Основи екології - Олійник Я.Б. - 5.6.3. Руйнування озонового шару атмосфери

Відкритий характер атмосфери як системи обумовлює можливість тісних зв'язків її з підстильною поверхнею, біосферою та Космосом. Вплив космічних, сонячних, ультрафіолетових променів виявляється у всій товщі атмосфери, але найбільше - в озоновому шарі. Озоновий шар - це шар атмосфери (стратосфери), у межах якого концентрація молекул озону (03) удесятеро вища, ніж біля поверхні Землі.

Озон в перекладі з грецької означає "пахучий". Таку назву йому дав німецький хімік Крістіан Фрідріх Шонбейн, який майже все життя працював у Швейцарії, був професором Базельського університету. У 1839 р. він описав хімічні методи отримання озону. Сам озоновий шар відкрили у 1913 р. Шарль Фабрі та Анрі Буїсон. У 20-х роках XX ст. дослідженнями озонового шару активно займався професор оксфордського університету Ґордон Добсон9 на честь якого названа одиниця вимірювання товщини озонового шару - одиниця Добсона. Дослідник установив світову мережу нагляду за озоновим шаром, яка працює з 1928 р. і досі.

Озон спостерігається у шарі повітря від земної поверхні до висот близько 70 км, але основна його кількість зосереджена на висоті 20-55 км. Загальний вміст озону в атмосфері, якщо його привести до нормального тиску (1013,2 гПа) при температурі 0 °С, коливається від 1 до 6 мм. Цю величину прийнято називати приведеною товщиною шару озону або його загальною кількістю. Цей газ, незважаючи на його надзвичайно малу кількість, відіграє дуже важливу роль у фізичних процесах верхніх шарів атмосфери (стратосфери та мезосфери). Атмосферний озон вважається найбільш важливим енергетичним складником стратосфери. Він поглинає близько 1 % всієї сонячної радіації, що падає на Землю. Завдяки цьому на вказаних висотах температура повітря зростає до значень, що наближаються до нуля. Вертикальний і горизонтальний розподіл температури в стратосфері, а також баричне поле, режим вітру і, зокрема, струменеві течії безпосередньо пов'язані з озоном атмосфери.

З погляду екології не менш важливим є те, що озон визначає ультрафіолетовий клімат нашої планети. Він обмежує короткохвильову частину сонячного спектра (а також аналогічну частину спектра зірок і Космосу) і не пропускає до земної поверхні випромінювання коротше за 290 нм, у разі проходження якого життя на Землі у сучасній білковій формі було б неможливим. У випадках проникнення цієї радіації до земної поверхні вона пригнічує фотосинтез у рослин, спричиняє опіки шкіри та сітківки ока, руйнує кров'яні тільця і молекули ДНК, сприяє росту злоякісних пухлин тощо. І якщо людина, а також тварини й організми, не пов'язані з фотосинтезом, відразу не постраждають від підвищення ультрафіолетової радіації, то наземні рослини абсолютно беззахисні перед нею, а їх загибель порушить екологічні ланцюги харчування, що призведе до непоправних втрат для всієї біосфери. Озон є своєрідним захисним екраном для всього живого на Землі.

Майже весь атмосферний озон зосереджений у нижній стратосфері, і загальний вміст його схильний до періодичних і неперіодичних змін. Збільшення вмісту озону в стратосфері сприяє зменшенню притоку сонячної радіації до земної поверхні, тому що він поглинає сонячну радіацію не тільки в ультрафіолетовій, а й у видимій і близькій до видимого інфрачервоній частинах спектра. Безсумнівно, що збільшення вмісту озону в стратосфері викликає збільшення її нагрівання. При цьому температура, тиск і циркуляція тропосфери також зазнають відповідних змін. Клімат чутливо відгукується навіть на незначні зміни сонячної радіації. Отже, з озоном можна пов'язувати як природні, так і штучні зміни клімату, а також залежність клімату від сонячної активності. Штучна зміна клімату - це наслідки зміни вмісту озону в атмосфері (поки що, на жаль, тільки у бік його зменшення).

