Почему озоновые дыры не заполняют «вручную»?

К каким последствиям для человечества могут привести озоновые дыры?

В силу ослабления озонового слоя увеличивается поток солнечной радиации, что в свою очередь, может привести к гибели растений и животных. Влияние озоновых дыр на человека выражается прежде всего в увеличении числа раковых заболеваний кожи. Ученые подсчитали, что если концентрация озона в атмосфере упадет хотя бы на 1%, то число больных раком возрастет примерно на 7000 человек в год. Именно поэтому сейчас экологи бьют тревогу и пытаются предпринять все необходимые меры для защиты озонового слоя, а конструкторы разрабатывают экологически безопасные механизмы (самолеты, ракетные системы, наземный транспорт), выбрасывающие в атмосферу меньшее количество окислов азота.

Миф №4. Электромобили спасают природу от загрязнения

Этим машинам не нужен бензин и масло, а еще они почти не шумят. Сегодня принято считать, что автомобили, работающие на электричестве – своего рода спасение окружающей среды. С одной стороны, так оно и есть, ведь электромобиль не портит воздух выхлопными газами и не нуждается в услугах нефтяной промышленности. А значит, полагают многие, – совсем не вредит природе. Увы, у экологов не столь оптимистичный взгляд.

«Все не так радостно, как кажется. Во-первых, электромобиль надо заряжать от сети, от специальных розеток, — это сказывается на потреблении электроэнергии, которая у нас пока что бесплатно не берётся ниоткуда. Так как практически две трети всей электроэнергии добывается — это уголь или нефтепродукты, и мазут, газ природный, то получается, что это просто отложенное загрязнение воздуха. То есть это загрязнение воздуха производится не в квартире или рядом с домом, а в увеличенном объёме на электростанции, от которой питаются наши розетки», — говорит эколог, технический директор независимой экологической экспертизы «Тестэко» Александр Куксу.

История открытия озона

Озон – вещество, являющееся модификацией кислорода. В нормальных условиях он представляет собой газ с резким специфическим запахом и голубым оттенком. Озон является примером аллотропной модификации. Это когда один и тот же химический элемент образует молекулы с настолько разной структурой, что в результате появляются новые вещества. Разница между озоном и кислородом состоит в количестве атомов. В кислороде их 2, а в озоне – 3.

Атмосфера Земли
Интересный факт: впервые озон обнаружили в 1785 году, хотя как вещество он описан не был. Первооткрыватель Мартин Ван Марум (голландский физик) распознал его по специфическому запаху и окислительным свойствам воздуха, через который проходил электрический заряд. Но тогда он воспринял озон в качестве электрической материи. В переводе с древнегреческого «озон» означает «пахнущий». Данный термин в 1840 предложил химик Х. Ф. Шенбейн. Поэтому многие называют первооткрывателем именно его.

Факт наличия особого озонового слоя в атмосфере был установлен намного позже. Это произошло в 1912 году, благодаря французским ученым-физикам – Шарлю Фабри и Анри Буиссону. Они занимались исследованием ультрафиолетового излучения. При помощи спектроскопии (изучения спектров разных видов излучения) удалось доказать, что в отдаленных слоях атмосферы присутствует озон. Последующее изучение данного вопроса предоставило специалистам еще больше полезных данных об озоновом слое.

В частности, нужно было понять, насколько высокое содержание озона в атмосфере. Для этого в 1920 году британский физик Гордон Добсон изобрел специальный прибор. Сейчас он носит название в честь изобретателя – Добсоновский озонный спектр. Имеется и соответствующая единица измерения озона – единица Добсона, которая равноценна 10 мкм.

Постепенно специалисты выяснили, как образуется озон в атмосфере. Это происходит за счет взаимодействия ультрафиолетового солнечного излучения и кислорода. Можно долго перечислять пользу озонового слоя, но главное – он обеспечил жизнь на Земле. Если бы озона не было, Земля постоянно подвергалась бы большим дозам солнечной радиации и прочему космическому воздействию. Жизни на нашей планете в такой форме как сейчас могло не быть.

