Разрушение озонового это сложный процесс. Исторически сперва наблюдалось неуклонное снижение общего количества озона в атмосфере Земли и гораздо большего весеннего уменьшения стратосферного озона (озонового слоя) вокруг полярных регионов Земли. Последнее явление называется озоновой дырой. В дополнение к этим стратосферным событиям также происходят весенние события разрушения озонового слоя в полярной тропосфере.
Причины разрушения озонового слоя
Основными причинами разрушения озонового слоя и озоновой дыры являются промышленные химические вещества. Особенно производимые хладагенты, растворители, пропелленты и пенообразователи (хлорфторуглероды (ХФУ), ГХФУ, ГАЛОНЫ), называемые озоноразрушающими веществами (ОРВ). Эти соединения переносятся в стратосферу после выброса с поверхности, смешиваясь намного быстрее, чем молекулы могут осесть. Оказавшись в стратосфере, они высвобождают атомы, которые катализируют распад озона (O3) на кислород (O2). Наблюдалось увеличение обоих типов разрушения озонового слоя по мере увеличения выбросов галоидоуглеродов.
ХФУ и родственные соединения в атмосфере
Хлорфторуглероды (ХФУ) и другие галогенированные озоноразрушающие вещества (ОРВ) являются главным образом причиной антропогенного химического разрушения озонового слоя.
ХФУ в качестве хладагентов были изобретены в 1930-х годах. Они использовались в кондиционерах и холодильных установках, в качестве аэрозольных распыляемых пропеллентов до 1970-х годов, а также в процессах очистки деликатного электронного оборудования. Они также встречаются как побочные продукты некоторых химических процессов. Никаких значительных природных источников для этих соединений никогда не было идентифицировано – их присутствие в атмосфере почти полностью связано с производством человеком.
Учитывая долговечность молекул ХФУ, время восстановления измеряется десятилетиями. Подсчитано, что молекуле ХФУ требуется в среднем от пяти до семи лет, чтобы пройти путь от уровня земли до верхних слоев атмосферы, и она может оставаться там около века, разрушая за это время до ста тысяч молекул озона.
История изменения озонового слоя
Озоновая дыра обычно измеряется уменьшением общего объема озона в столбе над точкой на поверхности Земли. Наиболее заметное снижение озона произошло в нижних слоях стратосферы. Заметное снижение содержания озона наблюдалось весной и в начале лета в Антарктике по сравнению с началом 1970-х годов.
Сокращение озонового слоя до 70%, наблюдаемое в южной части полушария над Антарктидой, впервые зарегистрированное в 1985 году. С 1990-х годов общий объем озона в Антарктике в сентябре и октябре по-прежнему на 50-40% ниже, чем до озоновой дыры. В 2016 году была отмечена постепенная тенденция к «заживлению».
Истощение озонового слоя и озоновая дыра вызвали обеспокоенность во всем мире по поводу повышенного риска развития рака и других негативных последствий. Озоновый слой предотвращает прохождение вредных длин волн ультрафиолетового (UVB) света через атмосферу Земли. Эти длины волн вызывают рак кожи, солнечные ожоги, постоянную слепоту и катаракту, которые, по прогнозам, резко увеличатся в результате истончения озона, а также нанесут вред растениям и животным. Эти опасения привели к принятию в 1987 году Монреальского протокола, который запрещает производство ХФУ, галонов и других озоноразрушающих химических веществ. Ученые планируют разработать новые хладагенты для замены старых.
Запрет вступил в силу в 1989 году. Уровни озона стабилизировались к середине 1990-х годов и начали восстанавливаться в 2000-х годах, поскольку смещение течения в южном полушарии к южному полюсу прекратилось и, возможно, даже обратилось вспять. По прогнозам, восстановление будет продолжаться в течение следующего столетия, и ожидается, что озоновая дыра достигнет уровня, существовавшего до 1980 года, примерно к 2075 году. В 2019 году НАСА сообщило, что озоновая дыра была самой маленькой с тех пор, как она была впервые обнаружена в 1982 году.
Монреальский протокол считается наиболее успешным международным природоохранным соглашением на сегодняшний день. После запрета на озоноразрушающие химические вещества ООН прогнозирует, что в соответствии с действующими правилами озоновый слой полностью восстановится к 2045 году, на тридцать лет раньше, чем прогнозировалось ранее.
Было показано, что крупные извержения вулканов оказывают существенное, хотя и неравномерное озоноразрушающее воздействие.
