Причины разрушения озонового слоя

Разрушитель озона – фреон!

В последние несколько лет человечество обеспокоено тем, что происходит в озоновой оболочке Земли, появлением в стратосфере так называемых озоновых дыр. Тревога эта понятна. Как известно, озоновый слой предохраняет поверхность Земли от жестокого ультрафиолетового излучения. Даже самые низшие формы жизни могут пострадать от избытка ультрафиолетовой радиации. При ее действии разлагается хроматин клеточного ядра, прекращается его деление и размножение клеток, вызывается повреждение ДНК, нарушается генетический код. Кроме того, поглощая лучистую энергию, озон повышает температуру стратосферы и снижает ее в приземном слое воздуха и самой поверхности Земли. Разрушение же озонового слоя влечет за собой тяжелые, быть может, даже трагические последствия .

Можно ли замедлить и приостановить этот процесс или даже восстановить и вывести содержание озона на доиндустриальный уровень? Для этого прежде всего необходимо понять причины сокращения озонового слоя.

Разрушение озоновой оболочки Земли сейчас волнует не только ученых, но и людей, далеких от науки, ибо речь идет о сохранении жизни. Специалисты бьются над разгадкой этого явления уже не один год. Существует множество гипотез, объясняющих причины сокращения озонового слоя. И одна из них – газогидратная .

Что же представляют собой газовые гидраты? Это соединения, похожие на снег или лед, но их кристаллическая решетка, построенная молекулами воды, имеет значительно большие, чем у льда, полости – «клетки». В них и располагаются молекулы газов.

Гидраты газов широко распространены на Земле: на суше и в осадках дна Мирового океана. Предполагается, что гидраты имеются и в мезосфере , ядрах комет, а также на Марсе. Искусственные газовые гидраты были получены в атмосфере путем распыления пропана для разгона «теплых» туманов. Пропан, реагируя с капельками воды тумана, превращается в гидрат и выпадает на землю в виде «твердого» дождя.

Какую же роль могут играть газовые гидраты в уничтожении слоя озона?

На свету , особенно с наступлением весны, молекулы гидратообразователей, например фреонов, находящиеся в полостях решетки, подвергаются фотолизу . При этом образуются свободные радикалы , ион-радикалы и свободные электроны . Далее протекают реакции с участием этих высокоактивных реагентов, например, …. с молекулами Н2О, в результате которых образуется Н2О2. Как показали эксперименты, Н2О2 может заменять молекулы Н2О в решетке гидрата. Образование и стабилизацию ион-радикалов в решетке гидратов экспериментально наблюдали американские ученые.

Наконец, перечисленные реагенты могут взаимодействовать с озоном. Фотохимические реакции особенно эффективно идут в твердых фазах, в частности в газовых гидратах.

Таким образом, при образовании гидратов происходит концентрирование исходных веществ, например озона, затем в результате фотолиза образуются дополнительные высокоактивные реагенты – свободные электроны, свободные радикалы и ион-радикалы – источники электронов и осуществляются реакции их с озоном по схемам:

О3 + 2.... + 2Н+ О2 + Н2О

Н2О2 + О3 Н2О + 2О2

Обе эти реакции идут в подкисленной среде, а ведь в зоне разрушения озона много НР и НС1. Кроме того, могут происходить реакции:

О3 + С1о СlO + O2

О3 + 2Н° Н2О + О2

Все перечисленные реакции реализованы в лабораторных условиях.

Таким образом, гидратная гипотеза объясняет причины разложения озона.

Ее подтверждением служит и то, что этот процесс происходит преимущественно в высоких широтах в районах Южного и Северного полюсов. Наряду с особенностями перемещения воздушных масс здесь существуют наиболее благоприятные условия для гидрато-образования – низкие температуры в стратосфере до -90°С.

Кристаллы гидратов, содержащие высокие концентрации озона, способствуют его переносу из стратосферы в приземные слои атмосферы.

Но самое главное, если гипотеза верна, то разрушение озонового слоя может перерасти в автопроцесс с ускорением темпов и разрастанием дыры за пределы Антарктики и Арктики: уничтожение озона вызывает охлаждение верхних слоев атмосферы, а это стимулирует масштабы гидратообразования, а следовательно, ускоряет сокращение озонового слоя.

Поэтому необходимо резко уменьшить постуление гидратообразователей, разрушителей озона. Прежде всего это газы , выбрасываемые промышленными предприятиями и бытовыми приборами. Второй компонент, образующий газовые гидраты, – это вода. Необходимо прекратить ее сток в стратосферу в виде продуктов сгорания топлив высотных самолетов.