Фреоны 20 лет спустя

В логической цепочке «причина — следствие», на наш взгляд, все же целесообразнее начать с причины. Итак, фреоны первого поколения. Два десятилетия назад их поток в атмосферу не иссяк в одночасье (ведь на большинство стран табу на их производство и использование не распространялось), но значительно сократился. Благодаря регулярному мониторингу сегодня можно видеть, как изменялись концентрации фреонов в тропосфере за последние годы. Концентрации фреонов-11 (его время жизни в атмосфере τ ≈ 45 лет) и -113 (τ ≈ 85 лет) монотонно убывали в течение всего рассмотренного периода: их падение к 2015 г. (относительно уровней 1996 г.) составило 13,4 и 14,1% соответственно.

Концентрация же фреона-12 (τ ≈ 100 лет) продолжала расти вплоть до 2004 г. и только затем начала снижаться, поэтому ее современное уменьшение относительно 1996 г. — скорее символическое (всего 1,9%). Тем не менее с 2004 г. концентрация фреона-12 снизилась на 4,5%. Заметим, что одновременно с изъятием из обращения фреонов первого поколения произошла их замена на химикаты, менее опасные для озонового слоя. К таковым относится, в частности, «неподсудный» фреон-22 (CHF₂Cl, τ ≈ 12 лет): его концентрация за период с 1996-го по 2015 г. возросла на 93%, т. е. почти удвоилась.

Таким образом, суммарное количество хлора в тропосфере формируется в условиях снижения концентраций соединений, содержащих несколько его атомов. При этом растет содержание их заменителей, как правило, с меньшим количеством атомов хлора и более коротким временем жизни. В результате с 1996 г. наблюдалась тенденция к снижению содержания суммарного (включающего, кроме перечисленных, и другие химикаты, например «антропогенный» метилхлороформ (CH₃CCl₃, τ ≈ 6 лет) и «естественный» метилхлорид (CH₃Cl, τ ≈ 1 год)) хлора в тропосфере. Общее снижение за это время составило 10,0%.

Возможно, кто-то из читателей удивится, почему мы столько внимания уделяем тропосфере, тогда как основной удар озону наносится хлорсодержащими соединениями выше, в стратосфере. Этому есть причины. Во-первых, поскольку выбросы фреонов идут от земной поверхности, тропосфера служит своеобразной транзитной зоной на их пути в стратосферу. Во-вторых, контроль за уровнями фреонов в тропосфере налажен значительно лучше, чем в стратосфере. Поэтому получить столь же полную информацию о стратосферном содержании фреонов весьма проблематично.

На основе измерений 2002–2011 гг. [] определены характерные пространственные распределения концентраций фреонов-11 и -12, содержание которых в атмосфере значительно больше, чем остальных. Оказалось, что стратосферные концентрации обоих фреонов убывают по мере удаления от экватора к полюсам и с ростом высоты. Анализ этих данных показывает, что в слое 15–20 км скорость снижения концентраций фреонов составляет 20–30 трлн−1 / 10 лет []. Немного более интенсивное падение отмечается в Арктике, а в средних южных широтах на высоте 25 км значительно уменьшается концентрация фреона-12 (79 трлн−1 / 10 лет). К сожалению, эти данные не охватывают Антарктиду. Тем не менее, нет оснований полагать, что южной полярной области присущи тенденции, принципиально отличные от тех, что имеют место севернее.

Таким образом, можно констатировать повсеместное убывание содержания в атмосфере всех попавших под монреальский запрет фреонов. Однако, ввиду их атмосферного «долгожительства», концентрации по-прежнему остаются весьма высокими. И все же хлорная нагрузка на озоносферу постепенно ослабевает.

Озоновая дыра над Антарктидой уменьшается. Нормальная толщина озонового слоя во всем мире — 3 миллиметра, сейчас толщина озонового слоя над Антарктидой составляет около половины этого значения и продолжает увеличиваться.

Об этом сообщил начальник 49-ой зимовочной российской антарктической экспедиции Виктор Вендерович. Проведение метеорологических наблюдений в Антарктиде было одной из задач этой экспедиции.

