединяются с другими молекулами О2, образуя озон (О3). Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/мі) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20--25 км, наибольшая часть в общем объёме -- на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

1. Газообразный озон

Газообразный озон, открытый в середине прошлого века, долгое время привлекал внимание ученых лишь своими уникальными химическими и физическими свойствами. Интерес к озону существенно возрос, после того, как выяснилась его распространенность в земной атмосфере и та особая роль, которую он играет в защите всего живого от воздействий опасного ультрафиолетового излучения. Особенно активно атмосферный озон стал изучаться в последние десятилетия. С ним, как ни с одним другим газом, в последние два десятилетия было связано несколько крупных сенсаций. Начиная от появившегося в самом начале 70-х годов прогноза о том, что полеты стратосферной авиации “съедят” слой озона уже к 80-м годам, и, кончая пресловутой “озоновой дырой”, которая будоражит умы людей.

Открывателями озонового слоя были французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон. В 1912 году им удалось с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы.

Фотохимическое образование озона в атмосфере и образование озонового слоя.

Озон является аллотропным видоизменением кислорода с трехатомной молекулой O3. Молекула озона не линейна и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями.

Механизм образования, а также расходования озона был предложен Сидни Чепменом в 1930 году и носит его имя.

Реакции образования озона :

О2 + hн > 2О.

О2 + O > О3.

Фотолиз(1) молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны 175--200 нм и до 242 нм. Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом:

О3 + hн > О2 + О.

О3 + O > 2О2.

При образовании озона тепло поглощается, а при разложении - выделяется. При нормальной температуре и давлении реакция протекает крайне медленно. Связано это с той важной ролью, которую играет атомарный кислород в реакции образования озона. Физически молекула озона является стабильной, т. е. она самопроизвольно не разлагается. При небольших концентрациях и отсутствии в газе примесей озон разлагается довольно медленно. Однако при повышении температуры, увеличении добавок некоторых газов (например, NO, Cl2, Br2, I2, и др.), при воздействии излучений и потоков частиц скорость разложения газообразного озона значительно увеличивается. Одно из основных свойств - озона сильная окислительная способность.

(1) Фотодиссоциация (или фотолиз) -- химическая реакция, при которой химические соединения разлагаются под действием фотонов электромагнитного излучения. Для этого процесса принципиальное значение имеет так называемая энергия активации - свойство участвующей в процессе молекулы, и превышает ли энергия взаимодействующего фотона эту энергию.

Таким образом, при облучении газообразного кислорода ультрафиолетовым излучением могут быть получены значительные концентрации атомарного кислорода, в результате облучения возникают возбужденные его молекулы. Все эти активные частицы вступают во вторичные реакции, аналогичные процессу (4), с образованием конечного продукта - озона.

Однако на всех высотах в атмосфере идут процессы диссоциации (т.е. разрушения молекул), приводящих к появлению атомов N и O. Эти процессы компенсируются быстрыми реакциями обратного соединения атомов в молекулы, поэтому концентрации атомов O и N ниже 100 км очень малы. С увеличением высоты скорость процессов диссоциации растет, а обратных реакций падает, поэтому относительная концентрация атомарных компонентов увеличивается. Но лишь примерно со 100 км атомарный кислород становится одним из основных компонентов атмосферы, а на высоте около 150 км концентрации атомов и молекул кислорода сравниваются. На большой высоте кислород существует уже главным образом в виде атомов. Количество атомарного кислорода (хотя и очень малое) с увеличением высоты над поверхностью Земли растет. Это объясняет и рост с высотой количества молекул O3. Но с некоторого уровня разрушение молекул O3 солнечным излучением растет с высотой быстрее, чем их образование из атомов O, поэтому, начиная с этого уровня (так называемого максимума слоя озона) концентрация озона с высотой начинает уменьшаться.

Благодаря своим исключительным свойствам атмосферный озон является регулятором потока радиации, достигающей поверхности Земли. История его появления на Земле выглядит следующим образом. Преобразование компонентов земной первичной атмосферы - метана (CH4), воды (H2O), аммиака (NH3) - в “бульон” из органических соединений, где впервые зародилась жизнь, происходило в присутствии интенсивного ультрафиолетового облучения. Однако ультрафиолетовая радиация очень опасна для чувствительного равновесия химических реакций в живых клетках, и, по-видимому, первые организмы выжили только потому, что развивались под слоем воды достаточно мощным. Чтобы защитить их от ультрафиолета. В результате фотосинтетического разложения молекул воды земная атмосфера приобрела свободный кислород. Лишь с появлением кислорода, а затем и озона интенсивность ультрафиолетовой радиации на земной поверхность понизилась достаточно для того, чтобы живые организмы смогли выйти из-под воды и начать заселение суши. Продолжительное существование сухопутной жизни стало возможным благодаря озоновому слою - защите, которая сама явилась продуктом жизни.

2. Волшебный щит планеты

В популярной литературе слой озона очень часто называют волшебным щитом планеты. Это сравнение связано с оптическими свойствами молекулы озона, которые отличаются от свойств как составляющих его атомов (когда они существуют по отдельности), так и двухатомных молекул O2. Одной из наиболее важных оптических характеристик, какого-либо вещества является его спектр поглощения - изменение с длинной волны коэффициента поглощения, то есть способности поглощать проходящие через это вещество излучение.

Спектр поглощения озона обладает несколькими важными особенностями, главной из них является способность сильно поглощать излучение в интервале длин волн 200-320нм. Область солнечного спектра (а когда говорят о щите, то имеют в виду именно защиту от излучения Солнца) от 200 до 400нм называют биологически активным ультрафиолетом БАУ. При этом выделяются интервалы 320-400нм (УФ-А) и 200-320нм (УФ-Б).

