Причини та наслідки руйнування озонового шару

Найважливішою складовою частиною атмосфери, що впливає на клімат і захищає все живе на Землі від випромінювання Сонця, є озоносфера. Основна маса озону перебуває на висотах від 10 до 50 км, а його максимум – на 18-26 км. Усього в стратосфері втримується 3,3 трильйони тон озону. У шарі озоносфери озон перебуває в дуже розрідженому стані.

Роль озону у збереженні біологічного життя на Землі винятково велика. Молекули озону поглинають тверде ультрафіолетове випромінювання Сонця саме в тій спектральній області, що є найбільш руйнівною для біологічних систем. Органічні молекули руйнуються ультрафіолетовим (УФ)-випромінюванням. Це стосується також і молекул ДНК, що відповідають, як відомо, за передачу спадкових ознак. Озоновий шар, немов щит, не тільки оберігає живу речовину від прямого руйнування, але й забезпечує хід еволюції.

Рис. 1 Озон в атмосфері Землі

Якби товщина озону зменшилася, це нанесло б непоправну шкоду усім живим організмам. Твердий ультрафіолет погано поглинається водою й тому становить більшу небезпеку для морських екосистем. Експерименти показали, що планктон, що живе в приповерхньому шарі, при збільшенні інтенсивності твердого УФ може серйозно постраждати й навіть загинути повністю. Планктон перебуває в основі харчових ланцюгів практично всіх морських екосистем, тому без перебільшення можна сказати, що практично все життя в приповерхніх шарах морів й океанів може зникнути. Рослини менш чутливі до твердого УФ, але при збільшенні дози можуть постраждати й вони. Повне зникнення озонного шару, безсумнівно, означало б і зникнення вищих форм життя. Що стосується людей, то зараз підраховано, що навіть незначне зниження товщини шару озону може збільшити захворюваність раком шкіри. Проте людство легко знайде спосіб захиститися від твердого УФ-випромінювання але при цьому ризикує померти з голоду. Інший розподіл озону по висоті істотно вплине й на клімат, тому що зміниться характер поглинання УФ-випромінювання озоном, а отже, і температура стратосфери.

Проблема озону, як одного з малих газових компонентів атмосфери, що раніше становила інтерес лише для невеликого кола вчених, у цей час придбала глобальне значення. Така різка зміна пояснюється відкриттям того факту, що нормальний уміст озону в атмосфері перебуває під загрозою в результаті господарської діяльності людини.

Якби всю кількість озону зібрати за нормального тиску 760 мм рт. ст. і температури 273,15 К, то товщина цього шару склала б усього 2,5-3 мм. Озон являє собою їдкий, трохи блакитнуватий газ. Його молекула складається із трьох атомів кисню (O₃), так що озон є «хімічним родичем» більш стабільної й багатої в атмосфері речовини, необхідної для дихання людини, що складається з двох атомів кисню (О₂).

Властивості озону:

- Здатність поглинати біологічно небезпечне ультрафіолетове випромінювання Сонця.

- Озон – найсильніший окислювач (просто кажучи – отрута), тому приземний озон небезпечний.

- Здатність поглинати інфрачервоне випромінювання земної поверхні.

- Здатність прямим і непрямим чином впливати на хімічний склад атмосфери.

Оскільки механізм створення молекул озону перебуває в балансі з механізмом їхнього руйнування, то середня кількість озону в стратосфері вчені вважають величиною порівняно постійної з моменту утворення сучасної атмосфери Землі.

На відміну від інших атмосферних складових озон з’явився в атмосфері винятково хімічним шляхом і є наймолодшим атмосферним компонентом. З екологічної точки зору, найціннішою властивістю озону є його здатність поглинати біологічно небезпечне ультрафіолетове випромінювання Сонця; у той же час як хімічна сполука озон є найсильнішим окислювачем (попросту отрутою), здатним при безпосередньому контакті отруїти ту саму флору й фауну, що він захищає в якості стратосферного озонового шару. Крім цього, озон є ефективним парниковим газом. І, нарешті, озон  впливає на малі активні складові атмосфери, а через них – і на стабільні компоненти, які, як і сам озон, поглинають й ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання. Тим самим озон робить не тільки прямий, але й непрямий вплив на парниковий ефект і рівень ультрафіолетового випромінювання на поверхні Землі.