«Мы не можем точно сказать, что этот процесс будет продолжаться, и если будет, то какое время. Hо то, что озоновый слой увеличивается, это точно», — отметил эксперт.

В западной Антарктиде была зафиксирована температура выше нормы на одну-две десятые градуса. «Hо нельзя сказать, что мы наблюдали последствия глобального потепления, так как в то же время в восточной Антарктиде температура была ниже, и в целом по материку температура соответствовала нормам, выведенным за 50 лет наблюдений», — подчеркнул Виктор Вендерович.

Между тем в 2005 году разрушилась треть озонового слоя над Европой. Журнал Nature пишет, что комбинация климатических изменений и загрязнения раздирает озоновый слой над Европой.

Исследователи объявили, что толщина защитного слоя над северной и центральной Европой в этом сезоне достигла самой низкой отметки за все 50 лет, в течение которых производятся замеры.

Об этом стало известно по результатам кампании, в ходе которой собирались данные о толщине озонового слоя с 35 станций в разных точках Европы от Гренландии до Тенерифе с января по март 2005 года

Предварительный анализ этих данных и информация, полученная со спутников, заставляют предположить, что за эту зиму погибла треть молекул озона в арктической стратосфере. К началу весны лишенный озона воздух перекочевал южнее и распространился над пространствами северной и центральной Европы.

Значительное истончение озонового слоя наблюдалось во время холодных арктических зим в 1990-х, особенно в 1999-2000 годах. Однако сокращение этого года — на 30% — стало самым резким, сообщили ученые, собравшиеся на встречу Европейского геофизического союза в Вене.

Часть этой потери была восстановлена за счет озона, пришедшего с юга. Но фактически речь идет о появлении полностью оформленной озоновой дыры крупнее, чем когда бы то ни было в прошлом, указывает Маркус Рекс, специалист Института Альфреда Вегенера по полярным и морским исследованиям в Потсдаме в Германии.

Без здорового озонового слоя светлокожие европейцы могут обгореть за 20 минут, причем даже весной и особенно на возвышенной местности. Или когда снег отражает солнечный свет. Исследователи полагают, что радиация может оказать еще более пагубное влияние на растения и животных, которые не могут защитить себя от солнечных лучей.

Озон разрушается, когда молекулы кислорода вступают во взаимодействие с агрессивными веществами — результатами распада хлорфторуглеродов (CFC). Использование CFC было, в основном, ограничено Монреальским протоколом в 1987 году. Однако эти вещества долговечны и будут продолжать разрушать озон в полярных регионах еще на протяжении 50 лет.

Климатические изменения тоже вносят свой вклад. Облака, состоящие из азотной и серной кислот и воды, на больших высотах провоцируют быструю трансформацию CFC в более агрессивные вещества. А необычно холодные арктические зимы, которые, как предполагается, станут более частым явлением по мере глобального повышения температуры, похоже, содействуют формированию таких облаков. Причины этой взаимосвязи до конца еще не изучены.

Исследователи знали, что в этом январе в Арктике будет особенно холодно, и их предсказания о резком уменьшении озонового слоя подтвердились, пишет Nature.

Чтобы прогнозировать судьбу арктического озонового слоя в отдаленном будущем, ученым потребуется более глубокое понимание того, как парниковые газы влияют на температуры в верхних слоях атмосферы, указывает Нил Харрис, химик Университета Кембриджа, потому что те модели стратосферы, которые имеются сегодня, предсказывают все — от резкого похолодания в Арктике до умеренного потепления.

Опасность рака кожи

Естественные процессы образования и разрушения озона в стратосфере балансируют друг друга в долгосрочной перспективе, таким образом защищая Землю от вредного ультрафиолетового излучения Солнца.

Отсутствие защитной озоновой пленки увеличивает риск возникновения рака кожи, катаракты и других заболеваний у людей, животных и растений.

Впервые существенное истончение озонового слоя в стратосфере над Антарктикой, примерно в 10 км над уровнем моря, заметили британские ученые в середине 1980-х годов.