Саме озон є причиною блакитного кольору неба. В атмосфері озон утворює озоносферу - найважливішу частину атмосфери, яка впливає на клімат та захищає все живе від ультрафіолетового випромінювання. Максимальна концентрація озону - на висоті 18-5 км. Ми захищені від агресивної дії ультрафіолетового випромінювання, тому що більша його частка (99 %) поглинається шаром озону в стратосфері на висоті близько 20-25 км від земної поверхні. Цей шар називається озоновим екраном.

У 1985 р. фахівці з Британської антарктичної служби дослідження атмосфери повідомили про абсолютно несподіваний факт: весняний вміст озону в атмосфері над станцією Халлі-Вей в Антарктиді зменшився за період з 1977 по 1984 р. на 40 %. Незабаром це підтвердили й інші дослідники, які довели, що область зниженого вмісту озону виходить за межі Антарктиди і за висотою охоплює шар від 12 до 24 км, тобто значну частину нижньої стратосфери. У вересні та жовтні над Антарктидою втрачається близько 70 % озону, що становить близько 3 % усього озону атмосфери. Найбільшим простором, у якому ретельно досліджувався озоновий шар над Антарктидою, був міжнародний Літаковий антарктичний озоновий експеримент. Протягом експерименту вчені з чотирьох країн декілька разів піднімалися в зону зниженого вмісту озону та збирали детальні дані про розміри "дірки" і хімічні процеси, які там відбуваються. На початку

80-х років за вимірюваннями із супутника "Німбус-7" аналогічна "дірка" була виявлена і в Арктиці, щоправда вона охоплювала значно меншу площу, і зниження рівня озону в ній було не настільки суттєве - близько 9 %. У середньому на Землі з 1979 по 1990 р. вміст озону зменшився на 5 %.

Було висунуто кілька гіпотез щодо пояснення виникнення "озонової дірки" і відправлено декілька експедицій для того, щоб відсіяти неправильні гіпотези. Перша гіпотеза - це атмосферна циркуляція. Схема циркуляції могла поступово змінитися так, що над Антарктидою потоки повітря спрямувалися вверх. У результаті стратосферне повітря, збагачене озоном, заміщувалося повітрям з тропосфери - нижнього десятикілометрового шару, що містить мало озону. Але виміри, навпаки, показали, що насправді повітря, яке заповнює "озонову дірку ", надходить з вищих шарів, де озону зазвичай багато.

Друга гіпотеза - хімічні реакції. В одній з перших таких гіпотез йшлося про те, що навколо "озонової дірки " можуть у підвищених концентраціях бути наявні сполуки азоту, що є найважливішими агентами у руйнуванні озону. Причиною підвищення концентрації вважалися сонячна активність та атмосферна циркуляція. Більш достовірною є альтернативна хімічна теорія, згідно з якою утворення "озонової дірки" відбувається внаслідок дії сполук хлору, що надходять в атмосферу переважно у складі антропогенних хлорфторвуглеців (ХФВ). Ці інертні сполуки, що використовуються як холодагенти для кондиціонерів та холодильників, як хімічні агенти для виробництва пінопластів, можуть зберігатися в атмосфері від 50 до 100 років. Коли вони досягають середини стратосфери, розташованої на висоті близько ЗО км, ультрафіолетове випромінювання розриває їх. Хлор, що вивільняється з молекул ХФВ, спочатку існує у вигляді вільного хлору або реагує з озоном, утворюючи закис хлору СЮ. Обидві форми вступають у подальші реакції, утворюючи стійкі сполуки - резервуари хлору. Вони складаються з різноманітних форм хлористоводневої кислоти HCl, що утворюється під час реакції вільного хлору з такими компонентами, як метан і нітрат хлору. Резервуари хлору не руйнують озон - у таких сполуках хлор залишається інертним і не може реагувати з озоном. Перші комп'ютерні моделі продемонстрували, що ХФВ не можуть значно вплинути на озоновий шар, тобто деяка частина вільного хлору може зруйнувати тільки невелику частину озону. Очевидно, що є механізм вивільнення хлору з резервуарів.