Излучение с длиной волны l, меньше 200нм, хорошо поглощается молекулами кислорода, которых в атмосферном газе много. Поэтому такое излучение не доходит даже до нижней части стратосферы, “застревая” (т.е. поглощаясь молекулами O2) на больших высотах. С увеличением длины волны коэффициент поглощения молекулярным кислородом быстро падает. Молекулы же азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны и в поглощении этого излучения практически участия не принимают.

Вот и получается, что солнечное излучение с длиной волны от 200 - 300нм проникало бы сквозь атмосферу практически до поверхности Земли, если бы не озон. Его коэффициент поглощения k именно в этой области длин волн очень велик и намного превосходит соответствующие значения k для O2 и N2. В результате - излучение УФ-Б не проходит сквозь стратосферу, практически полностью поглощаясь молекулами O3. Не загружая изложение деталями спектральных характеристик озона, приведу лишь один пример. Максимальное значение k для озона приходится на l = 255нм и составляет около 130 см?1. Чтобы легче было представить масштаб этой величины, скажу, что, пройдя через слой озона толщиной в 3 мм при нормальном давлении (а это и есть, как я говорила выше, эквивалент “щита”), излучение, с этой длиной волны уменьшится в 10?17.

В целом же эффект волшебного щита именно таков - очень тонкий (всего 2-3 мм!) слой молекул O3 практически полностью поглощает идущее от солнца излучение в области УФ-Б. Начиная примерно с l =320нм солнечное излучение уже доходит до поверхности, хотя точную границу по очевидным причинам назвать невозможно - переход происходит постепенно, а проникновение излучения зависит от многих факторов - таких, как высота Солнца над горизонтом, чистота или запыленность атмосферы, высота места над уровнем моря и т.д.

3.Озон и климат

В предыдущем пункте я рассмотрел способность озона поглощать ультрафиолетовое излучение с точки зрения роли озонового слоя как нашего защитника - “волшебного щита планеты”. Однако сам процесс такого поглощения не проходит бесследно для земной атмосферы. Энергия, которую несет излучение в указанном диапазоне длин волн, в результате поглощения передается атмосферному газу, вызывая его нагрев. Оценки показывают, что выше примерно 20км и в стратосфере, и в большей части мезосферы этот процесс является основным источником нагрева, определяющим, таким образом температуру - её высотное и широтное распределение.

Распределение температуры контролирует динамические процессы в атмосферном газе. Таким образом, вся система циркуляции в стратосфере, включая и вертикальный перенос газа, зависит от распределения озона. И если под влиянием антропогенных процессов распределение озона заметно изменится, должна измениться вся картина динамических процессов, включая и взаимодействие стратосферы и тропосферы.

Расчеты с помощью атмосферных моделей показывают, что если повсеместно уменьшить концентрацию озона в два раза, то в мезосфере произойдет охлаждение атмосферного газа на 20° С. Это охлаждение в большей части стратосферы (18-40км) составит 6 - 8° С, а на стыке тропосферы и стратосферы (7 - 18км) - 2 - 3° С.

До этого времени я рассматривал лишь одно оптическое свойство молекул озона - поглощать мягкое ультрафиолетовое излучение. Однако молекулы O3 обладают и другими свойствами, существенными для теплового режима атмосферы. Наиболее важное из них - способность поглощать излучение в инфракрасном диапазоне, точнее в полосе с длиной волны примерно 9,6мкм

Для того чтобы понять важность этого свойства озона для теплового режима атмосферы, я немного отступлю от основной линии этого пункта реферата и кратко рассмотрю формирование теплового режима атмосферы и поверхности Земли.

В чем же суть так называемого парникового эффекта? Суть его состоит в том, что поверхность Земли поглощать энергию падающего на неё солнечного излучения (ближнего ультрафиолетового, видимого, инфракрасного - всего, которое до неё дошло, почти не поглотившись в воздухе) и переизлучает эту энергию в виде тепловых лучей сугубо в

инфракрасной области. Если бы это инфракрасное излучение не поглощалось в атмосфере и не уходило назад в космическое пространство, на Земле было бы невыносимо холодно. Но этого не происходит потому, что большая часть переизлученной энергии не покидает нижних слоев атмосферы, а поглощается там облаками и различными малыми составляющими.

Наиболее активны в этом поглощении две атмосферные составляющие - углекислый газ и пары воды. Именно они обеспечивают задержку в атмосфере большей части инфракрасного излучения. Однако существует так называемое окно прозрачности в полосе 8 - 13 мкм, где суммарное поглощение указанными двумя составляющими (CO2 и H2O) мало. В этой области в роли основного поглотителя выступает озон. Как отмечалось выше, озон имеет сильную полосу поглощения в области 9,6мкм, которая и обеспечивает захват уходящего инфракрасного излучения в середине окна. Отмечу, что у молекулы озона имеются и другие полосы поглощения в инфракрасной области (например, с длиной волны 13,8 и 14,4 мкм). Но там они накладываются на сильные полосы поглощения H2O и CO2.

В последние два десятилетия человечество все больше беспокоит проблема усиления парникового эффекта из-за увеличения в атмосфере количества CO2. Факт монотонного роста концентрации двуокиси углерода в тропосфере в результате человеческой деятельности (уменьшение площади лесов, сжигании органического топлива, и другие промышленные процессы) установлен с высокой степенью достоверности. Этот рост за последние 20 лет составляет 0,3-0,4% в год.