Практично єдиним джерелом озону в атмосфері є фотодисоціація молекулярного кисню на атоми з наступним швидким присипанням атома до молекули O₂ з утворенням молекули озону:

O₂ + hn = O + O (1)

O + O₂ + M = O₃ + M (2)

(тут М – будь-яка молекула повітря).

Цей процес відбувається на висотах більше 30 км, оскільки нижче цієї висоти короткохвильове сонячне випромінювання не проникає. У результаті досить високо в атмосфері з’являються молекули озону й атоми кисню.

Загибель атмосферного озону відбувається в результаті наступних процесів:

O₃ + hn = O + O₂ (3)

O + O₃ = O₂ + O₂ (4)

Таким чином, атоми, що утворилися колись із молекул кисню, знову з’єднуються в молекулу. Відзначимо тільки, що, для того щоб «розвалити» молекулу озону, короткохвильове випромінювання не потрібне. Зв’язок атома О с молекулою О₂ в озоні дуже слабкий, тому навіть при опроміненні видимим світлом молекула озону буде фотодисоціювати на вихідні складові.

Відзначу також, що реакція (3) є основним постачальником атомів кисню; її швидкість на всіх висотах тропосфери й стратосфери на три й більше порядки вище швидкості реакції (1).

Наведений вище механізм був запропонований на початку 1930-х років англійським геофізиком Чепменом і з’явився першою спробою пояснити утворення озонового шару в атмосфері.

Озон у стратосфері постійно народжується й гине, отже, його шар складається з рівноважної кількості. А оскільки ця рівновага рухлива, то товщина озонного шару може змінюватися. Спостерігаються добові, сезонні коливання вмісту озону, а також цикли, пов’язані з багаторічними змінами сонячної активності. Найбільша кількість озону (46 %) утвориться в стратосфері тропічного поясу, там максимум його щільності перебуває приблизно на висоті 26 км від поверхні. У середніх широтах він розташовується нижче: узимку – на висоті 22 км, а влітку – 24 км. У полярних районах висота максимуму становить усього 13-18 км, і тут озон найбільш інтенсивно переноситься в нижні шари атмосфери.

Існує велика кількість причин ослаблення озонового щита, викликаного антропогенною діяльністю. Загалом їх можна об’єднати у дві групи.

1. Викиди висотних літаків і ракет

По-перше, – це запуски космічних ракет. Паливо, що згорає, «випалює» в озоновому шарі більші діри. Колись передбачалося, що ці «діри» затягуються. Виявилося, ні. Вони існують досить довго.

По-друге, – літаки. Особливо ті, що летять на висотах в 12-15 км. Пара, що викидається ними, й інші речовини руйнують озон. Але, у той же час літаки, що літають нижче 12 км, дають збільшення озону. У містах він – один зі складових фотохімічного смогу.

По-третє, – окиси азоту. Їх викидають ті ж літаки, але найбільше їх виділяється з поверхні ґрунту, особливо при розкладанні азотних добрив.

Оскільки на сьогодні польоти на надзвукових літаках здійснюються не дуже часто, вони не наносять істотної шкоди озоновому шару. Запуски ракет відбуваються також не занадто часто, але вони можуть наносити дуже серйозний збиток озоновому шару. Так, при загальній масі орбітального корабля «Спейс Шаттл» сто сорок три з половиною тонни в процесі підйому до висоти 50 км твердопаливна ракетна система викидає 187 тонн Cl₂ і його сполук, 7 тонн оксидів азоту й знищує за політ 10 000 000 тонн озону. Це дуже багато, тому що в земній атмосфері втримується всього 3 000 000 000 тонн озону.

Оксиди азоту відіграють важливу роль у формуванні й руйнуванні озону, причому в стратосфері відбувається каталітичне руйнування озону, а в тропосфері – каталітичне формування.