Результаты непродуманной человеческой деятельности наступают на нас со всех сторон, но разрушение озонового слоя – это наиболее широкомасштабный глобальный процесс, способный нарушить естественный ход развития биосферы. Нужно незамедлительно начать ее защиту.

Реакция Земной цивилизации на проблему «озоновых дыр»

Возможность непреднамеренного антропогенного воздействия на озоновый слой атмосферы Земли впервые обсуждалась в 70-х годах в связи с появившимися в то время в ряде стран планами создания сверхзвуковой пассажирской авиации и в связи с началом применения космических транспортных кораблей многоразового использования. Выбросы реактивных двигателей, предназначенных для вывода на орбиту космических летательных аппаратов, содержат хлорсодержащие соединения, способные в каталитических химических реакциях в стратосфере разрушать озоновый слой. В составе выбросов двигателей сверхзвуковых самолетов наибольшую опасность для атмосферного озона представляют окислы азота и водорода, которые также могут разрушать озон в каталитических циклах.

Проведенные в этот период в США широкомасштабные исследования воздействия сверхзвуковой авиации и запусков космических аппаратов на окружающую среду показали, что мощность такого антропогенного механизма разрушения озона является пренебрежимо малой в сравнении с мощностью природных источников образования стратосферного озона. Даже при самых оптимистических прогнозах массового развития сверхзвуковой пассажирской авиации и роста числа полетов космических аппаратов типа «Шаттл», возможная убыль озона в атмосфере будет в пределах менее 0,5 процента от его общего содержания в атмосфере.

Однако этот вывод не принес спокойствия экологам, поскольку в конце этого же десятилетия стало ясно, что куда более реальную угрозу озоновому слою Земли представляют выбросы в атмосферу так называемых хлорфторуглеродов. До недавнего времени эти вещества широко использовались в различных отраслях промышленности при прризводстве аэрозольных распылителей, в качестве хладагентов в бытовых и промышленных холодильных установках, в составе растворителей, вспенивателей при производстве пенополиуретановых материалов. Этот перечень применений хлорфторуглеродов не является исчерпывающим и включает также многие виды применений при производстве важнейших промышленных изделий, в том числе средств вооружений. Другой, как оказалось еще более агрессивный по отношению к озону класс веществ, – это так называемые бромхладоны, являющиеся до настоящего времени наиболее высокоэффективными и безопасными средствами пожаротушения.

Скорость разрушения озона в химической реакции с бромом еще выше по сравнению с хлором почти в десять раз. Теоретические оценки ученых показали, что гипотеза антропогенного химического разрушения озона вполне оправдана при условии дальнейшего наращивания мирового производства и потребления хлорфторуглеродов и бромхладонов. Масштабы возможного глобального истощения озонового слоя Земли могут оказаться катастрофическими.

Первоначальная реакция многих ученых на предостережение об опасности озоновому слою была неоднозначна, поскольку сохранялось слишком много неопределенностей в наших знаниях о реальных динамических и химических процессах в атмосфере. Однако эти работы стимулировали дальнейшие научные исследования. Большая заслуга в более детальном понимании химии атмосферных процессов и антропогенных воздействий на озоновый слой принадлежит немецкому ученому П. Крутцену. Во многом благодаря ему и его работам и с учетом предположений об опасных последствиях истощения озонового слоя, Скандинавские страны и несколько позднее страны ЕС и США приняли на правительственном уровне ряд превентивных мер по сокращению производства и потребления наиболее опасных хлорфтеруглеродов.

В 1985 году английскими метеорологами было обнаружено, что в весенние месяцы над Антарктидой с начала 80-х годов наблюдается постепенное и все более статистически значимое ежегодное химическое разрушение стратосферного слоя озона, достигающее 50% от его общего содержания в атмосфере. В последующие годы этот факт был независимо подтвержден данными глобальных наблюдений за содержанием озона из космоса, методами баллонного зондирования и данными прямых самолетных измерений химического состава нижней стратосферы до высот 20 км. На рис. 1 приведены карты полей общего содержания озона над Антарктидой в весенние месяцы в период с 1986 по 1989 гг. По этим картам полей общего содержания озона видно, что масштабы наблюдаемых «озоновых дыр» сопоставимы по площадям с территорией Антарктиды, а в отдельные годы аномалии в озоновом слое захватывают отдельные области над Австралией или оконечность Южной Америки.