Если тенденция роста CO2 в последующие десятилетия сохранится, то удвоение количества CO2 в атмосфере, которое существовало в доиндустриальную эру, должно произойти примерно в середине XXI в. Правда, наиболее оптимистические модели предсказывают такое удвоение лишь к 2100г. Конечно, реальная картина будет зависеть, прежде всего, от того, как быстро будет расти потребляемое человечеством количество энергии и насколько удастся заменить существующие сегодня источники энергии новыми, чистыми в экологическом отношении.

При удвоении количества двуокиси углерода в атмосфере ожидаемое увеличение средней температуры нижней атмосферы составляет 2-3°С в средних и низких широтах и 5-6°С в полярных областях. При удвоении количества углекислого газа в стратосфере, должно произойти понижение температуры (на 10-15° С), поскольку молекулы CO2 принимают активное участие в процессах охлаждения стратосферного воздуха. Такое изменение климата Земли может иметь очень серьезные последствия для многих регионов земного шара. Именно поэтому в настоящее время идет активное обсуждение возможностей уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу и замедление роста количества CO2.

Но не только рост концентрации CO2 может привести к усилению парникового эффекта. Свой вклад вносит и рост концентрации озона в тропосфере, вызванный антропогенным загрязнением атмосферы. Конечно, картина с озоном далеко не проста, как в случае CO2. Ведь молекулы O3 играют роль и в процессах нагрева атмосферного газа (за счет поглощения ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере и инфракрасного излучения поверхности в основном в тропосфере) и в процессах его охлаждения (за счет излучения молекулами O3 части поглощенной энергии). Значит можно ожидать уменьшение количества озона в стратосфере из антропогенных источников и увеличение его в тропосфере.

Все эти сложности приводят к тому, что оценить суммарный эффект ожидаемого изменения количества озона не так просто. Тем не менее наиболее надежные, по моему мнению являются расчеты по математическим моделям, учитывающим как радиационные, так и конвективные эффекты, показывают, что при ожидаемом удвоении количества озона в тропосфере и уменьшении в двое в стратосфере климатический эффект должен быть в большей мере подобен эффекту от ожидаемого удвоения количества двуокиси углерода, но с меньшей амплитудой. Иначе говоря, если в случае удвоения CO2 вероятно увеличение температуры в среднем по Земле на 3-4°С, то в случае описанного изменения количества озона это увеличение составит около 1° С. Уменьшение вдвое количества стратосферного озона также должно вызвать эффект, подобный эффекту удвоения количества CO2,- охлаждение стратосферы на 15-20°С

Следует отметить, что антропогенное увеличение количества озона в тропосфере, которое я рассматриваю, прежде всего, с точки зрения дополнительного вклада в парниковый эффект, неизбежно будет сопровождаться и другими отрицательными эффектами. Озон обладает токсическими свойствами, которые могут приводить к поражению легочных тканей человека (и животных), ставя таким образом под угрозу здоровье людей. Ожидается влияние обогащенного озоном воздуха на растения, а также на различные (особенно легкоокисляющиеся) материалы.

Подводя итоги сказанного в этом пункте, следует подчеркнуть, что антропогенное увеличение количества озона в тропосфере предвещает нам также мало радостей, как и антропогенное разрушение стратосферного озона.

Источники разрушения озонового слоя. Соединения серы, азота, и углерода из антропогенных и природных источников.

До самого последнего периода истории Земли живые системы планеты эволюционировали почти в полной гармонии с атмосферой, литосферой и гидросферой, не испытывая влияния человеческой деятельности. Но по мере развития сельского хозяйства и промышленности воздействие человека на среду стало заметнее. Повсеместная индустриализация, особенно развернувшаяся за последние два столетия, привела к потенциально опасным уровням загрязнения среды.

Можно сказать, что загрязнения - это поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей среде. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, в той или иной степени влияет на все параметры среды - антропогенные и природные, физические и биотические.

Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы - это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ.

Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, железные, медные и другие руды; одни из них используют как топливо, другие направляют на переработку в химическую и металлургическую промышленность. При переработке (в частности, при обжиге руд) сера переходит в химические соединения, например в диоксид. Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными сооружениями, остальное количество их выбрасывается в атмосферу. Серосодержащие соединения образуются также в результате деятельности живых организмов как на суше, так и на море, в процессах, протекающих в земной коре, например при вулканической или геотермальной деятельности. В большинстве антропогенных выбросов преобладают диоксид серы и сульфаты.

Первичные сульфаты выделяются при сжигании топлива и в ходе таких промышленных процессов, как нефтепереработка, производство цемента и гипса, серной кислоты. При сжигании мазута сульфатов образуется значительно больше, чем из угля. Это обусловлено тем, что в нефтяных остатках содержится относительно большое количество соединений ванадия и никеля, которые катализируют образование первичных сульфатов. При сжигании нефтяного топлива образуется около 16% сульфатов от общего количества их. Тем не менее, их выбросы образуются в основном (более 45% от общего количества) в результате сжигания угля. Из природных источников серосодержащих соединений важную роль играют биогенные выбросы из почвы и продукты жизнедеятельности растений.

В поверхностном слое вод Мирового океана обнаруживают только одно соединение, содержащие серу, - диметилсульфид. Распределение его в поверхностном слое вод Мирового океана аналогична распределению хлорофилла. Соединения серы, поступающие из Мирового океана в атмосферу, окисляются до сульфатов, которые сохраняются в атмосфере до 5 дней. Установлено, что океанские воды поставляют около 3% от общего количества сернистых соединений, выделяемых антропогенными источниками. При извержении вулканов в выделяющихся серосодержащих соединений преобладает диоксид серы, в меньшем количестве в атмосферу поступают сероводород, карбонилсульфид, а также сульфаты в виде аэрозолей и твёрдых частиц.