Отже, хлор - каталізатор реакції розпаду озону. Здійснивши цикл один раз, хлор повторює його багато разів, доки не покине стратосферу чи не буде дезактивований. Учені обчислили, щ0 за час тривалого перебування у стратосфері кожен атом хлору знищує майже 100 тис. молекул озону, і тим самим пропускає до земної поверхні стільки ж ультрафіолетових фотонів. Фреони (хлорфторметани) техногенного походження, потрапляючи у стратосферу, накопичуються там і теж руйнують озон. До цієї руйнівної сили додаються азотні добрива, синтез нітросполук ядерні вибухи. Особливу небезпеку мають вибухи нейтронних бомб, здатних ущент зруйнувати озоновий екран над цілими регіонами (екологічні війни). Важливість цієї проблеми визнали підрозділи ООН, зокрема, цією проблемою почала займатися Програма ООН з питань навколишнього середовища (ЮНЕП).

Отже, "озонова дірка" - це локальне зниження концентрації озону в стратосфері на 10-40 %, пов'язане з дією фреонів, зменшенням кількості кисню при запусках космічних кораблів та польотами реактивних літаків (рис. 5.4). Чітко виявляється при надмірно низьких температурах. До значного зменшення потужності озонового шару призвело зростання у другій половині XX ст. антропогенного навантаження у вигляді постійного виділення хлор- і бромвмісних фреонів (СГС). Згідно з іншою гіпотезою, процес утворення "озонових дірок" значною мірою природний і не пов'язаний винятково із шкідливою дією людської цивілізації.

Рис. 5.4. Руйнування озонового шару атмосфери

Це відкриття стурбувало як учених, так і широку громадськість, оскільки означало, що шар озону, який вкриває нашу планету, перебуває у більшій небезпеці, ніж вважали раніше. Потоншення цього шару може призвести до серйозних наслідків для людства. Зниження концентрації озону лише на 1 % призводить до збільшення інтенсивності жорсткого ультрафіолету у поверхні Землі у середньому на 2 %. Цей висновок підтверджується вимірюваннями, проведеними в Антарктиді. За своїм впливом на живі організми жорсткий ультрафіолет подібний до іонізуючого випромінювання, однак через більшу, ніж у у-випромінювання, довжину хвилі, він не здатний проникати глибоко у тканини, а тому вражає тільки поверхневі органи. Жорсткий ультрафіолет має достатньо енергії для руйнування ДНК й інших органічних молекул, що викликає рак шкіри, особливо швидкоплинну злоякісну меланому, катаракту та імунну недостатність. Природно, жорсткий ультрафіолет здатний викликати і звичайні опіки шкіри та рогівки. Вже сьогодні у всьому світі помітно збільшилась захворюваність на рак шкіри, однак значна кількість інших чинників (наприклад, популярність засмаги) не дає змоги однозначно стверджувати, що цьому сприяло лише зменшення вмісту озону.

Жорсткий ультрафіолет (УФ) погано поглинається водою, тому дуже небезпечний для морських екосистем. Експерименти показали, що планктон, який мешкає у приповерхневому шарі води, при збільшенні інтенсивності жорсткого УФ може серйозно постраждати, навіть загинути. Планктон - основа харчових ланцюжків усіх морських екосистем, тому є загроза, що все життя приповерхневих шарів морів і океанів може зникнути. Рослини менш чутливі до жорсткого УФ, але у випадку збільшення дози можуть постраждати й вони. Якщо вміст озону в атмосфері значно зменшиться, людство легко знайде засіб захисту від жорсткого УФ, але при цьому ризикує померти від голоду.

Стратосферний озоновий екран дуже чутливий до сучасних техногенних впливів, що досягли загрозливих масштабів. Вважається, що 500 надзвукових транспортних літаків, якщо вони будуть регулярно літати на висотах максимального вмісту озону протягом року, здатні зменшити його загальний вміст удвічі. Запуски космічних ракет будь-якого призначення створюють "дірки" в озоносфері діаметром у сотні кілометрів. Достатньо 85 таких пусків протягом року, щоб отримати такий самий результат руйнування озону.

Абсолютні значення вмісту озону найбільші у високих широтах при значних середньомісячних показниках. Частим і значним екстремальним відхиленням піддається вміст озону в атмосфері континентальної частини середніх широт. Особливо часто тут повторюються від'ємні аномалії, тобто "дірки". Найчастіше значні екстремуми для озонового шару спостерігалися над Москвою і Будапештом, дещо менші - над Канадою, Норвегією, Данією, Чехією, а також Санкт-Петербургом, Києвом, Тбілісі.

