Озонова діра, Детальна інформація

Озонна діра над Арктикою

У 1985 р. фахівці з дослідження атмосфери з Британської антарктичної служби повідомили про зовсім несподіваний факт: весняний склад озону в атмосфері над станцією Халлі-Бей в Антарктиді зменшився за період з 1977 по 1984 р. на 40%. Незабаром цей висновок підтвердили й інші дослідники, що показали також, що область зниженого вмісту озону простирається за межі Антарктиди і по висоті охоплює шар від 12 до 24 км, тобто значну частину нижньої стратосфери. Фактично це означало, що в полярній атмосфері існує озонна «діра».

Це відкриття стривожило як учених, так і широку громадськість, оскільки з нього випливало, що шар озону, що оточує нашу планету, знаходиться в більшій небезпеці, чим пророкували моделі атмосфери. Стоншення цього шару могло б привести до серйозних наслідків для людства. Вміст озону в атмосфері не досягає й однієї мільйонної частки від вмісту інших газів, однак саме озон поглинає велику частину сонячної ультрафіолетової радіації, не даючи їй досягти земної поверхні. Ультрафіолет має достатню енергію, щоб руйнувати багато органічних молекул, включаючи ДНК. Він може викликати рак шкіри, катаракту й імунну недостатність, а також ушкоджувати посіви і морські екосистеми.

З огляду на настільки серйозний характер цих ефектів, багато вчених, включаючи автора і його колег з Національного управління по аеронавтиці і дослідженню космічного простору, поспішили почати дослідження з метою з'ясування природи озонної діри, що утворюється щовесни Південної півкулі в полярному вихрі – ізольованій повітряній масі, що циркулює навколо Південного полюса протягом більшої частини року. (Кількість озону у вихрі зменшується наприкінці серпня – початку вересня, стабілізується в жовтні і знову починає зростати в листопаді.) Доти поки ми не знайдемо причину утворення озонної діри, ми не зможемо встановити, чи має вона вплив у глобальних масштабах чи її «сфера впливу» обмежується Антарктикою, для якої характерні особливі метеорологічні умови.

Дослідження в цій області спиралися на виміри декількох типів. Одні прилади розміщалися на землі, інші встановлювалися на повітряних кулях-зондах і супутниках. Прилади на кулях-зондах призначаються для визначення хімічного складу повітря в тих шарах, крізь які рухається куля. Прилади, розташовувані на землі чи встановлювані на супутниках, здійснюють дистанційні виміри по визначенню товщини шару озону (точніше, висоти стовпа, який би утворився, якби весь озон, що розташовується в атмосфері над даною точкою, був приведений до стандартної температури і стандартного тиску). Для визначення товщини шару, що звичайно виражається в добсонах (одиниця, що позначає соту частку міліметра), вимірюють падаючу на землю радіацію на декількох довжинах хвиль, обираних таким чином, що на одних довжинах хвиль радіація сильно поглинається озоном, а на інших – слабко. (Прилади на супутниках реєструють світло, відбите від земної поверхні.) Якщо потік радіації на довжинах хвиль, де поглинання істотне, зріс стосовно радіації на інших довжинах хвиль, виходить, зміст озону зменшився; і навпаки, якщо потік радіації на довжинах хвиль, де відбувається поглинання, зменшився, виходить, вміст озону зріс.

Роботи в цій області спиралися на міжнародне співробітництво. У 1987 р., наприклад, близько 150 учених і технічних співробітників, що представляли 19 організацій і 4 країни, зустрілися в Пунта-Аренасі (Чилі), щоб провести найбільш докладне дослідження шару озону, яке коли-небудь запроваджувалось. Проект одержав назву «Літаковий антарктичний озонний експеримент». У ході експерименту, що показав, що в 1987 р. озонна діра була найбільшою, використовувалися не тільки наземні вимірювальні засоби і прилади, встановлювані на супутниках і кулях-зондах, але і літака-лабораторії. На переустаткованому пасажирському літаку DC-8 і висотному літаку ER-2 учені кілька разів проникали в область зниженого вмісту озону і зібрали детальні зведення про її розміри і хімічний склад повітря в ній.

Експеримент 1987 р., як і інші дослідження, проведені останнім часом, спирався на дві висловлені раніше гіпотези, що пояснюють існування озонної діри. Відповідно до однієї гіпотези, причиною діри є викид в атмосферу хімічних речовин антропогенної природи (поллютантів). Інша теорія покладає провину за утворення діри на природні зміни в циркуляції повітряних мас, що весною Південної півкулі переносять багате озоном повітря в полярну стратосферу.