В 1986 году американка Сьюзан Соломон продемонстрировала, как озон разрушается под воздействием содержащих хлор и бром молекул хлорфторуглеводов (CFC). На тот момент CFC широко использовались в производстве многих товаров — от лака для волос до холодильников и кондиционеров.

Причиной того, что озоновый слой начал истончаться преимущественно именно над Антарктикой, стали низкие температуры и высокая степень освещенности, которые приводят к появлению в полярных широтах так называемых полярных стратосферных облаков (их еще называют перламутровыми).

Именно в этих холодных конденсационных образованиях протекают разрушающие озон химические процессы.

В 1987 году был принят Монреальский протокол, запретивший использование CFC, после чего ситуация в стратосфере стала понемногу улучшаться.

С тех пор уменьшающееся влияние CFC было отмечено в нескольких исследованиях, однако сейчас ученые утверждают, что впервые получили неоспоримые доказательства того, что дыра действительно затягивается.

Image caption

Наиболее сильно разрушающие озоновый слой химикаты использовались в производстве холодильников

Профессор Соломон и ее коллеги проводили подробные измерения количества озона в стратосфере с 2000 по 2015 годы.

При помощи данных метеорологических зондов и спутников, а также компьютерного моделирования им удалось показать, что площадь озоновой дыры за этот период сократилась на 4 млн квадратных километров. Они также обнаружили, что более половины этого сокращения связано исключительно с уменьшением количества хлора в атмосфере.

Однако, по словам Сьюзан Соломон, несмотря на то что около 15 лет назад Монреальский протокол подписали Китай и Индия, в атмосфере по-прежнему остается достаточно много хлора, так как срок его жизни в воздухе — от 50 до 100 лет.

«Мы ожидаем, что озоновый слой полностью восстановится не раньше, чем к 2050 или 2060 году», — говорит она.

Несколько ученых-экологов уже назвали публикацию последнего исследования исторически важной. «На сегодняшний день состояние озонового слоя все еще оставляет желать лучшего, но мне кажется очень важным то, что мы убедились: Монреальский протокол работает и оказывает влияние на размер дыры — это уже большой шаг вперед», — заявил Маркус Рекс из немецкого Института полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера

«На сегодняшний день состояние озонового слоя все еще оставляет желать лучшего, но мне кажется очень важным то, что мы убедились: Монреальский протокол работает и оказывает влияние на размер дыры — это уже большой шаг вперед», — заявил Маркус Рекс из немецкого Института полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера.

Однако некоторые другие ученые не уверены в том, что уменьшение дыры связано со снижением количества хлора в стратосфере.

«Данные четко показывают значительные изменения от года к году, которые существенное больше, чем указанный в исследовании тренд», — заявил эксперт НАСА Пол Ньюман.

Миф №3. Пластиковая бутылка или пакет могут плавать в море тысячу лет

Каждый год человечество производит около 100 млн тонн полиэтилена. Определенное количество этого материала впоследствии перерабатывается, однако некоторая часть просто выбрасывается. В частности — в море, где подобные отходы не просто служат источником загрязнения, но еще и вредят живым организмам.

«Пластик — мы просто эти последствия больше видим, это действительно плохо, тем более что это прогрессирует и часто приводит к гибели животных. Иногда они проглатывают, играючи, эти куски, иногда веревки и сети пластиковые, а таких сетей в океане очень много, в этих веревках очень часто путаются и морские птицы, и морское зверье», — говорит замдиректора Института океанологии Михаил Флинт.

С фактом, что огромное количество пластика попадает в мировой океан, никто не спорит. Однако есть в этой теме один момент, вокруг которого большинство людей заблуждается. Он касается времени разложения отходов. Многие склонны думать, что, скажем, пластиковая бутылка способна путешествовать в воде аж тысячу лет, если ее никто не выловит и не утилизирует. В действительности это не так.