Через несколько лет был выявлен статистически значимый отрицательный глобальный тренд в общем содержании озона над всеми широтами северного и южного полушарий. Убыль озона составила к концу 1995 года в среднем около 6% за период с 1975 года. Столь значительное глобальное уменьшение содержания озона в земной атмосфере также стимулировало тщательное изучение возможных механизмов, способных нарушить глобальный баланс источников и стоков озона в атмосфере. На рис. 2 показан временной ход наблюдаемого тренда глобального истощения озона в земной атмосфере и модельная оценка этого тренда. На рис. 3 приведены данные многолетних среднемесячных значений общего содержания озона в марте в Арктике и средних широтах северного полушария. Из этого рисунка видно, что тенденция последних лет в содержании озона в северном полушарии весной аналогична сезонному истощению озона, наблюдаемому над Антарктидой.

Исследования ученых привели мировое сообщество к необходимости сделать выбор: либо продолжать наращивать бесконтрольное применение озоноразрушающих веществ в различных отраслях экономики с немалой сиюминутной выгодой для потребителей, либо принять достаточно болезненные в финансовом отношении меры по сокращению производства и потребления этих веществ и инвестировать немалые средства в поиск альтернативных экологически безопасных технологий с целью сохранения озонового слоя Земли.

Реакция правительств многих развитых и развивающихся стран мира на начальном этапе осознания реальности угрозы истощения озонового слоя была противоречивой. Однако появление убедительных экспериментальных данных, свидетельствующих об истощении озонового слоя, и постоянная, активная поддержка переговорного процесса по решению этой глобальной экологической проблемы со стороны Программы ООН по охране окружающей среды привели к тому, что мировое сообщество приняло в 1985 году

Конвенцию об охране озонового слоя. В 1987 году был принят Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. В последующие несколько лет ряд стран согласились принять поправки к Монреальскому протоколу, предусматривающие более жесткие сроки сокращения производства и потребления озоноопасных веществ и расширяющие перечень контролируемых веществ.

Страны – участники подписанных соглашений смогли найти компромисс экономических интересов и договорились о конкретных масштабах и графиках последовательного сокращения производства и потребления основных озоноразрушающих веществ. Несомненно, принятые в эти годы меры явились беспрецедентными для всего мирового сообщества и продемонстрировали, что человечество в состоянии находить коллективные согласованные решения по предотвращению глобальных экологических катастроф.

Дальнейшие исследования проблемы антропогенного разрушения озонового слоя подтвердили своевременность и правильность мер, принятых на международном уровне. Было подтверждено, что при определенных метеорологических условиях антропогенное химическое разрушение озонового слоя наблюдается не только в Антарктиде, но и в Арктике и высоких широтах северного полушария. В частности, на основе анализа данных систематических наземных и космических наблюдений за состоянием озонового слоя над территорией России установлено, что в весенние месяцы 1995–1997 гг. уменьшение озона над отдельными районами нашей страны достигало в весенние месяцы 35-45% по сравнению с многолетними средними значениями.

На рис. 4 показано высотное распределение концентрации озона над территорией Восточной Сибири по данным наблюдений на российской станции в г. Якутске и для сравнения в Гренландии на станции Нью-Алезонд. Анализ этих данных подтвердил, что наблюдаемые аномалии вызваны химическими процессами разрушения озона. На рис. 5 показаны рекордно низкие среднемесячные значения общего содержания озона, наблюдавшиеся в марте 1997 года над северным полушарием. Данные получены по прибору «ТОМС», установленному НАСА США на спутнике «Еаrth Ргоbе». Практически эта картина аномального уменьшения озона над Арктикой в марте 1997 года представляет полный аналог «озоновой дыры», ежегодно образующейся в весенние месяцы над Антарктидой.

На рис. 6 показаны модельные прогнозы в изменении общего содержания озона в атмосфере для различных сценариев выполнения мер по сокращению производства и потребления озоноразрушающих веществ. Видно, что наблюдаемая тенденция уменьшения содержания озона будет продолжаться до середины следующего столетия, даже при условии выполнения положений Монреальского протокола и принятых к нему дополнений. Это означает необходимость организовать комплексные исследования воздействий наблюдаемого процесса истощения озонового слоя на биосферу и человека и улучшить мониторинг состояния озонового слоя и режима УФ радиации.

Каковы же наиболее опасные последствия глобального истощения озонового слоя? В результате уменьшения содержания озона в стратосфере, при сохранении неизменными всех других характеристик глобальной климатической системы, произойдет увеличение потока ультрафиолетовой солнечной радиации, достигающей поверхности земли.

Количественно уменьшение содержания озона на один процент приводит к увеличению интенсивности биологически активной части ультрафиолетовой солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, на три процента. При этом, с учетом так называемых спектров действий, которые заметно варьируют для различных элементов биосферы , происходит многократное увеличение доз биологически активной УФ радиации солнца. Таким образом, глобальное истощение озонового слоя приведет к тому, что будет нарушено сложившееся в результате эволюции биосферы состояние равновесия между характеристиками земных экологических систем и дозами получаемой ими приходящей от Солнца ультрафиолетовой радиации. Результаты проведенных в различных странах, в том числе в СССР, исследований воздействия повышенных доз ультрафиолетовой радиации указывают на целый ряд крайне неблагоприятных последствий в отношении здоровья человека, животных и растений.

