Фотохимическое образование озона в атмосфере и образование озонового слоя

Содержание

Введение …………………………………………………………………………3

Фотохимическое образование озона  в атмосфере и образование озонового слоя……………………………………………………………………………….4

Волшебный щит планеты ………………………………………………………6

Ядерные взрывы и озон …………………………………………………………7

Разрушение озонового слоя в присутствии соединений водорода. Источники поступления в атмосферу………………………………………………………..9

Разрушение озонового слоя в  присутствии хлора. Источники поступления  в атмосферу…………………………………………………………………………11

Откуда взялась «дыра»…………………………………………………………..13

Механизмы образования озоновой дыры……………………………………….14

«Состояние озонового слоя над  Россией»………………………………………16

Проблемы и пути их решения……………………………………………………17

Заключение………………………………………………………………………...19

Литература……………………………………………………………………...….20

Введение

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. Гипотезы о возможном разрушении стратосферного озона под действием выброса в атмосферу выхлопных газов от двигателей сверх звуковых самолетов, фреонов, использования удобрений, извержений вулканов и т. д. Неоднократно описывались в литературе. Поскольку озон задерживает активное излучение солнца, то разрушение озонного слоя может привести к целому ряду негативных последствий для растений, животных и человека.В ряду тревожных проблем – сдвиги в мировом климате, истощение лесных, почвенных и водных ресурсов, прогрессирующее опустошение планеты – находится и проблема разрушения озонового слоя. Возможно, что антарктический озон является предвестником глобальных изменений в озоносфере. Озоносфера - одна из поверхностных оболочек планеты. Она является составной частью биосферы Земли, включающей в себя совокупность живых организмов и неорганические вещества, находящиеся в общем круговороте. К изучению процессов, связанных с атмосферным озоном, привлечены значительные силы ученых у нас в стране и за рубежом. Ведутся наблюдения за количеством озона и его “врагов” – различных загрязняющих веществ, анализируются данные за прошедшие годы, ставятся новые эксперименты. Однако проблема атмосферного озона к настоящему времени далеко не исчерпана, и ряд важных и интересных разделов этой проблемы ждет своего разрешения, в особенности явления, связанные с влиянием на озоновый слой некоторых естественных факторов и антропогенных воздействий. Для их осмысления необходимо постоянное и всеобъемлющее слежение за состоянием окружающей среды (мониторинг). Для выработки научно обоснованных выводов и прогнозирования изменений в состоянии озоносферы Земли в отдельных регионах и глобальном масштабе нужны регулярные измерения концентрации озона существующими приборами и разработка новых методов и средств наблюдений озона. Из трех стихий, окружающих человека – тверди, воды и воздуха, -–последняя, является самой уязвимой. И не случайно именно в атмосфере появился первый реальный сигнал бедствия. Этот сигнал – озоновая дыра как вестник возможного глобального уменьшения защитного слоя озона в результате антропогенных загрязнении. Цель работы-изучение  и анализ проблем озонового слоя Земли.

Фотохимическое  образование озона в атмосфере и образование озонового слоя

Озон является аллотропным видоизменением кислорода с трехатомной молекулой O2. Молекула озона не линейна и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями.                                                                                                            Озон – одна из форм существования химического элемента кислорода в земной атмосфере. Последняя состоит в основном из азота и кислорода. В приземном воздухе, равно как и во всей атмосфере до высоты около 150 км, и азот, и кислород существуют практически только в форме молекул N2 и O9. 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.

Процесс образования  озона можно записать в следующем  виде:

Экзотермическая реакция

2О3 ® 3О2 +68 ккал (1)

Эндотермическая реакция

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. Итак, все начинается с диссоциации молекулы кислорода на два атома:

O2 + hv ® O + O. (2)

Через hv здесь обозначен  источник диссоциации. Чаще всего это  ультрафиолетовое излучение Солнца, но могут быть и энергитичные частицы, входящие в состав космических лучей.