Есть ещё один источник загрязнения воздуха-сжигание мусора.

Азот содержится в топливе многих видов ископаемых, например, в угле и нефти. В отличие от диоксида серы, образование оксидов азота и их количество в выбросах зависит не только от содержания примесей в топливе, но и от температуры в зоне сжигания. При сжигании одного и того же количества топлива на теплоэлектростанциях и в печах индивидуального отопления домов в первом случае вследствие более высокой температуры в топке оксидов азота образуется гораздо больше. Понятно образование большого количества оксида азота при вспышках молний - источника высоких энергий в атмосфере. К природным источникам оксидов азота относятся также биогенный круговорот азота в природе, миграции оксидов азота из стратосферы в тропосферу и образование NOx в результате фотоинициированного химического разложения нитритов, содержащихся в морской воде.

Из антропогенных источников выделяется около 93% оксидов азота, главным образом в виде монооксида азота, который в результате атмосферных свободно-радикальных реакций превращается в диоксид азота.

Монооксид углерода образуется при неполном сгорании углеродсодержащих веществ. Наибольшие количества углерода природного происхождения образуются в результате вулканической деятельности и окислении метана в атмосфере. К естественным источникам образования CO добавляются антропогенные выбросы. Это связано в первую очередь с автотранспортом, так как у двигателей внутреннего сгорания оптимальные условия окисления топлива создаются только при выходе на определённый рабочий режим. В отличие от монооксида углерода диоксид углерода образуется при полном окислении углеродсодержащего топлива. Атмосферный диоксид углерода находится в состоянии постоянного обмена с почвой, водами и живыми организмами, в результате чего постоянный кругооборот его в природе. В этом кругообороте источниками CO2 служат вулканические извержения, выветривание содержащих углерод горных пород, микробиологический распад органических соединений над почвой и в почве, дыхание животных и растений, лесные пожары и сжигание природного топлива. В результате интенсивной обработки земли и создании новых пашен идёт разрушение слоя гумуса в почве и ускоренный переход углерода в атмосферу. К этому добавляется вырубка лесов, особенно ликвидация тропической растительности, в которой издавна накопились огромные запасы углерода. Эти вырубки в значительной мере способствуют нарушению равновесия между связыванием и выбросом углерода.

4.Разрушение озонового слоя в присутствии соединений азота (азотный цикл)

Источники поступления азота в атмосферу.

В 1971 г. почти одновременно в научных журналах появились две статьи посвященные проблеме разрушения озонового слоя в результате человеческой деятельности. Одну написал американский ученый Гарольд Джонстон, другую - Пауль Крутцен из ФРГ. Рассматривая фотохимические процессы, эти ученые обратили внимание на цикл двух реакций:

O3 + NO ---------- NO2 +O2 (1)

NO2 + O ---------- NO + O2.

В левой части этих уравнений погибает одна молекула окиси азота и одна молекула двуокиси азота, а в правой появилось по одной молекуле NO и NO2. Отсюда следует, что расхода окиси и двуокиси азота в этих реакциях не происходит, эти вещества являются катализаторами. Но в этой реакции исчезли атом O и молекула O3 и образовались две молекулы O2. Если записать то, что произошло, в виде результирующей реакции можно получить:

O + O3 ---------- O2 + O2. (2)

В процессе этой реакции уничтожаются и сами молекулы O3 и атомы O, необходимые для создания озона. Отличие системы реакций (1) от реакции (2) в том, что эффективность системы зависит от концентрации окислов азота NO и NO2, выступивших в роли катализатора. Очевидно, что при достаточно высоких концентрациях NO и NO2 скорость гибели O и O3 в результате действия системы может стать во много раз выше, чем при реакции (2). Если эффект системы (1) сильнее эффекта системы (2), то концентрация O3 будет определяться уже скоростью гибели O и O3 в этой системе и будет меньше, чем в случае действия только реакции (2) Насколько меньше это будет зависеть только от того, сколь велики концентрации NO и NO2. Очевидного предела здесь нет.

Таково упрощенное изложение идеи Крутцена и Джонстона. Если количество окислов азота, в результате деятельности человека, возрастет выше определенного уровня, равновесная концентрация озона начнет падать. И здесь неважно, какие именно окислы азота (NO, NO2, N2O), будут попадать в атмосферу. В ходе быстрых реакций с кислородными соединениями, Например типа тех же реакций (1), между окислами азота установится внутреннее соотношение, поэтому для проблемы разрушения озона существенно лишь суммарное количество всех попадающих в атмосферу азотных соединений. Обозначим их условно NOx.

Естественно встает вопрос о том, какого рода деятельность может привести к заметному росту количества NOx в стратосфере. Источников атмосферного загрязнения довольно много, но Крутцен и Джонстон сделали акцент на одном из них - на полетах стратосферной авиации. Дело в том, что при полете реактивного самолета в стратосферный воздух выбрасывается большое количество отработанных газов из двигателей, существенную часть которых составляют окислы азота и пары воды. С точки зрения загрязнения стратосферы важно не только общее количество производимых самолетами окислов азота, но и высота их введения в атмосферу, поскольку окись и двуокись азота в тропосфере быстро удаляются вымыванием.