«Пластик действительно разлагается тысячи лет в опрессованном состоянии, в сухих стерильных условиях, где нет бактерий. А в соленой воде он разлагается настолько быстро, что за год океан может “переварить” пластиковую бутылку», — говорит эколог Артем Акшинцев.

А вот с разложением пластика на суше все обстоит иначе. Например, биоразлагаемые пакеты (в магазинах их чаще всего можно узнать по зеленому цвету) исчезают примерно в течение года, а изделия из «неправильного» пластика вполне себе могут лежать на земле более 100 лет.

И еще один интересный момент. Не так давно ученые из Японии обнаружили новый вид бактерий, которые способны «переваривать» один из самых распространенных видов пластика ПЭТ в рекордные сроки. Так с тонкой пленкой (0,2 миллиметра) бактериям удалось справиться за шесть недель. Уничтожение пластика бактериями происходило при температуре 30 градусов. По мнению исследователей, микроорганизмы сумели так приноровиться к быстрому уничтожению отходов благодаря изменениям окружающей среды.

Хроника сезонного озонодефицита

Теперь обратимся к другой составляющей логической цепочки — следствию, т. е. к антарктической озоновой дыре. «Озоновый бум» второй половины 1980-х оставил на ледовом континенте наследство в виде целого ряда измерительных станций, по сей день исправно поставляющих информацию о текущем состоянии озонового слоя.

Обычно состояние озоновой дыры характеризуют площадью, которую она охватывает, и ее «глубиной», представляющей собой минимальное значение общего содержания озона (ОСО). Интересно проследить, как менялась площадь озоновой дыры от года к году в течение двух последних десятилетий.

Минимальное и максимальное значения площади в 2002 и 2006 гг. достигали 12 и 26,6 млн км2 соответственно, то есть отличались практически вдвое, однако ниже отметки 20 млн км2 площадь озоновой дыры опускалась всего четырежды. Средняя же за весь двадцатилетний период площадь равна 22,5 млн км2, а это, между прочим, в 1,6 раза больше площади самой Антарктиды! И главное, нет никаких оснований говорить о тенденции к уменьшению: в 2015 г. озоновая дыра занимала наибольшую площадь за последние девять лет — 25,6 млн км2.

Другими словами, озоновая дыра по-прежнему «широка», да и «глубока» тоже — ведь так называемой климатической нормой считается величина ОСО, равная 220 е. Д. Минимальные значения ОСО подвержены значительным межгодовым колебаниям (например, только в последние 10 лет разброс составил 98,2–139,1 е. Д.), на их фоне положительный тренд с ростом 9,7% за 10 лет выглядит не слишком впечатляюще. Если рассмотреть аналогичный тренд только за последнее десятилетие, то выяснится, что минимальные значения ОСО стали расти вдвое быстрее (21,2% за 10 лет). Вроде бы тенденция к их увеличению очевидна, но… Статистический анализ показывает, что эти тренды (в отличие от тех, о которых пойдет речь далее) на сегодняшний день, увы, незначимы. Так что делать какие-то обобщения и выводы еще рано.

А вот тесную связь между состоянием озоновой дыры и температурой антарктической стратосферы данные измерений подтверждают со всей определенностью, а именно: минимум ОСО и температура совпадают по фазе, а площадь озоновой дыры и температура находятся в противофазе. Сей факт подтверждается очень высокими коэффициентами корреляции, равными 0,892 и −0,933 соответственно. Таким образом, естественно-природные механизмы формирования озоновой дыры продолжают исправно и эффективно действовать. А что же антропогенный фактор?

Существует еще одна, на наш взгляд, более показательная характеристика озоновой дыры: дефицит озона внутри нее. Некоторые интернет-ресурсы предоставляют соответствующие ежедневные данные за весь период существования «дыры». Если за появление минимальных значений ОСО во многом ответственны сверхнизкие температуры, имеющие место лишь в течение недолгого периода, то хлорная нагрузка на озоносферу работает на протяжении всего зимне-весеннего сезона, и, значит, дефицит озона позволяет полнее оценить стратосферную хлорно-озоновую зависимость. Далее мы воспользуемся данными, приведенными на интернет-сервисе TEMIS (Tropospheric Emission Monitoring Internet Service).