Уперше думка про небезпеку руйнування озонового шару була висловлена ще наприкінці 1960-х років. Тоді вважалося, що основну небезпеку для атмосферного озону становлять викиди водяної пари і окисів азоту (г40х) з двигунів надзвукових транспортних літаків і ракет. Однак надзвукова авіація розвивалася значно менш бурхливими темпами, ніж передбачалося. На сьогодні із комерційною метою використовується тільки "Конкорд", що здійснює декілька рейсів на тиждень між Америкою і Європою, з військових літаків у стратосфері літають практично тільки надзвукові стратегічні бомбардувальники і розвідувальні літаки типу ЭК-71, Таке навантаження навряд чи становить серйозну загрозу для озонового шару. Викиди окисів азоту з поверхні Землі внаслідок спалення викопного палива, масового виробництва і застосування азотних добрив також певним чином небезпечні для озонового шару, але окиси азоту нестійкі і легко руйнуються у нижніх шарах атмосфери. Запуски ракет також відбуваються не дуже часто, проте, хлоратні тверді палива сучасних космічних систем, наприклад, у твердопаливних прискорювачах "Спейс-Шаттл" та "Аріан", можуть завдавати серйозної локальної шкоди озоновому шару в районі запуску.

У 1974 р. вчені Каліфорнійського університету дійшли висновків, що хлорфторвуглеці можуть руйнувати озон. Відтоді так звана хлорфторвуглецева проблема стала однією з основних у дослідженнях забруднення атмосфери. ХФВ вже більше ніж 60 років використовуються як "холодогенти" у холодильниках і кондиціонерах, пропеленти для аерозольних сумішей, піноутворюючі агенти у вогнегасниках, очищувачі для електронних приладів, при хімічному чищенні одягу, у виробництві пінопластів. Колись розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки вони дуже стабільні і неактивні, а отже, нетоксичні. Але саме інертність цих сполук робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються швидко у тропосфері, як це відбувається з більшістю оксидів азоту, і зрештою проникають у стратосферу. Коли молекули ХФВ піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, то зазнають інтенсивного впливу ультрафіолетового випромінювання, який не проникає нижче внаслідок екрануючої дії озону. Ультрафіолет руйнує стійкі у звичайних умовах молекули ХФВ, вони розпадаються на компоненти, що мають високу реакційну здатність, зокрема, атомний хлор. Таким чином, ХФВ переносять хлор з поверхні Землі через тропосферу і нижні шари атмосфери у стратосферу, до висоти з найбільшою концентрацією озону.

Унаслідок цього 1 атом хлору може зруйнувати до 100 тис. молекул озону, перш ніж буде дезактивований або повернеться у тропосферу. Сьогодні викиди ХФВ в атмосферу оцінюються мільйонами тонн, але потрібно зазначити, що навіть у випадку повного припинення виробництва і використання ХФВ негайного результату досягнути не вдасться: дія ХФВ, що вже потрапили в атмосферу, буде продовжуватися, як мінімум, ще декілька десятиріч.

Зважаючи на це, багато країн почали вживати заходи щодо скорочення виробництва і використання ХФВ. З 1978 р. у США було заборонене використання ХФВ в аерозолях. На жаль, їх використання в інших галузях обмежене не було. 1987 р. 23 найрозвинутіші країни світу підписали в Монреалі конвенцію, що зобов'язала їх знизити споживання ХФВ до 1999 р. на половину порівняно з рівнем 1986 р. Для використання як пропелента в аерозолях вже знайдений замінник ХФВ - пропан-бутанова суміш, яка за фізичними параметрами майже не поступається фреонам, але, на відміну від них, вогненебезпечна. Такі аерозолі вже використовують у багатьох країнах світу. Складніше з холодильними установками - другим за величиною споживачем фреонів. Адже через полярність молекули ХФВ мають високу теплоту випаровування, що дуже важливо для робочого тіла в холодильниках і кондиціонерах. Найкращим відомим на сьогодні замінником фреонів є аміак, але він токсичний і все ж поступається ХФВ за фізичними параметрами. Хороші результати застосування фторованих вуглеводнів. У багатьох країнах ведуться розробки нових замінників і вже досягнуто непоганих практичних результатів, але повністю ця проблема ще не вирішена.