Крутцен и Джонстон, прикинув тенденцию будущего развития стратосферной авиации, оценили ожидаемое количество полетов на рубеже веков в несколько сот в сутки. Задавшись далее некоторыми исходными данными о количестве выбрасываемых в окружающую атмосферу окислов азота за один, они получили общее число молекул NOx , которое в результате окажется в стратосфере. Итог получился сенсационным. Оказалось, что попавшего таким образом в стратосферу количества окислов азота будет достаточно, чтобы к началу 80-х годов равновесная концентрация озона уменьшилась в результате действия системы реакций (1) на несколько десятков процентов! Заявления этих ученых вызвали настоящую сенсацию, а их прогнозы оказались на страницах общедоступной прессы. Но их прогнозы не сбылись, хотя они были правы. Это произошло по нескольким причинам:

Во-первых, не произошло ожидаемого бума с развитием стратосферных полетов.

Во-вторых, оказались неверными некоторые из использовавшихся исходных данных о количестве выбрасываемых молекул NOx и о скоростях ряда фотохимических реакций. Работы Крутцена и Джонстона фактически положили начало детальному изучению химии стратосферы.

По мере изучения проблемы антропогенных загрязнений озона выяснилось, что выбросы стратосферных самолетов не являются единственным (и даже главным) искусственным источником поступления азотных окислов в атмосферу. Очень мощным источником

NOx являются азотные удобрения Попадая в почву, такие удобрения (прежде всего это закись азота N2O) распыляются, при этом некоторое количество молекул попадает в приземный воздух.

От попадания молекул N2O в приземную атмосферу до повышения концентрации NOx в стратосфере путь длинный. Целая цепочка процессов - турбулентность в приземном слое воздуха, восходящие движения в тропосфере, перенос обогащающего азотными окислами газа в низкие широты, восходящие потоки из тропосферы через тропопаузу в стратосферу, обратный горизонтальный перенос газа в более высокие широты в стратосфере - должна произойти, чтобы в результате над всем земным шаром увеличилось количество молекул NOx, представляющих угрозу для стратосферного озона.

Увеличение количества используемых азотистых удобрений идет быстрыми темпами. За 20 лет с1955 по 1975 г. производство таких удобрений возросло более чем в 10 раз (примерно с 3 до 40 миллионов тонн (мегатонн) в год). Оценки 80-х годов показывают, что за счет использования азотистых удобрений в атмосферу поступает ежегодно около 10 мегатонн N2O и что эта величина составляет 25 - 40% естественного поступления закиси азота.

Наконец, окислы азота поступают в атмосферный газ (главным образом в виде N2O) при сжигании промышленного топлива. По имеющимся оценкам, количество закиси азота, попадающее в воздух с дымом работающих на обычном (не ядерном) горючем электростанций, само по себе достаточно велико и составляет 3 - 4 мегатонны в год.

Результаты активного использования окислов азота не заставили себя ждать. Измерения показывают, что количество N2O в атмосфере (и, в частности, в стратосфере) растет со скоростью примерно 0,2% в год. Это значит, что если такой темп сохранится, количество закиси азота в атмосфере удвоится через 300 лет.

Подобным образом происходит разрушение озонового слоя в присутствии соединений водорода (водородный цикл), а так же в присутствии соединений хлора (хлорный цикл).

5.Ядерные взрывы и озон

Существует еще один антропогенный источник азотных окислов, который может влиять на жизнь стратосферного озона. Речь идет о ядерных взрывах.

За счет сильного нагрева газа (в тепловую энергию переходит около трети всей энергии взрыва) и частично за счет мощного излучения состав воздуха в области взрыва сильно изменяется,- в нем появляется много азотных окислов. Сама вспышка излучения длится не очень долго, да и падение температуры после внезапного нагрева происходит достаточно резко. Однако быстро вернуться назад к исходному состоянию газа с измененным составом уже не может - время жизни относительно динамических и химических процессов составляет часы. В результате облако с высокой “добавкой” азотных окислов будет, постепенно расширяясь существовать большое время (некоторое превышение концентрации NOx над нормальным значением может наблюдаться и через сутки после взрыва).

По разным оценкам, при взрыве образуется от 1 до 10 килотонн NOx на 1 мегатонну мощности. На первой стадии в облаке присутствует в основном двуокись азота NO2. Именно ей облако обязано своим желтоватым цветом. При остывании облака происходит перераспределение азотных радикалов, и в облаке появляются другие окислы, прежде всего NO. На стадии, когда горизонтальный диаметр облака составляет несколько километров, концентрация молекул NOx в нем равна примерно10 в 12 степени см в -3 степени. Эта величина близка к концентрации самого озона в максимуме его слоя. Зная степень воздействия азотных окислов на озон можно заключить, что атомные взрывы должны разрушать стратосферный озон. А что на самом деле?

При обсуждении влияния высотных взрывов на озон нужно различать кратковременные и долговременные эффекты. Вряд ли можно ожидать, что в облаке, насыщенном окислами азота сохранится неизменным. Однако по теоретическим моделям дают уменьшение концентрации озона в области максимума слоя в 3-30 раз в зависимости от параметров взрыва. Измерить, однако, такие эффекты достаточно трудно, кроме того, в последние полтора десятилетия высотные взрывы не проводятся (основная серия была в 60-ч годах), и поэтому нет возможности проверить теоретические оценки изменения концентрации озона с помощью наблюдений современными методами.

Серии высотных ядерных испытаний 60-ч годов привели в сумме к образованию в стратосфере дополнительно большого количества азота, сравнимо с их естественным источником. Так, в 1961г. ядерный источник NOx дал примерно 600 килотонн, а в 1962 г. - 1100 килотонн, что лишь немного меньше естественного поступления NOx - 1600 килотонн в год. Казалось бы такая “добавка” к обычному фону азотных соединений не могла сказаться на количестве озона в эти годы в глобальном масштабе. Однако все попытки найти по мировой сети озонометрических станций тех времен следы какого-либо систематического уменьшения концентрации озона в этот период не дали определенного результата. Более того, по некоторым данным количество озона в последующие годы даже возросло. Не удалось обнаружить глобальных эффектов в концентрации озона и после высотных ядерных взрывов весной 1970г., хотя тогда уже велись наблюдения концентрации озона со спутника “Нимбус-4”.