Оценено, что при воздействии повышенных доз УФ радиации, эквивалентных уменьшению содержания озона в атмосфере на 25%, резко возрастет вероятность заболеваемости человека меланомным раком кожи. Получены данные, свидетельствующие о временном ослаблении действия иммунной системы человека при получении повышенных доз биологически активной УФ радиации. Опубликован ряд работ по анализу заболеваемости катарактой глаза и рядом других глазных заболеваний, которые показывают, что при получении повышенных доз УФ радиации солнца у человека и животных резко возрастает риск заболеваемости катарактой глаза, возможна полная или частичная потеря зрения.

Подтверждено негативное воздействие повышенных доз УФ радиации на различные земные экосистемы. В частности, наблюдается уменьшение биологической продуктивности многих растений: снижается их общая биомасса, уменьшается в среднем высота растений, деревьев, размеры листьев. При увеличении доз УФ радиации, соответственно, на 5%, 10%, 20% урожайность многих видов сельскохозяйственных культур снижается в среднем на 1%, 2,5%, 5%. На основе таких данных можно получить приблизительные оценки экономических потерь, обусловленных снижением урожайности сельскохозяйственных культур. Очевидно, что при условии вышеназванного глобального снижения урожайности сельскохозяйственных культур общие экономические потери для мировой экономики будут весьма существенны.

Выявлены разнообразные генетические изменения в простейших организмах под действием повышенных доз УФ радиации. При этом остаются совершенно не исследованными долговременные генетические последствия воздействий УФ радиации на более сложные элементы экосистем, в том числе на человека. Большие неопределенности имеются в оценках эффектов воздействия УФ радиации при долговременном, но незначительном превышении потоков естественной солнечной радиации, достигающей поверхности земли, относительно фонового уровня.

Сказанное означает, что необходимо проведение комплексных программ медико-биологических исследований по оценке и прогнозу неблагоприятных экологических последствий истощения озонового слоя.

С учетом реальной опасности глобального истощения озонового слоя земли в ближайшие десятилетия, необходима разработка превентивных мер по защите населения от негативных эффектов воздействия повышенных доз УФ радиации. Эта проблема может быть успешно решена на основе создания оперативной системы мониторинга состояния озонового слоя и разработки методов прогноза и картирования опасных доз УФ радиации над регионами с возможными аномалиями в содержании озона. В ряде стран мира элементы таких систем уже созданы или успешно разрабатываются. Для территории России также весьма актуальна задача создания национальной системы мониторинга за состоянием озонового слоя, поскольку над ее территорией уже имеет место заметное истощение озонового слоя. Работы по созданию эффективной системы геофизического и медико-биологического мониторинга необходимо развивать как можно быстрее, несмотря на известные экономические трудности переходного периода в развитии экономики России.

На основе долговременного функционирования такой глобальной системы мониторинга появится возможность обнаружения тенденций в восстановлении озонового слоя. Естественно, что такая ситуация станет реальной лишь в случае выполнения мер по глобальному прекращению производства и потребления озоноразрушающих веществ. В этой связи весьма актуальной задачей правительств всех стран является последовательное выполнение обязательств, предусмотренных Монреальским протоколом по веществам, разрушающим озоновый слой. К сожалению, следует отметить как неблагополучное состояние дел в России с выполнением обязательств по Монреальскому протоколу. Имеет место отставание в переводе различных отраслей промышленности на новые экологически и озонобезопасные технологии. Необходимы существенные государственные инвестиции в те отрасли экономики, которые не имеют собственных средств, достаточных для разработки нового оборудования и перехода на применение озонобезопасных технологий. Имеет место отставание с графиком работ по сокращению объемов производства озоноразрушающих веществ, предусмотренного Монреальским протоколом и поправками к нему.

Последствия в экономике в связи с невыполнением принятых мер могут оказаться весьма неблагоприятными для нашей страны. Сегодня промышленность России ориентирована на развитие свободных рыночных отношений в торговле с другими странами, и продукция отечественных предприятий, связанная с использованием озооопасных веществ и технологий, запрещенных к применению в соответствии с Монреальским протоколом, становится все менее конкурентоспособной. Эта тенденция в подходе к выполнению принятых международных обязательств должна быть как можно скорее преодолена в России, и для этого, прежде всего, необходимо более ответственное осознание реальной опасности истощения озонового слоя и возможной глобальной экологической катастрофы.