Образовавшиеся атомы  кислорода либо соединяются вновь между собой в присутствии третьей молекулы М:

O + O ® O2 + М, (3)

Либо взаимодействуют  с молекулой O2 (также в присутствии  третьего тела), образуя молекулу озона:

О2 + О +М ® О3 + М, (4)

Где М – любая частица, необходимая для отвода энергии от образующейся молекулы озона. Для получения озона благоприятными является невысокие температуры и наличие дополнительного неравновесного количества атомарного кислорода. Источником последнего может служить диссоциация молекул кислорода под воздействием потока частиц, ультрафиолетового облучения.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 (уступает только F2).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.      Поскольку образование озона происходит главным образом в результате фотохимических реакций в стратосфере, здесь сосредоточена его основная масса (около 85 – 89% атмосферного озона). Фотохимическая реакция, приводящая к образованию озона и состоящая из серии событий, начиная от поглощения света молекулой кислорода и, кончая образованием стабильных молекул, разделяется на первичные и вторичные процессы.    Первичный процесс включает начальный акт поглощение света молекулой, приводящий ее в возбужденное состояние с последующим ее разрушением, результирующими продуктами которого являются два атома кислорода. Как известно, и атомы и молекулы могут находиться только в некоторых дискретных энергетических состояниях, определяемых квантовомеханическими закономерностями. Так, для атома кислорода, возможно, его существование в состояниях, обозначаемых символами іP, №D, №S, где состояния атома О(іP) являются нормальным, а состояния O(№D) и O(№S) – возбужденными. Энергия связей атомов в молекуле кислорода составляет 5,115эВ. Чтобы “разбить” молекулу кислорода, необходим световой квант с энергией, равной энергии связи атомов в молекуле. При поглощении такого кванта молекула кислорода диссоциирует на два нормальных атома. Под действием света с меньшей длиной волны (соответственно с большей энергией кванта) при диссоциации молекулы O2 продуктами распада будут возбужденные атомы кислорода. Пороговые длины волн поглощаемого излучения, при которых происходит фотодиссоциация молекулярного кислорода, таковы:

O2 ® O(³P) + O(³P) – 2424A°, (5)

O2 ® O(³P) + O(¹D) – 1750A°, (6)

O2 ® O(³P) + O(¹S) – 1332A°. (7)

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.

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, 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.

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.

Разрушение озонового  слоя в присутствии соединений водорода (водородный цикл). Источники поступления водорода в атмосферу.

Одним из немаловажных результатов  интенсивного изучения озона и его  фотохимии явилось установление того факта, что каталитический цикл разрушения озона типа реакций (8) возможно при участии не только окислов азота, но также и окислов водорода. В последнем случае этот цикл выглядит так:

OH + O3 ® HO2 + O2, (10)

HO2 + O ® OH + O2.

