Планета между двумя озоновыми дырами

Классическое изображение динамики роста озоновой дыры над Антарктидой: слева – 1979 год, справа – 1991 год.
Источник: фото из буклета DLR

Почти 20 лет тому назад, 19 января 1992 года, Аэрологическая станция «Архангельск», где производятся инструментальные наблюдения за содержанием озона в атмосфере, зафиксировала над Архангельском менее 0,02 см озона, что на одну треть меньше среднемноголетних значений. Это означало распространение озоновой дыры до широты Архангельска.

Необходимо отметить, что низкое содержание озона было зафиксировано также в Печоре Республики Коми и даже в Петербурге, что говорило о распространении озоновой дыры не только на всю Арктику, но и на весь европейский Север. К этому времени еще не улеглись страсти, вызванные открытием озоновой дыры сначала над Антарктикой, а затем над Арктикой. С истончением озонового слоя создалась реальная угроза биологической жизни на Земле из-за увеличения ультрафиолетового облучения. Учитывая все эти обстоятельства, появление озоновой дыры над Архангельском стало причиной широкого обсуждения этой проблемы как в СМИ, так и на заседании Областного собрания, участником которых был автор этих строк, работавший тогда начальником Гидрометцентра Северного управления гидрометслужбы (УГМС).

Озон – это трехатомный кислород, Оз. Озоновый слой располагается в стратосфере на высотах от 12 до 50 км, но чаще всего на высотах между 20 и 40 км. На этих высотах ультрафиолетовое излучение солнца поглощается молекулами кислорода О2, в результате они распадаются на свободные атомы кислорода О, которые, соединяясь с молекулами кислорода О2, образуют трехатомные молекулы озона. При попадании на него ультрафиолетовых лучей озон разлагается обратно на молекулу и атом кислорода. Этот процесс называется озоново-кислородным циклом. В результате ультрафиолет поглощается, не доходя до земной поверхности.

Если бы не было озонового слоя, то биологическая жизнь на Земле вряд ли могла зародиться. Высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая и человека, вообще не возникли бы. Ультрафиолетовая солнечная радиация (УФР), приходящая в верхние слои атмосферы, по степени своего воздействия на живую материю подразделяется на три категории: «А» – с длиной волны от 400 до 3156 нанометров, низкоэнергетическая; «В» – с длиной волны от 315 до 280 нанометров, основная; «С» – с длиной волны от 280 до 100 нанометров, жесткое излучение. Категория «С», самая опасная для жизни часть радиации, весьма эффективно поглощается в озоново-кислородном цикле до высоты 35 км, но не полностью, часть УФР доходит до поверхности Земли.

Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в разрушение озона, являются водород, атомы кислорода, хлора, брома, хлороводород, моноксид азота, метан, фторхлор и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома. Возможность разрушения и образования озонового слоя в стратосфере была предсказана в 1974 году в опубликованных статьях Крутцена, Молины и Роулэнда. В этих работах впервые было обращено внимание на тот факт, что широко используемые в холодильных установках и изоляторах хлоро- и фтороуглеродные соединения (CFS), попадая в атмосферу, могут активно вступать там в разрушительную реакцию с озоном. За это открытие ученые в 1996 году были удостоены Нобелевской премии в области химии.

Огромная озоновая дыра диаметром 1000 км появляется над Антарктидой каждый год в августе, а в декабре или январе прекращает свое существование. Над Северным полюсом в Арктике была обнаружена другая озоновая дыра, но меньших размеров. Реакция международного сообщества на эти открытия оказалась очень быстрой. Уже в марте 1985 года была принята Венская конвенция об охране озонового слоя, а в сентябре 1987 года руководителями 54 государств, включая и СССР, принят Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, который был направлен на постепенное прекращение производства и использования озоноразрушающих веществ.

Монреальский протокол оказался первым международным договором по окружающей среде, имеющим обязательную юридическую силу. К нему присоединилось 190 стран, подписавших его и снявших с производства 95% веществ, разрушающих озоновый слой. К 1996 году цель была достигнута. Ведущие иностранные фирмы полностью прекратили производство таких веществ и перешли на производство озоносберегающих веществ.

В 2003 году была предпринята специальная проверка принятых мер по выполнению Монреальского протокола. Спутниковые измерения показали, что идет процесс восстановления озонового слоя, но, к сожалению, не совсем полного. Этот процесс займет несколько десятилетий. Поэтому «затягивание» озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2050 года. Данные Всемирной метеорологической организации, а также ученых Технологического университета Джорджии (США) подтверждают сокращение размеров озоновых дыр.

Исследования Центральной аэрологической обсерватории (Долгопрудный) также показали, что озоновый слой Земли сильно окреп; в Северном полушарии его параметры вернулись к уровню 70-х годов прошлого века, когда озоновый слой был невозмущенным. Озоновый слой над европейской Россией, включая и ее северную часть, больше не истощается.

Но изучение проблем, связанных с состоянием озонового слоя, продолжается. В этом отношении крупных результатов добился американский химик Равишанкары из Университета штата Иллинойс (США), который, изучая кругооборот закиси азота N20, показал, что этот газ является главным виновником того, что озоновая дыра залечивается не полностью. Эта неполнота еще совсем недавно объяснялась только за счет долгоживучести уже выброшенных в атмосферу СFS. Теперь же, по мнению Равишанкары, причиной является закись азота. Это бесцветный, тяжелее воздуха, с характерным сладковатым запахом, веселящий газ. Используется как средство для ингаляции наркоза в сочетании с другими препаратами. Иногда используется для улучшения технических характеристик двигателей внутреннего сгорания.

Попадая в верхние слои атмосферы и встречаясь с молекулами озона, энергетически неустойчивыми, молекула закиси азота легко отдает озону свой кислород, а молекула озона, получив еще один атом, тут же распадается на две молекулы кислорода 02. Это означает, что каждая молекула веселящего газа выбивает из озонового слоя одну молекулу озона.

Исследования показали, что с 1800 года содержание закиси азота в атмосфере возросло на 20%, а за последние десятилетия оно растет на 0,25% каждый год. Конечно, закись азота удаляется из атмосферы, но очень медленно – за 120 лет чуть больше 60%. По подсчетам Равишанкары, 70% N20 приходит в атмосферу естественным путем – за счет переработки азота бактериями в почве и морской среде. Остальные 30% приходятся на деятельность человека: две трети от этой части – от сельскохозяйственной деятельности (главным образом от применения органических и минеральных удобрений) и еще одна треть от сжигания биотоплива в двигателях внутреннего сгорания.

По расчетам Равишанкары, в отсутствие CFS закись азота стала главным фактором разложения молекул озона и разрушения озонового слоя. А вот прекратить выбросы закиси азота в атмосферу (в отличие от CFS) несравнимо труднее из-за ее связи с сельским хозяйством. Научный поиск полного решения озоновой проблемы продолжается.

Архангельск