Стурбованість наслідками викиду поллютантів виникла до того, як були отримані перші свідчення про ці наслідки. У 1971 р., коли надзвукові лайнери, здавалося, от-от почнуть регулярні польоти, з'явилися побоювання, що викиди водяної пари й оксидів азоту (NOx) можуть зробити руйнівний вплив на атмосферу на великих висотах. Лабораторні дослідження показали, що обидва компоненти можуть впливати на шар озону. Надзвуковий повітряний транспорт так і не став реальністю, однак у наступні роки викидання в навколишнє середовище оксиду азоту (N2O) у результаті спалювання все в більших кількостях викопного палива і масового застосування азотних добрив привело до таких же результатів Але і ця небезпека відійшла на другий план, коли в 1974 р. М. Моліна і Ф. Роуленд із Каліфорнійського університету в Ірвіні забили тривогу з приводу зростаючого використання сполук, відомих за назвою хлорфторвуглеводів. Починаючи з цього часу так звана хлорфторвуглеводна проблема стала однією з основних у дослідженнях із забруднення атмосфери.

Склад хлорфторвуглеводів ясний з їхньої назви. Використовувані вже 60 років ці гази служать холодоагентами в холодильниках і кондиціонерах, розпилювачами для аерозольних сумішей, пінотворчими агентами й очисниками для електронних приладів. Колись вони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки вони дуже стабільні і неактивні, а виходить, нетоксичні. Як це не парадоксально, але саме інертність цих сполук робить їхній «ворогами» стратосферного озону.

Інертні гази не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, що простирається від поверхні Землі до висоти 10 км) і зрештою проникають у стратосферу, верхня границя якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули цих речовин піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетової радіації, що не проникає на менші висоти через дію озону, що блокує. Ультрафіолет руйнує стійкі в звичайних умовах молекули (у тому числі хлорфторвуглеводи), що розпадаються на компоненти, що володіють високою реактивною здатністю (до них відноситься атомний хлор).

Лабораторні дослідження показали, що хлор швидко руйнує озон. Оскільки в атмосферу викидаються мільйони тон хлорфторвуглеводів, дослідники прийшли до висновку, що цей процес, якщо він буде продовжуватися, приведе до нагромадження хлорфторвуглеводів у стратосфері в концентрації, достатньої для серйозних ушкоджень озонового «екрану». Більш того, навіть якщо ми негайно припинимо викид хлорфторвуглеводів, руйнування озону, швидше всього, буде продовжуватися й у наступному сторіччі, оскільки хлорфторвуглеводи, що уже потрапили в атмосферу, залишаться в ній на десятиліття. Два основні різновиди цих речовин – Ф-11 (CFCl3) і Ф-12 (CF2Cl2) – «живуть» в атмосфері відповідно протягом 75 і 100 років.

Під тиском цих аргументів у США з 1978 р. заборонене використання хлорфторвуглеводів в аерозолях, таких, як деякі дезодоранти і лаки для волосся. Однак спроби установити контроль над застосуванням хлорфторвуглеводів в інших областях ні до чого не привели; частково це пояснюється появою нових даних про хімічні процеси, що відбуваються в стратосфері. Наприклад, хоча було відоме, що такі речовини, як оксиди азоту і водяна пара, руйнують озон, нові розрахунки показали, що оксиди азоту можуть з'єднуватися з хлором і фактично нейтралізовувати руйнівну дію останнього стосовно озону.

У ту пору і з'явилося повідомлення англійських учених про те, що жовтневий зміст озону над їхньою станцією в Антарктиді зменшився з типового значення 300 добсонів, що утримувалося в 1970-х роках, до 180 добсонів у 1984 р. Це відкриття відродило інтерес громадськості до озонового шару. У той же час, оскільки викиди хлорфторвуглеводів продовжували рости, політики виявилися задіяними в дебати по питанню встановлення міжнародного контролю за виробництвом цих речовин. Дискусії привели до того, що у вересні минулого року 23 країни (включаючи США) підписали в Монреалі конвенцію, що зобов'язує їх знизити споживання зазначених речовин. Відповідно до досягнутої домовленості (конвенція повинна бути ратифікована 11 країнами, перш ніж вона набере сили на початку 1989 р.), розвинуті країни повинні до середини 1990-х років заморозити споживання хлорфторвуглеводів на рівні 1986 р., а до 1999 р. наполовину знизити цей показник.

Сутність хлорфторвуглеводної проблеми полягає в тому, що невелика кількість хлору досить для руйнування значної кількості озону. Молекула озону (О3), що складається з трьох атомів кисню (О), утвориться з молекул звичайного кисню (O2) під впливом ультрафіолетової радіації. Фотон розщеплює молекулу кисню на два атоми кисню, що мають високу реакційну здатність, кожний з який швидко з'єднується з іншою, цілою молекулою кисню, утворити молекулу озону (О3). Останній легко поглинає ультрафіолет і розпадається на первісні компоненти – O2 і О. Атом кисню, що звільнився, знову з'єднується з молекулою кисню й утворить молекулу озону. У такий спосіб молекула озону утвориться і розпадається багато разів, поки зрештою не з'єднається з вільним атомом кисню і не утворить двох молекул кисню. При незмінних умовах озон знаходиться в динамічній рівновазі, тобто швидкість його утворення дорівнює швидкості розпаду.