Смысл этих реакций такой  же, как и при реакции с азотом: произошла гибель гидроксила OH, –  молекула перекиси водорода HO2 образовалась, молекула HO2 погибла, – гидроксил OH восстановился. Убыли ни HO2, ни OH нет. А молекулы O3 и атомы O гибнут.                     Итак, разрушения озона в атмосфере возможно и в каталитических реакциях с участием окислов водорода. Здесь (как и в случае азотного цикла) участвует много водородосодержащих соединений, которые обозначают как семейство HOx. Катализаторы в виде окислов NO, NO2, OH, HO2 существуют в атмосферном газе в результате действия многочисленных реакций с участием в первую очередь тех реагентов, которые непосредственно поступают в атмосферу в виде продуктов естественных процессов или загрязняющих веществ. Водород поступает на Землю в виде воды. Но путь воды из тропосферы в стратосферу совсем не прост. Законы атмосферной динамики таковы, что переноса масс воздуха через тропопаузу практически не происходит, поэтому и молекулы малых составляющих попасть из тропосферы в стратосферу, просто двигаясь вверх, не могут. Исключение составляет очень холодная и высоко расположенная (17 – 18 км) тропопауза тропических широт, где такой перенос происходит. В результате молекулы реагентов, попавших в тропосферу в средних широтах, должны проделать длинный путь: сначала в тропосфере к экватору (горизонтальный перенос), затем через тропическую тропопаузу (вертикальный перенос) и, наконец, назад в средние широты уже на стратосферных высотах (горизонтальный перенос). Небольшим, видимо, добавлением к описанному выше механизму служит проникновение в стратосферу мощных кучевых облаков, которые иногда “пробивают” тропопаузу и возносят свои башни на несколько километров в стратосферу. В этом случае перемещение воздуха внутри облаков забрасывает некоторое количество тропосферного газа со всеми содержащимися в нем малыми примесями непосредственно в стратосферу. В результате описанных процессов в стратосферу регулярно поступают молекулы H2O, которые затем разрушаются под действием солнечного ультрафиолетового излучения (фотодиссоциация) или в результате химических реакций и образуют HO и HO2. Эти процессы и формируют равновесные концентрации паров воды в стратосфере. В тропосфере количество паров воды в воздухе меняется очень сильно, то в стратосфере относительная концентрация паров воды довольно стабильна и на высотах 15 – 30 км составляет (3 – 4) 10 в –6 степени (3 – 4 молекулы воды на миллион молекул воздуха). Впрочем, такая стабильность характерна лишь для низко- и среднеширотной стратосферы. В полярных областях концентрация H2O на тех же высотах меняется несколько раз.                                        Человеческая деятельность также привносит воду в верхние слои атмосферы. При подъёмах крупных ракет (типа “Атлас”) в атмосферный газ выбрасывается большое количество молекул H2O. Вторым веществом, с помощью которого водород попадает в атмосферу, является метан CH4. До середины 70-х годов считалось, что количество метана в атмосфере достаточно стабильно и составляет примерно одну молекулу CH4 на миллион молекул воздуха, т. е. концентрация (CH4) = (1,1- 1,2) 10 в –6 степени, во всем интервале высот от 0 до 35 – 40 км. Антропогенными источниками метана являются выбросы из угольных шахт (рудничный газ), а также добыча нефти и природного газа. По различным оценкам, из источников в атмосферу ежегодно поступает метана от 16 до 210 мегатонн, что составляет заметную часть общего поступления (440 – 850 мегатонн в год). В последние десятилетия стало ясно, что, начиная еще с XVIII в. происходит рост количества метана в атмосфере. В результате хозяйственной деятельности человека количество метана в атмосфере уже к середине 80-ч годов выросло по сравнению с приведенной выше цифрой на 30 – 40 %, и сегодня оно ежегодно увеличивается на 1 – 2%.

Разрушение  озонового слоя в присутствии  хлора (хлорный цикл). Источники поступления в атмосферу.

К середине 70-х годов  уже были известны две группы химических соединений антропогенного происхождения (семейство азота и семейство  водорода) ведут войну со стратосферным  озоном. В 1974 году химики Ф. Шервуд Роуленд и Марио Молинена привлекли внимание мировой научной общественности к возможности протекания наряду с реакциями (8) и (10) также каталитического цикла:

Cl + O3 ® ClO +O2, (11)

Cl + O ® Cl + O2.

В этих реакциях атом хлора  и молекула ClO являются катализаторами, а гибнут все те же атомы O и молекулы O3. При этом важно, что скорость распада озона на одну молекулу Cl или ClO примерно в шесть раз выше, чем на одну молекулу NO или NO2. При попадании молекул фреонов в стратосферу на них будет действовать солнечное ультрафиолетовое излучение, которое приведет к разрушению (фотодиссоциации) молекул фреонов. Это разрушение происходит таким образом, что отрывается один атом хлора, оставшиеся радикалы легко окисляются имеющимися в избытке молекулами кислорода, давая молекулу окиси хлора и новый (устойчивый) радикал. Таким образом, в результате диссоциации одной фреона образуются две активные хлорсодержащие частицы атом хлора и молекула ClO, которые, как мы видели, включаются в каталитический цикл (11) разрушения озона. Хлорный цикл представляет наибольшую опасность для жизни озонового слоя. Развитие цивилизации приводит к все более убыстряющемуся выбросу хлорных соединений в атмосферу, и одну из ведущих ролей в этом процессе играют так называемые фреоны. Фреоны представляют собой хлорфторуглеродосодержащие соединения (хлорфторуглеводороды). Они появились еще в 20-х годах при развитии холодильной техники как хороший (недорогой и неядовитый) заменитель использовавшегося прежде аммиака. В дальнейшем фреоны получили широкое распространение при производстве различных аэрозолей (дезодорантов, лаков, инсектицидов и т.д.), а также в других областях техники (смазки, антикоррозийные покрытия, изготовления пенопластов и т.д.). Наиболее распространенными являются – F-11 (CFCl3) и F-12 (CF2Cl2). В нумерации фреонов зашифрована их химическая формула, поэтому наряду с F-11 и F-11существуют, например, F-22 , F-114 , F-116 и т. д. К фреонам также относятся фторуглеродные соединения, в которые вместо хлора входит бром. Так, в списке фреонов есть, например, F-13B1 (CF3Br) .