Все эти данные поставили под сомнение даже сам факт отрицательного влияния высотных взрывов на количество озона и позволили некоторым ученым высказать предположение, что в результате всего комплекса процессов, проходящих в облаке, количество озона может не уменьшаться, а возрастать. Более реальным с позиции сегодняшних знаний о физике стратосферного озона, представляется уменьшение концентрации озона в результате взрыва.

6. Озоновая антарктическая аномалия

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%.

Если нарисовать изменение общего количества озона в течение года (сезонный ход) над какой-нибудь точкой в Антарктике (для определенности буду считать этой точкой Южный географический полюс), то можно увидеть, что до появления “дыры” оно было таким, как показано на рисунке 4. В течение весенних месяцев (сентябрь-ноябрь) наблюдались значения N(O3) около 300-320 е.Д. Хотя эта величина и менялась от года к году, изменения были относительно невелики (в пределах ± 30 е.Д.).

Антарктической весной 1987г., когда эффект весеннего понижения N(O3) был наибольшим из пока наблюдавшихся, сезонный ход уже совсем иначе (пунктирная кривая на рисунке). В течение всего года величина N(O3) была такой же, как и во все предыдущие годы (с возможными отклонениями ± 30 е.Д.), однако в начале сентября она начала довольно быстро уменьшаться и уже к середине месяца упала до 150 е.Д. (следует помнить, что все цифры я даю лишь ориентировочно, чтобы проиллюстрировать сам характер и примерную амплитуду изменения). В течение последующих весенних месяцев (октябрь и ноябрь) общее количество озона оставалось низким и восстановилось до нормального уровня лишь в декабре.

Принципиально такая же картина получится, если построить сезонный ход над другими точками Антарктики. Различно будет лишь наименьшее значение, до которого падало N(O3) весной 1987г.

В 1987г. территория, где N(O3) уменьшилось до 200 е.Д., составляла около 40 миллионов квадратных километров, а её граница практически совпадала с кругом 60° ю. ш.

По сегодняшним представлениям причина образования “озоновой дыры” связана прежде всего с систематическим увеличением в стратосфере Земли количества хлора и других галогенов благодаря все возрастающему выбросу в атмосферу галогеносодержащих соединений (в первую очередь фреонов). Но к столь драматическим изменениям N ( O3 ) (в несколько раз) при сегодняшнем уровне загрязнения воздуха приводит специфика метеорологической обстановки в антарктической стратосфере зимой и весной. Зимой в полярной стратосфере южного полушария существует устойчивый циклон - так называемый циркумполярный. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям, не выходя за его границы. При этом в Антарктике зимой практически не происходит обмена воздухом между полярной и среднеширотной атмосферой. К конце зимы воздух внутри вихря сильно охлаждается (до -70ј -80° C), и в стратосфере появляются полярные облака, состоящие из кристалликов льда и капель переохлажденной жидкости.

Частицы полярных облаков связывают азотные соединения (прежде всего NO2) и дают простор действию хлорного цикла разрушения озона. По мере нагревания антарктической стратосферы циркумполярный вихрь разрушается, при этом восстанавливается обмен воздухом с богатыми озоном средними широтами, стратосферные облака исчезают, освободившиеся молекулы NO2 связывают молекулы окиси хлора, разрушительное действие хлорного цикла ослабевает, и количество последнего восстанавливается до невозмущенных значений.

Замечена связь уменьшения количества озона над Антарктикой с задержкой разрушения циркумполярного вихря. Так, весной 1987г., когда падение N (O3) было максимальным, разрушение вихря произошло лишь в начале декабря, а не в октябре, как это бывает обычно.

Весной 1988 г. эффект уменьшения количества озона над Антарктикой был выражен слабее, чем годом раньше: наблюдалось понижение N (O3)лишь до 200 е.Д., да и область, где происходило такое понижение была значительно меньше, чем весной 1987 г. Весной 1989 г. “дыра” была почти столь же интенсивной, как и в 1987 г. Такое колебание эффекта “озоновой дыры” связывают с обнаруженными по другим наблюдениям квазидвухлетними колебаниями количества озона и ветрового режима средней атмосферы.

Весной (февраль-март) 1988 и 1989гг. проводились поиски явления, аналогичного антарктической “озоновой дыре”, в Арктике. Метеорологическая обстановка в арктической стратосфере отличается от таковой в Антарктике. Менее выраженный зимний циркумполярный вихрь не дает арктической атмосфере сильно охладиться, а потому не появляется условий для образования стратосферных облаков. Кроме того, не прекращается обмен воздухом с богатыми озоном средними широтами. Следовательно, не следует ожидать и явления “ озоновой дыры” в столь же явном виде, как в южном полушарии.

Наблюдения 1988 и 1989 гг. показали, что, действительно, общего явления понижения N (O3), сравнимого с антарктической “дырой”, в Арктике нет. Однако в отдельных местах обнаружены относительно небольшие области с пониженными N (O3) (“микродыры”), которые могут быть связанны с локальными вихрями, образующимися при разрушении основного циркумполярного вихря. Например, одна из таких “микродыр” была обнаружена весной 1989 г. во время самолетных измерений над северной частью Норвегии, о чем сообщалось в прессе.

Таким образом, “озоновая дыра” является результатом загрязнения атмосферы хлорсодержащими соединениями. Сильный эффект уменьшения N (O3) именно весной в полярной области южного полушария связан со спецификой метеорологической обстановки в зимней антарктической стратосфере.