Хлор зрушує цю рівновагу вбік зменшення вмісту озону в стратосфері, тому що в його присутності підвищується імовірність утворення двох молекул кисню. Ще важливіше те, що хлор (так само як оксиди азоту і водяна пара) діє подібно каталізатору в ході хімічного процесу його кількість не зменшується Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100000 молекул озону, перш ніж буде дезактивований чи повернеться в тропосферу, звідкіля буде вилучений разом з опадами чи іншим шляхом.

Хімічні процеси, що, як прийнято вважати, приводять до руйнування озону, добре вивчені. Коли атом хлору (Cl) зіштовхується з молекулою озону, він відбирає в неї один атом кисню, утворюючи радикал монооксиду хлору (Cl) і молекулу кисню. Радикали, тобто молекули з непарним числом електронів, хімічно дуже активні. Коли монооксид хлору зустрічається з вільним атомом кисню (важлива ступінь у каталітичному процесі!), атом кисню відривається від монооксиду хлору під дією сильного притягання до вільного атома кисню, у результаті утвориться нова молекула кисню. Атом хлору залишається вільним і може атакувати нову молекулу озону.

Звичайно цей каталітичний процес йде з деякими обмеженнями. Існують дві основні реакції, що, принаймні на середніх висотах, перешкоджають руйнуванню озону. В одному випадку монооксид хлору вступає в реакцію з оксидом азоту (NO). Aтом кисню з монооксида хлору переходить до оксиду азоту, у результаті чого утворяться вільний атом хлору і діоксид азоту (NO2). Коли останній поглинає видиме світло, його атом кисню вивільняється і може утворити молекулу озону. У результаті вміст озону не змінюється.

В другому, більш важливому, випадку атом хлору чи радикал монооксиду хлору зв'язується з якоюсь іншою молекулою й утворює стабільну сполуку, що служить тимчасовим «резервуаром» хлору. В такому виді хлор (а при нормальних умовах в атмосфері саме так він і проводить велику частину часу) не здатна атакувати озон. Двома важливими резервуарами хлору є нітрат хлору (ClONO2), що утвориться при сполуці монооксиду хлору і діоксиду азоту (NO2), і хлористоводнева (соляна) кислота (НСl), що утвориться в результаті сполуки атома хлору і метану (СН4). Зрештою така молекула-резервуар поглинає фотон чи вступає в реакцію з якоюсь іншою молекулою, розпадається і виділяє хлор, що одержує можливість атакувати озон.

Наявність цих «протидіючих» реакцій послужило підставою для того, щоб фахівці, що займаються моделюванням хімічних процесів в атмосфері, прийшли до висновку про незначний вплив хлорфторвуглеводів на шар озону в глобальному масштабі. Якщо причину зменшення весняного вмісту озону над Південним полюсом на 40% шукати у впливі хлору, що входить у хлорфторвуглеводи, варто визнати, що протидіючі реакції антарктичною весною чомусь слабшають. Виникає питання: чому саме?

Прихильники хлорфторвуглеводноъ гіпотези озонної діри вказують на кілька процесів, що могли б зменшити внесок цих реакцій. Так, наприклад, руйнування озону йшло б швидше, якби зі стратосфери віддалялися оксиди азоту. Під час відсутності оксидів азоту хлор не міг би з'єднуватися з ними й утворювати резервуар у виді нітрату хлору. Крім того, деякі процеси можуть у принципі видозмінювати резервуари хлору, змушуючи їх виділяти активний хлор у виді вільних чи атомів монооксиду хлору, що руйнують озонний шар.

Багато дослідників вважають, що на перераховані процеси впливають полярні стратосферні хмари. Ці висотні хмари, що набагато частіше спостерігаються над Антарктикою, ніж над Арктикою, утворяться узимку, коли при відсутності сонячного світла й в умовах ізоляції Антарктиди температура в стратосфері падає до –80 °С.

Можна припустити, що узимку сполуки азоту конденсуються, замерзають і залишаються зв'язаними з хмарними частками і тому позбавляються можливості вступати в реакцію з хлором. У той же час хмарні частки можуть полегшувати перетворення резервуарів хлору в активний хлор. Деякі хімічні реакції, що протікають повільно в чисто газовому середовищі, можуть йти з великою швидкістю на поверхнях твердих часток. Під час полярної ночі багато хімічних реакцій практично «заморожуються». Проте можливо, що частки полярних стратосферних хмар захоплюють резервуари хлору і змушують їх змінюватися: йде свого роду підготовка до того, щоб при перших променях сонця монооксид хлору початків швидко вивільнятися. На жаль, дотепер невідомо, з чого складаються хмарні частки і які реакції протікають на них.