Рост производства фреонов  во второй половине нашего века идет огромными  темпами. За период с 1956 по 1975 г. промышленный выпуск F-11вырос почти в 50 раз, F-12 – в 20 раз. Соответственно растет и  количество фреонов попадающих в атмосферу. Так, с 1950 по 1980 выброс F-11 выброс примерно в 300 раз, а F-12 – более чем в 10 раз. Атмосфера не может остаться неизменной при таком нашествии фреонов, и их концентрация в атмосферном газе неуклонно растет. Например, за тот же период 1970 – 1980 гг. относительная концентрация фреона –11 возросла в стратосфере в четыре раза, а фреона –12 – в три раза. И хотя молекул все еще, по нашим понятиям, очень мало – всего три – пять молекул воздуха – концентрация (F) = (3 –5)10 в – 10 степени, - они уже сейчас могут принести слою озона существенный ущерб. Реальность опасности дальнейшего роста выбросов хлорсодержащих соединений в атмосферу потребовала принятия серьезных мер на международном уровне. По инициативе ученых ведущие государства мира, включая СССР, подписали в 1988 году так называемый Монреальский протокол, согласно которому в ближайшие годы должно быть резко сокращено использование наиболее опасных долгоживущих фреонов, в том числе F-11 и F-12.                                                      В ходе изучения возможности разрушения озона под действием хлорного цикла выяснилось, что фреоны не являются единственным источником антропогенного хлора в атмосфере. Мировая химическая промышленность выпускает в больших количествах и другие хлорсодержащие соединения. К ним, прежде всего, относятся четыреххлористый углерод CCl4 и дихлорэтан CH2Cl – CH2Cl. Эти вещества являются промежуточными соединениями при многих важных химических процесса, и их поступление в атмосферу связано в основном с технологическими потерями. В настоящее время их вклад в загрязнение атмосферы (и, соответственно, в разрушение озона) значительно уступает вкладу фреонов. Однако отметим, что при принятии на международном уровне эффективных мер по резкому уменьшению производства и использования фреонов, роль других хлорсодержащих веществ возрастет. Фактически (при нереальном положении, что выпуск фреонов прекращен полностью) такие вещества, как четыреххлористый углерод, дихлорэтан, хлористый этил и т.д. станут ограничителем наших возможностей уменьшить выброс хлора в атмосферу, поскольку они завязаны в большом числе процессов, от которых промышленность ближайшего будущего вряд ли может отказаться.

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.

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. 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.

.“Состояние озонового слоя над Россией”.