Истощение озонового слоя также во многом объясняет наблюдаемое снижение температуры в стратосфере и верхней тропосфере. Источником тепла стратосферы является поглощение ультрафиолетового излучения озоном, следовательно, уменьшение озона приводит к охлаждению. Некоторое стратосферное похолодание также прогнозируется из-за увеличения выбросов парниковых газов, таких как СО2 и сами ХФУ. Однако, по-видимому, преобладает охлаждение, вызванное озоном.
Озоновая дыра
Антарктическая озоновая дыра – это область антарктической стратосферы, в которой последние уровни озона упали до 33% от их значений до 1975 года. Озоновая дыра возникает во время антарктической весны, с сентября по начало декабря, когда сильные западные ветры начинают циркулировать вокруг континента и создают атмосферный контейнер. В этом полярном вихре разрушается более 50% нижнего стратосферного озона.
Эти полярные стратосферные облака образуются зимой, в сильные морозы. Полярные зимы темные, состоящие из трех месяцев без солнечной радиации (солнечного света). Недостаток солнечного света способствует снижению температуры, а полярный вихрь улавливает и охлаждает воздух. Температура колеблется около или ниже −80 °C. Эти низкие температуры образуют облачные частицы. Облака обеспечивают среду для химических реакций, продукты которых весной приведут к разрушению озона.
Последствия истощения озонового слоя
УФ-излучение
Озон, хотя и является незначительным компонентом в атмосфере Земли, отвечает за большую часть поглощения УФ-излучения. Количество УФ-излучения, проникающего через озоновый слой, уменьшается с толщиной наклонного пути и плотностью слоя. Когда уровень стратосферного озона снижается, более высокие уровни УФ лучей достигают поверхности Земли.
Биологическое воздействие
Основная озабоченность общественности в связи с озоновой дырой заключается в воздействии повышенного поверхностного ультрафиолетового излучения на здоровье человека.
Чрезмерное ультрафиолетовое излучение (УФ) оказывает снижающее воздействие на скорость фотосинтеза и рост сообществ бентических диатомовых водорослей (видов микроводорослей, повышающих качество воды и устойчивых к загрязнению), которые присутствуют на мелководье пресной воды.
Истощение озонового слоя усилит все эффекты ультрафиолета на здоровье человека, как положительные (включая выработку витамина D), так и отрицательные (включая солнечные ожоги, рак кожи и катаракту). Кроме того, повышенное поверхностное ультрафиолетовое излучение приводит к увеличению содержания тропосферного озона, что представляет опасность для здоровья человека.
Наиболее распространенные формы рака кожи у людей тесно связаны с воздействием ультрафиолета.
Воздействие на сельскохозяйственные культуры
Ожидается, что увеличение ультрафиолетового излучения повлияет на сельскохозяйственные культуры. Ряд экономически важных видов растений, таких как рис, зависят от цианобактерий, живущих на их корнях, для удержания азота. Цианобактерии чувствительны к ультрафиолетовому излучению и будут подвержены его увеличению. Несмотря на механизмы уменьшения или устранения последствий повышенного ультрафиолетового излучения, растения имеют ограниченную способность адаптироваться к повышенным уровням ультрафиолетового излучения, поэтому рост растений может напрямую зависеть от ультрафиолетового излучения.
Перспективы разрушения озонового слоя
Уровни озона стабилизировались в 1990-х годах после принятия Монреальского протокола и начали восстанавливаться. По прогнозам, до 1980 года они достигнут уровня, существовавшего до 2075 года.
С тех пор как принятие и укрепление Монреальского протокола привело к сокращению выбросов ХФУ, атмосферные концентрации наиболее значимых соединений снижаются. Эти вещества постепенно удаляются из атмосферы. На сокращение озоноразрушающих химических веществ также в значительной степени повлияло сокращение количества бромсодержащих химических веществ. Поэтапный отказ от ХФУ означает, что закись азота (N2O), который не охвачен Монреальским протоколом, стал самым высоко выделяемым озоноразрушающим веществом и, как ожидается, останется таковым на протяжении всего 21-го века.
Согласно Шестому оценочному докладу МГЭИК, глобальные уровни стратосферного озона быстро снижались в 1970-х и 1980-х годах и с тех пор увеличивались, но не достигли доиндустриального уровня. Хотя из года в год ожидается значительная изменчивость, в том числе в полярных регионах, где истощение является наибольшим, ожидается, что озоновый слой продолжит восстанавливаться в предстоящие десятилетия благодаря снижению концентраций озон