Використання фреонів продовжується, і рівень ХФВ в атмосфері поки не стабілізується. Так, за даними мережі Глобального моніторингу змін клімату, у фонових умовах - на берегах Тихого й Атлантичного океанів та на островах, далеких від промислових і густонаселених районів, - концентрація фреонів зростає зі швидкістю 5-9 % на рік. Вміст у стратосфері фотохімічно активних сполук хлору сьогодні у 2-3 рази вищий порівняно з рівнем 50-х років XX ст., до початку інтенсивного виробництва фреонів.

Крім холодоагентів, до особливо небезпечних "ворогів" атмосфери належить також метилбромід. Цей газ використовують у сільському господарстві як засіб захисту рослин. Але метилбромід знищує не лише шкідників у ґрунті, а й озон в атмосфері, причому навіть у вищих шарах, ніж фреони. Підраховано, що руйнівна сила атома брому у 80 разів більша, ніж атома хлору. Бром, який міститься у метилброміді, набагато небезпечніший для стратосферного озону, ніж хлор із фреонових газів. У Німеччині фермери широко застосовували метилбромід при вирощуванні картоплі та цукрового буряку, а 1982 р. його використання було заборонено, але не через загрозу руйнування озонового шару (тоді про це ще не йшлося), а через небезпеку для ґрунтових вод.

Європейський Союз уже майже повністю відмовився від використання метилброміду. Виняток становлять лише Іспанія та Італія, де дуже поширене вирощування тепличних культур, зокрема, томатів і огірків. У США метилбромід застосовують в основному на квіткових та полуничних плантаціях у Каліфорнії та Флориді. Як відомо, сільське господарство США вирізняється своєю монокультурністю, тобто фермер, який має, наприклад, плантації полуниць у Флориді, вирощує тільки їх, і до того ж, багато років поспіль. Проблема полягає у тому, що в ґрунтах розмножується величезна кількість шкідників, які спеціалізуються на певних культурах. У таких випадках використовують метилбромід, який є дуже агресивною отрутою. Відмова від метилброміду практично означає відмову від монокультурного господарювання, а для фермерів це пов'язано з ризиком та фінансовими збитками. Жорстка конкуренція на ринку не дозволяє робити перерви у виробництві.

Отже, прогнози, які передбачали, що при збереженні сучасного рівня викидів ХФВ до середини XXI ст. вміст озону в стратосфері може впасти удвічі, можливо, були дуже песимістичними. По-перше, "дірка" над Антарктидою багато в чому є наслідком метеорологічних процесів. Утворення озону можливе тільки при наявності ультрафіолету, тобто під час полярної ночі не відбувається. Взимку над Антарктикою утворюється стійкий вихор, який перешкоджає притоку багатого на озон повітря із середніх широт, тому до весни навіть невелика кількість активного хлору здатна завдати серйозної шкоди озоновому шару. Такого вихору майже немає над Арктикою, тому у Північній півкулі зниження концентрації озону значно менше. Багато дослідників вважають, що на процес руйнування озону впливають полярні стратосферні хмари. Ці висотні хмари, які набагато частіше спостерігаються над Антарктикою, ніж над Арктикою, утворюються взимку, коли немає сонячного світла, І в умовах Антарктиди температура у стратосфері падає нижче за -80 °С. Можна передбачити, що сполуки азоту конденсуються, замерзають і залишаються зв'язаними з хмарними частинками, відповідно, вони позбавлені можливості вступити в реакцію з хлором. Усе свідчить про те, що ХФВ здатні спричинити значне зниження концентрації озону тільки у специфічних атмосферних умовах Антарктиди, а для помітного ефекту в середніх широтах концентрація активного хлору має бути набагато вищою. По-друге, при руйнуванні озонового шару жорсткий ультрафіолет почне проникати глибше в атмосферу. А це означає, що утворення озону відбуватиметься як і раніше, але тільки трохи нижче, в області з великим вмістом кисню.

Хоча перші песимістичні оцінки і були переглянуті, це в жодному разі не означає, що проблеми немає. Швидше стало зрозуміло, що немає нагальної, "катастрофічної" небезпеки. Навіть найбільш оптимістичні оцінки передбачають за сучасного рівня викидів ХФВ в атмосферу серйозні біосферні порушення у другій половині XXI ст., тому скорочувати використання ХФВ все ж необхідно.