7.Откуда взялась “дыра”?

Как только существование “озоновой дыры” стало научным фактом, естественно возник вопрос: А какова же её природа? И через некоторое время появились две гипотезы - антропогенная фотохимическая и метеорологическая. Сторонники первой гипотезы считали, что уменьшение озонового слоя результат антропогенного загрязнения атмосферы. Озоновая дыра имеет чисто метеорологическое происхождение и связана со спецификой динамического режима стратосферы в Антарктике, - утверждали приверженцы второй гипотезы. Важным моментом этой гипотезы было существование внутри устойчивого циклона (так называемого циркумполярного вихря), висящего зимой и большую часть весны над Антарктикой, направленных вверх (восходящих) вертикальных движений.

У каждой из гипотез были свои плюсы и минусы. В рамках антропогенной концепции было трудно ответить на вопрос о том почему “дыра” (если она отражает общую тенденцию все возрастающего загрязнения атмосферы) наблюдается лишь над Антарктикой и только весной. А сторонникам метеорологической природы “дыры” было трудно объяснить, почему последняя не наблюдалась до начала 80-х годов и почему в 80-х она появилась и стала усиливаться год от года.

В октябре 1987 года были получены данные, которые показали, что к антропогенному загрязнению атмосферы явление “озоновой дыры” имеет самое прямое отношение.

8. Механизмы образования озоновой дыры

Согласно одному из них уменьшение озона связано с увеличением оксидов азота, вызванных в свою очередь солнечной активностью. Как известно, максимум солнечной активности в последнем 11-летнем цикле наблюдается в 1979 - 1983 гг. В это же время наблюдалось увеличение (на 30 - 60%) концентрации оксидов азота в мезосфере Южного полушария. В последующем отмечался перенос оксидов на более низкие уровни в стратосферу в период полярной ночи. Фотохимические реакции “азотного” цикла с участием оксидов азота, как мы знаем, приводят к разрушению озона, что обуславливает снижение его концентрации в стратосфере и образовании озоновой дыры. Наблюдавшиеся отставания по времени между максимумом солнечной активности и ореолом развития озоновой дыры в 1985-м и последующих годах объясняются следующим образом. К моменту максимума и начала спада солнечной активности происходит резкое увеличение нисходящего потока оксидов азота в стратосферу и последующее формирование озоновой дыры. В период спада солнечной активности на границе мезосферы поток оксидов азота уменьшается, но в стратосфере их концентрация максимальна, а, следовательно, содержание озона минимально. Наконец, на последней стадии, которая началась в 1986г. и к90-м годам еще не закончилась, в минимуме солнечной активности содержание оксидов азота в стратосфере уменьшается, а количество озона должно увеличиваться и состояние озонового слоя должно возвратиться к первоначальному.

Такой механизм мог реально объяснить процесс формирования озоновой дыры. В его пользу до последнего времени говорил тот факт, что в 198г. наблюдалось значительное увеличение концентрации озона по сравнению с предыдущим годом, осенью которого отмечалось максимальное разрушение озонового слоя над Антарктидой. Однако измерения 1989г. показали, что дыра вновь появилась, т.е. вместо ее исчезновения, при спаде солнечной активности, начинают отмечаться колебания величены от года к году. Помимо этого, в рамках данного механизма остаются без ответа по крайней мере, два вопроса. Первый: почему в процессе предшествующих 11-летних циклов солнечной активности не формировалась озоновая дыра? В частности, один из предыдущих циклов, максимум которого приходится на 1958 - 1960гг., обладал активностью большей, чем текущий. Однако в те годы отмечено лишь небольшое снижение концентрации озона, которое возможно связанно с последствиями ядерных испытаний. Второй вопрос: почему озоновая дыра формировалась только в Южном полушарии?

Другой предполагаемый механизм связывает образование озоновой дыры с “хлорным” циклом антропогенного происхождения. Одну из фотохимических реакций с участием хлора, я рассматривала в одном из предыдущих разделов. Механизм, связанный с реакциями хлорного цикла, предполагает поступление хлорных соединений в полярную стратосферу благодаря циркуляции атмосферы. А в атмосферу разрушающие озон соединения поступают с поверхности Земли непрерывно из миллионов аэрозольных упаковок, бытовых холодильников, рефрижераторов, в результате выбросов химических заводов и т.д. И не смотря на то. Что хозяйственная деятельность человека пока еще не привела к заметному снижению суммарного содержания озона в атмосфере, фреоны могут быть причастны к разрушению озонового слоя над Антарктидой - таково мнение большой группы ученых. Но и в этом механизме есть безответный вопрос: почему антропогенно обусловленный механизм не проявил себя в Северном полушарии, где поступление хлорных, бромистых и других соединений, разрушающих озон, идет более интенсивно?

Третий возможный механизм - так называемый динамический - пытается объяснить формирование озоновой дыры чисто циркуляционными процессами в стратосфере и мезосфере и горизонтальным перераспределением озона при общем его постоянстве. Опуская аргументацию сторонников такого механизма, отмечу лишь, что при указанной циркуляции должен происходить отток озона из полярной озоносферы и его накапливание в полосе 60 - 70 градусов южной широты. Хотя такое накапливание и наблюдалось, но ожидаемый по этой теории баланс озона в Южном полушарии отсутствовал,- суммарное содержание озона там в этот период снижалось. Так, в основании результатов измерений, проведенных в ходе полетов исследовательского самолета НАСА между Калифорнией и Чили, в сентябре - октябре 1989г. произошло значительное обеднение (до 15-30%) слоя озона за пределами озоновой дыры в южных широтах до 50 градусов.