По данным наблюдений за общим содержанием озона (ОСО) сетью наземных озонометрических станций  Росгидромета и станций других стран  СНГ и Латвии, а также измерений  прибором Томс со спутника Метеор – 3 практически весь период с марта 1995г. по февраль 1996г. характеризуется наиболее спокойным состоянием полей над территорией СНГ по сравнению с предыдущим годом. Среднемесячные значения ОСО изменялись относительно климатических норм в целом на 5 –20%. В марте 1995г. среднемесячное значение ОСО к северу от 600 с. ш. были ниже климатических норм на 15 – 20% , над всей остальной территорией понижение составляло только 5 – 10% , а над районами Дальнего Востока и Камчатки значение ОСО близки к многолетним. В апреле среднемесячные значения ОСО над всей территорией СНГ было ниже нормы на 5 – 10% . В мае понижение среднемесячных значений ОСО близки к многолетним средним западнее 600 в. д. И отклонились на –5% восточнее. В июле отклонения среднемесячных значений озона от многолетних средних на – 5% наблюдались над Средней Азией, Восточной Сибирью, Приморьем и Камчаткой. В третьей декаде в отдельные дни над некоторыми районами ежедневные значения отклонялись от климатических норм до – 15%, что не превышало порога аномальности (2,5 стандартного отклонения). В сентябре над Украиной среднемесячные значения ОСО близки к норме, а над остальной территорией СНГ отмечалось отклонение на 5 – 9%. В ноябре отклонения средних ОСО составляли –5%над Уралом, Сибирью, Дальним Востоком. В декабре отклонения среднемесячных значений ОСО от климатических норм составили 5 –10% над Дальним востоком, Камчаткой, Сахалином. В январе 1996г. среднемесячные значения ОСО были ниже нормы над всей контролируемой территорией и составили 5 –15% с максимумом над центральной частью Сибири. За период с 1по 28 февраля 1996г. среднемесячные значения ОСО над всей контролируемой территорией были существенно ниже нормы. Набольшие отклонения среднемесячных значений от климатических норм наблюдались над районами центральной Сибири и Якутии, где они достигли –25%. Таким образом, за период с марта 1995г. по февраль 1996г. для средних и высоких широт северного полушария отсутствовали столь глубокие и продолжительные отрицательные аномалии ОСО как весной 91/92 и 92/93 гг.                     Участие России в решении проблемы стратосферного озона обусловлено её международными обязательствами, вытекающими из венской конференции о защите озонового слоя Земли (1985г.), Монреальского протокола о веществах разрушающих озоновый слой (1987г.) ратифицированного Российской федерацией в 1993г. В 1994г. РФ ратифицировала рамочную конвенцию ООН об изменении климата, конечная цель которой заключалась в стабилизации концентрации парниковых газов на условиях не оказывающих опасного воздействия на глобальную климатическую систему.

Проблемы и  пути их решения.

Все сказанное выше означает, прежде всего, борьбу с увеличением  количества озона в тропосфере и  с выбросом хлорсодержащих веществ (особенно фреонов, угрожающих стратосферному озону).                 Рассмотрим некоторые проблемы, связанные с разрушением озона и пути их решения.

1. Выхлопы автомобилей.

а) замена топлива в  существующем автомобильном транспорте на экологически более чистое.

б) переход на другие источники энергии (например, электромобили, использование солнечной энергии).

2. Загрязнение хлорфторуглеводородами (холодильная техника, аэрозоли).

а) Переход от долгоживущих фреонам на короткоживущие (меньше года).

б) снижение, а затем  и полное прекращение производства и использования фреонов.

3. Химические удобрения.
4. Сжигание промышленного топлива.

а) Переход на экологически чистую энергетику.

5. Ядерные взрывы.
6. Выброс отработанных газов при полетах высотных самолетов и крупных ракет.
7. Добыча нефти и природного газа.

Осознание опасности  приводит к тому, что международной  общественностью предпринимаются  все новые и новые шаги в  защиту озонового слоя. Рассмотрим некоторые из них.

1) Создание различных организаций по охране озонового слоя (ЮНЕП, КОСПАР, МАГА)

2)Проведение конференций.

а) Венская конференция (сентябрь 1987г.). На ней был обсужден и подписан Монреальский протокол:

– необходимость постоянного контроля за изготовлением, продажей, и применением наиболее опасных для озона веществ (фреоны, бромсодержащие соединения и др.)

– использование хлорфторуглеводородов по сравнению с уровнем 1986 г. должно быть уменьшено на 20% к 1993 г. и в два раза к 1998г.

б) В начале 1990г. учение пришли к выводу, что ограничения  Монреальского протокола недостаточны и были внесены предложения о полном прекращении производства и выбросов в атмосферу уже в 1991–1992гг. тех фреонов, которые ограничиваются Монреальским протоколом.

Проблема сохранения озонового слоя относится к глобальным проблемам человечества. Поэтому  она обсуждается на многих форумах самого разного уровня вплоть до советско-американских встреч на высшем уровне (в Вашингтоне, США в декабре 1987г.)