2. Хлорофторовуглеці (ХФВ), або фреони

Колись фреони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки вони дуже стабільні й неактивні, а виходить, не токсичні. Як це не парадоксально, але саме інертність цих сполук робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, що простирається від поверхні землі до висоти 10 км), як це відбувається, наприклад, зі здебільшого окислів азоту, і зрештою проникають у стратосферу, верхня границя якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули ХФВ піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетового випромінювання (рис. 2), що не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону. Ультрафіолет руйнує стійкі у звичайних умовах молекули фреонів, які розпадаються на компоненти, що мають високу реакційну здатність, зокрема, атомний хлор. Таким чином, ХФВ переносить хлор з поверхні землі через тропосферу й нижні шари атмосфери, де менш інертні сполуки хлору руйнуються, у стратосферу, до шару з найбільшою концентрацією озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: у ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону перш ніж буде дезактивований або повернеться в тропосферу. Зараз викид фреонів в атмосферу обчислюється мільйонами тонн, але варто помітити, що навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва й використання ХФВ негайного результату досягти не вдасться: дія фреонів, які вже потрапили в атмосферу, буде тривати кілька десятиліть. Вважається, що час життя в атмосфері для двох найбільш широко використовуваних ХФВ: фреон-11 (CFCl₃) і фреон-12 (CF₂Cl₂) становить 75 і 100 років відповідно.

Рис. 2 Руйнування озонового шару Землі фреонами

Один з найбільш вражаючих доказів того, що хлор дійсно є агентом, відповідальним за появу озонової діри, з’явився у вересні 1987 р., коли вчені пролетіли на літаку з Південної Америки прямо до Південного полюса, у зону озонової діри. Збільшення й зменшення концентрації озону є майже точним дзеркальним відбиттям зменшення й збільшення концентрації ClО. Більш того, концентрація Cl у самій озоновій дірі в сотні разів перевищує будь-який рівень, який можна було б пояснити з погляду атмосферної хімії. Це явище часто називають «димовою рушницею». Навіть виробники ХФВ переконалися в тому, що озонову діру не можна вважати нормальним явищем. Це свідчення глибоких змін в атмосфері, викликаних штучними хлоровмісними забруднювачами.

Ученим треба було кілька років, щоб знайти пояснення появі озонової діри. Коротенько воно таке.

Оскільки Антарктида оточена океаном, вітри можуть безупинно циркулювати навколо континенту, на якому немає гірських ланцюгів. Під час південної зими вони утворять навколо полюсний вихор, лійку з вітрів, що збирає повітря над Антарктидою й утримує його, не дозволяючи змішуватися з іншою атмосферою. Цей вихор служить ізольованим «реакційним казаном» для полярних атмосферних хімічних сполук (він значно сильніше того, що утворюється над Північним полюсом, тому північна озонова діра проявляється значно слабше).

Рис. 3 Озонова діра над Антарктидою

Під тиском аргументів, наведених вище, багато країн почали вживати заходи, спрямовані на скорочення виробництва й використання фреонів. З 1978 р. у США було заборонене використання фреонів в аерозолях. На жаль, використання фреонів в інших галузях обмежене не було. У вересні 1987 р. 23 провідні країни світу підписали в Монреалі протокол, що зобов’язує їх знизити споживання ХФВ. Сьогодні під ним підписалося близько 150 країн.

До того, в 1985 р. було підписано Віденську конвенцію про охорону озонового шару, у якій розвинені країни визнавали факт проблеми руйнування озонового шару.

Відповідно до досягнутої домовленості в Монреалі розвинені країни повинні були до 1999 р. знизити споживання хлорофторовуглеців до половини рівня 1986 р. Для використання в якості пропеллента (тобто інертної хімічної речовини, за допомогою якої створюється надлишковий тиск) в аерозолях уже знайдений непоганий замінник фреонів – пропан-бутанова суміш. За фізичними параметрами вона практично не поступається фреонам, але, на відміну від них, вогненебезпечна. Проте, такі аерозолі вже виробляються в багатьох країнах. Складніша справа з холодильними установками – другим за величиною споживачем фреонів. Річ у тім, що через полярність молекули ХФВ мають високу теплоту випаровування, що дуже важливо для робочого тіла в холодильниках і кондиціонерах. Кращим відомим на сьогодні замінником фреонів є аміак, але він токсичний і все-таки поступається фреонам за фізичними параметрами. Непогані результати отримані для повністю фторованих вуглеводнів. У багатьох країнах ведуться розробки нових замінників і вже досягнуті непогані практичні результати, але повністю ця проблема ще не вирішена.

Хочеться сподіватися, що проблема озонового шару навчить із більшою увагою й побоюванням ставитися до всіх речовин, що потрапляють в атмосферу в результаті антропогенної діяльності.