Хлорфторвуглеводна гіпотеза озонної діри повинна пояснити не тільки, чому «нормальні» протидіючі реакції сповільнюються під час антарктичної весни, але і як ліквідується ця унікальна полярна аномалія. Полярною весною сонце усе ще знаходиться низько над обрієм; у результаті розпад молекул озону під впливом сонячної радіації уповільнений, а виходить, менше концентрація вільних атомів кисню, що могли б брати участь у каталітичному циклі хлору.

Присутність визначеної кількості брому (Вг) у полярних стратосферних хмарах могло б компенсувати недостачу атомарного кисню. Хімічні сполуки, що викидаються в атмосферу при розпаді природного метилброміду, а також фумигантів і деяких речовин, застосовуваних при гасінні пожеж, можуть взаємодіяти з озоном, утворити радикал монооксиду брому (Br) і кисень. У свою чергу монооксид брому може вступати в реакцію з монооксидом хлору, у результаті чого утвориться інша молекула кисню і вивільняється вільний хлор. (Остаточним результатом є перетворення озону в кисень.) Такий комбінований каталітичний цикл брому і хлору може йти без утруднень, навіть якщо вільні атоми кисню відносно рідкі в навколишньому середовищі. Бром може також бути безпосереднім винуватцем руйнування озону: він ініціює ланцюг реакцій, схожих на ті, у яких бере участь хлор, але не потребуючих вільних атомів кисню.

Хоча в картині хімічних процесів, що могли б приводити до руйнування озону в стратосфері над Антарктидою, залишається багато неясного, даних комплексних вимірів, проведених у 1986 р. у районі протоки Макмердо в Антарктиді, і попередні результати Літакового антарктичного озонного експерименту 1987 р. деякою мірою свідчать на користь хлорфторвуглеводної гіпотези. Так, наприклад, з'ясувалося, що у весняний час зміст монооксиду хлору в озонній дірі збільшено в порівнянні із середніми широтами. Є і свідчення того, що концентрація оксидів азоту в дірі сильно знижена в порівнянні із середніми широтами.

Результати вимірів підтверджують також припущення про те, що резервуари хлору (нітрат хлору і хлористоводнева кислота) змінюються під впливом хмар. На початку антарктичної весни (коли діра утвориться) вміст обох резервуарів у газоподібній формі невеликий, а потім він підвищується. З цього випливає, що велика кількість газів запасається в такій формі (наприклад, осідає на хмарних частках), що знайти їхній неможливо. Чи грає важливу роль у всьому цьому також бром, як припускає теорія, неясно. Попередні результати вказують, що в стратосфері над Антарктидою його концентрація може бути і не особливо великою.

Дані, що свідчать на користь хімічної гіпотези озонної діри, не виключають можливості, що істотними можуть бути природні процеси, зв'язані з динамікою атмосфери. Динамічні процеси не руйнують озонний шар, вони лише перерозподіляють озон.

Можливість участі динамічних процесів у руйнуванні озону випливає з того факту, що атмосфера не статична. Оскільки повітря в атмосфері знаходиться в постійному русі, змінюється не тільки положення шару озону і його «потужність», але і розподіл і концентрація хімічних речовин, що впливають на нього. Якби на вміст озону (яке завжди флуктуїрує деякою мірою) впливала тільки сонячна радіація, можна було б очікувати, що більше всього озону виявиться в місцях, підданих найбільшому опроміненню, тобто на дуже великих висотах і на дуже низьких широтах. Насправді максимум у розподілі озону припадає не на верхню границю стратосфери, а на її середину, і не на район екватора, де концентрація озону досягає лише 260 добсонів, а на полярні області.

Такий розподіл озону виникає через те, що в цілому стратосферне повітря, що несе «свіжий» озон, тече від тропіків до полюсів, причому з більших висот на менші. У Північній півкулі стратосферне повітря проникає до самого полюса, де середній вміст озону пізньою зимою чи провесною досягає 450 добсонів. У Південній півкулі протягом більшої частини року повітря не поширюється південніше 60° п. ш. (тут пікова концентрація озону складає 380 добсонів): у силу особливих метеорологічних умов, зокрема через полярний вихор, багате озоном повітря не може просунутися далеко на південь аж до кінця весни.

Почасти через особливості циркуляції кількість озону в атмосфері над Антарктидою залишалася в минулі роки практично постійною (на рівні 300 добсонів) протягом майже всієї зими і весни. Наприкінці весни, коли полярний вихор зникав, відкриваючи шлях повітря з низьких широт, вміст озону починав швидко зростати майже до 400 добсонів. В останні роки концентрація озону залишається майже постійною протягом зими, але навесні швидко падає до 200 добсонів.