Ежедневный дефицит озона определяется как разность между 220 е. Д. (т. е. климатической нормой) и реальным для этого дня значением ОСО. Естественно, рассматриваются лишь те дни, когда ОСО не превосходит 220 е. Д. Далее полученные на разных станциях величины суммируются. Результаты показывают, что за 20 лет дефицит озона сократился на 14,7%. Однако, очевидно, абсолютное значение дефицита озона зависит от размера «дыры», который изменялся от года к году в широких пределах. Поэтому целесообразно одновременно оценить удельный дефицит озона, т. е. дефицит, приходящийся на 1 км2 «дыры». В этом случае оказывается, что дефицит озона сокращается значительно интенсивнее (на 26,5% за два десятилетия). Наличие статистической значимости у этих трендов позволяет утверждать, что «процесс пошел»…

Миф №1. В разрушении озонового слоя виноваты холодильники

После того как в 1970-х международное ученое сообщество обнаружило, что озоновый слой, поглощающий губительное для живых организмов излучение, постепенно разрушается, в мире началась истерика. В ходе многочисленных исследований, как многие помнят, был сделан вывод: защитную оболочку Земли убивает сам человек и никто более. В число главных виновников были записаны некоторые промышленные выбросы, в частности, речь шла о фреоне и хлорфторуглероде, используемых в холодильных установках, кондиционерах и некоторых аэрозолях.

Ну а после подписания в 1987 году Монреальского протокола об охране озонового слоя, предписывавшего странам уменьшить производство вредных веществ, общественность окончательно убедилась в своей вине перед природой. Кто-то отказался от холодильников, работающих не фреоне, кто-то выбросил все аэрозоли.

Позднее в научном мире стала набирать силу альтернативная точка зрения, которая практически оправдала фреоны. Она сводилась к тому, что не одни лишь аэрозоли и холодильники разрушают озоновый слой.

«Раньше говорилось о том, что на озоновый слой влияют хлорорганическое соединения, в частности фреон, использующийся в работе холодильников. Однако я считаю, что это была кампания, специально раздутая в интересах крупных производителей бытовой техники», — говорит председатель Приморского краевого координационного совета по экологическим проблемам, профессор Борис Преображенский

«Это (история с фреонами, прим. ред.) был такой маркетинговый ход, который позволил перейти на более современные системы технологические, создать — в том числе — новые холодильники», — объясняет научный сотрудник Института водных проблем Российской академии наук, эколог, Артем Акшинцев.

Мнение о том, что избавление от фреонов не исправит ситуацию, подкреплялось тем, что озоновые дыры не перестали появляться после подписания протокола и уменьшения производства вредных веществ. В итоге часть научного сообщества стала придерживаться мнения, что озоновые дыры – не только дело рук человека, а своего рода природное явление, характерное для определенных мест на земном шаре.

«Озоновые дыры были, есть и будут. Другой вопрос, причастен ли к этому человек. Этот вопрос вызвал массу полемики в свое время. Но в настоящее время уже получен точный ответ: озоновые дыры это природное явление, которое свойственно атмосфере Земли над засушливыми регионами, например, над пустынями. Это связано с режимом испарения водяного пара с поверхности, — продолжает Акшинцев, — В регионах, где водяного пара мало, образуется мало озона и возникают озоновые дыры. Самая большая озоновая дыра, например, зафиксирована над центральной Австралией, как раз над областью пустыни, и там, понятное дело, ни о каком влиянии человека речи быть не может. Потому что в том регионе людей вообще нет, а озоновая дыра есть, и самая большая».

Согласен с этой точкой зрения и директор Уссурийской астрофизической лаборатории Геннадий Корниенко.

«Людская деятельность, возможно, и связана с разрушением озона, однако тот факт, что дыры появляются во всем мире с разной периодичностью, заставляет в этом сомневаться. Угольная энергетика Китая вряд ли может повлиять на этот процесс, так как до высот озонового слоя долетает лишь часть выбросов», — говорит специалист.