Над самой Антарктидой химические реакции, протекающие на поверхности частиц льда, обуславливают высвобождение хлора в активной форме, который разрушает озон. За пределами полярного района частиц льда мало и возможным объяснением разрушения слоя озона может быть активный хлор, выделяющийся при аналогичных реакциях, протекающих на поверхности капелек серной кислоты. Следовательно, одним динамическим механизмом трудно объяснить формирование озоновой дыры. Таким образом, ни один из предложенных механизмов в отдельности не в состоянии дать исчерпывающую разгадку снижения концентрации озона в стратосфере южнополярного бассейна.

Как уже указывалось, отмечены первые признаки снижения концентрации озона в Северном полушарии. Следует отметить, что характер атмосферных движений в стратосфере обоих полушарий существенно различен. В Северном полушарии температура в среднем выше, а взаимодействие и обмен между полярной областью и средними широтами более эффективны. Разрушение полярного вихря происходит раньше в Северной полярной зоне, что ограничивает эффективность фотохимических реакций, происходящих в вихре при низких температурах. Поскольку циркуляция вихря в арктических широтах слабее, чем устойчивая циркуляция вихря, опоясывающего Антарктиду, в северную субполярную область примесей с воздушными потоками поступает меньше, чем в южную, и образование дыры не происходит.

Не все ученые разделяют озабоченность и тревогу, связанные с появлением озоновой дыры. Критически анализируя утверждение, что озоновая дыра является началом разрушения озоносферы, эти исследователи считают, что антарктическая дыра в это время года представляет обычное естественное явление, которое может усиливаться внеземными факторами, такими, как солнечные протонные вспышки и метеоритные потоки. Имеются даже упреки в том, что противоречивость суждений о причинах возникновения озоновой дыры просто выгодна исследователям, занимающимся наблюдениями атмосферного озона, и подобная неопределенная ситуация является для них желательной. Поиск достоверного ответа на заданный природой вопрос породил целый спектр мнений о механизме возникновения озоновой дыры и последствиях ее воздействия на нашу планету: начиная от полного благодушия, и кончая предсказанием озоновой катастрофы. Что находится между этими крайними точками зрения - истина или новая проблема,- покажут дальнейшие исследования.

9. Чем нам грозит “озоновая дыра”?

Возникновение “озоновых дыр” (сезонное уменьшение содержания озона вдвое и более) впервые наблюдали в конце 70-х годов над Антарктидой. В последующие годы длительность существования и площадь “озоновых дыр” росли, и к настоящему времени они уже захватили южные регионы Австралии, Чили и Аргентины. Параллельно, хотя и с некоторым запозданием, развился процесс истощения озона над Северным полушарием. Вначале 90-х годов наблюдали 20 - 25 % его уменьшения над Скандинавией, Прибалтикой и северо-западными областями России. В отличных от приполярных широтных зон истощение озона менее выражено однако и здесь оно является статистически достоверным (1,5-6,2% за последнее десятилетие).

Истощение озонового слоя может оказать значительное влияние на экологию Мирового океана. Многие из имеющихся в нем систем испытывают стресс уже при существующих уровнях естественной Ультрафиолетовой радиации, и увеличение ее интенсивности для некоторых из них может оказаться катастрофическим. В результате воздействия ультрафиолетового излучения у водных организмов нарушается адаптивное поведение (ориентация и миграция), подавляются фотосинтез и ферментативные реакции, а также процессы размножения и развития, особенно на ранних стадиях. Поскольку чувствительность к ультрафиолетовой радиации разных компонентов водных экосистем существенно различается, то в результате разрушения стратосферного озона следует ожидать не только уменьшения общей биомассы, но и изменение структуры водных экосистем. В этих условиях могут погибать и вытесняться полезные чувствительные формы и усиленно размножаться резистентные, токсичные для окружающей среды, например сине-зеленые водоросли.

Эффективность водных пищевых цепей в решающей степени определяется продуктивностью их начального звена - фитопланктона. Расчеты показывают, что в случае 25%-го разрушения стратосферного озона следует ожидать 35%-го снижения первичной продуктивности в поверхностных слоях океана и 10%-го снижения во всем слое фотосинтеза. Значимость прогнозируемых изменений становится очевидной, если принять во внимание, что фитопланктон утилизирует более половины углекислого газа в процессе глобального фотосинтеза, и лишь 10-го снижения интенсивности этого процесса эквивалентно удвоению выброса углекислого газа в атмосферу в результате сжигания полезных ископаемых. Кроме того, ультрафиолетовая радиация подавляет продукцию фитопланктоном диметилсульфида, играющего важную роль в формировании облачности.

Последние два феномена могут вызвать долговременные изменения глобального климата и уровня Мирового океана.

Из биообъектов вторичных звеньев водных пищевых цепей ультрафиолетовое излучение способно непосредственно поражать икру и мальков рыб, личинки креветок, устриц и крабов, а также других мелких животных. В условиях истощения стратосферного озона прогнозируется рост и гибель мальков промысловых рыб и, кроме того, снижение улова в результате уменьшения первичной продуктивности Мирового океана.

В отличие от водных организмов, высшие растения могут частично адаптироваться к увеличению интенсивности естественной ультрафиолетовой радиации, однако в условиях 10-20%-й редукции озонового слоя у них наблюдается торможение роста, уменьшение продуктивности и изменения состава, снижающие пищевую ценность. Чувствительность к ультрафиолетовой радиации может существенно различаться как у растений разных видов, так и у разных линий одного вида. Культуры, районированные в южных регионах, более резистентные по сравнению с районированными в зонах умеренного климата.