Внаслідок своєї хімічної активності, молекули озону (O3) можуть реагувати з багатьма неорганічними й органічними сполуками. Головні речовини, що сприяють руйнуванню молекул озону:

- прості речовини - водень (Н2), атоми кисню (О), хлору (Сl), брому (Вr);

- неорганічні сполуки - хлороводень (HCl), монооксид азоту (NO);

- органічні сполуки - метан (СН4), фторхлор- і фторбром-фреони, які виділяють атоми хлору і брому.

Оксиди азоту відіграють важливу роль у реакціях руйнування озону в середній стратосфері. Незважаючи на те, що азоту в атмосфері більше, ніж будь-якого іншого газу, утворення його оксидів безпосередньо з молекулярного азоту незначне, оскільки молекула N2 дуже стабільна, фактично інертна. Для її розпаду потрібно багато енергії, наприклад, розряд блискавки або дуже жорстке випромінювання, сонячні протони або галактичне випромінювання. У стратосфері цього немає, тому основним джерелом оксидів азоту (NOх) є закис азоту (N20), який утворюється на поверхні Землі і в океанах здебільшого в результаті діяльності бактерій. Але "внесок" людини у цей процес сьогодні становить майже третину від загальної кількості закису азоту.

У зв'язку з цими проблемами, вже у 1975 р. Всесвітня метеорологічна організація вперше виступила із заявою про вплив на озоновий шар діяльності людини та його можливі наслідки і прийняла проект "Глобального вивчення і моніторингу озону", який підтримала також Міжнародна комісія з атмосферного озону. А у 1977 р. за ініціативи ЮНЕП було проведено спеціальну нараду експертів з озону, яка прийняла "Світовий план дій щодо озонового шару". Першим міжнародним договором, який регулює це питання, стала Віденська конвенція про охорону озонового шару, яку було підписано 1985 р. у Відні (Австрія), вона вступила в дію 22 вересня 1988 р. Цей міжнародно-правовий документ зобов'язує держави-учасниці проводити дослідження та систематичні спостереження за хімічними і фізичними процесами, які можуть впливати на озоновий шар, за впливом змін стану озонового шару на здоров'я людини, змінами клімату та ін. За виконанням Віденської конвенції стежить Конференція Сторін конвенції.

1987 р. у Монреалі було підписано міжнародну Угоду про зменшення та подальшу відмову від виробництва речовин, які руйнують озоновий шар. Монреальський протокол про речовини, що виснажують озоновий шар, - це міжнародний договір, створений для захисту озонового шару шляхом припинення або обмеження виробництва певних речовин, що вважалися причинами виснаження озону. Договір набув чинності 1 січня 1989 р. Після цього учасники провели ще вісім зустрічей, на яких приймалися доповнення до договору; у 1989 р. (Гельсінкі), 1990 (Лондон), 1991 (Найробі), 1992 (Копенгаген), 1993 (Бангкок), 1995 (Відень), 1997 (Монреаль) і 1999 (Пекін). Договір був майже всесвітньо ухвалений та ефективно виконується, і тодішній Генеральний Секретар ООН Кофі Аннан назвав його "можливо, однією з найуспішніших міжнародних угод на сьогодні".

Монреальський протокол є незмінним супутником Віденської конвенції про охорону озонового шару. Норми цього документа мають більш конкретний, уточнювальний характер, аніж норми Віденської конвенції. У ньому міститься перелік речовин і продуктів, які руйнують озоновий шар. До них належать кондиціонери у легкових і вантажних автомобілях, холодильники, морозильні камери, льодогенератори, аерозольні продукти, фторполімери тощо. Реалізація Віденської конвенції та Монреальського протоколу у Західній Європі успішно закінчилася. Там використання речовин, які руйнують озоновий шар, скорочувалося навіть швидше, ніж це було передбачено у Протоколі. На жаль, тривалість збереження цих речовин в атмосфері означає, що навіть за таких прискорених темпів виводу зі споживання цих речовин озоновий шар, можливо, повністю відновиться лише після 2050 р.