Озоновые дыры. Причины появления. Последствия озоновых дыр

Озоновая дыра — это истончение защитного озонового слоя в стратосфере (верхнем слое земной атмосферы). Всем живым существам, живущим под озоновой дырой, вредит солнечная радиация, которая достигает поверхности Земли, вызывая множество проблем.

• Появление озоновых дыр
• Что такое озоновая дыра? Суть
• Причины возникновения
• Образование озоновых дыр. Где происходит это явление?
• Возникновение и расширение озоновых дыр
• Озоновые дыры в атмосфере
• Озоновая дыра над Антарктидой
• Последствия и влияние озоновых дыр. Чем они опасны?
• Экологическая проблема озоновых дыр. Глобальные вопросы
• Озоновые дыры и парниковый эффект
• Кислотные дожди
• Загрязнение озоновых дыр
• Как предупредить? Решение

Озоновый слой защищает жизнь на Земле, поглощая ультрафиолетовое излучение, которое повреждает ДНК растений, животных, людей и приводит к солнечным ожогам и раку кожи. Озон действует как солнцезащитный крем, защищая поверхность Земли от ультрафиолетового излучения.

До 1979 года ученые не наблюдали концентрацию атмосферного озона ниже 220 единиц Добсона . Но в начале 1980-х годов благодаря сочетанию наземных и спутниковых измерений ученые начали понимать, что естественный солнцезащитный экран Земли над Южным полюсом каждую весну резко истончается. Это истончение озонового слоя над Антарктидой стало известно как озоновая дыра.

В последние десятилетия деятельность человека стала причиной того, что озон разрушается гораздо быстрее, чем он может образоваться, тем самым создавая и увеличивая озоновую дыру.

Озон также может образовываться на уровне земли, образуя «фотохимический смог»; и, поскольку озон является токсичным газом, существует опасность для здоровья, когда озон достигает высоких уровней. Эта проблема возникает в основном летом в городах с интенсивным движением, когда солнечный свет взаимодействует с выхлопными газами автомобилей, содержащими оксиды азота.

Есть ирония в том, что деятельность человека разрушает озон в верхних слоях атмосферы там, где нам это необходимо, и создает озон на уровне земли там, где нам это не нужно!

Появление озоновых дыр

Озоновая дыра образуется каждый год, по причине резкого снижения общего содержания озона над большей частью Антарктиды в течение примерно трех месяцев (сентябрь-ноябрь) в Южном полушарии.

Это происходит в результате разрушения стратосферного озона газами, содержащими хлор и бром, источниками которых в основном являются галоидоуглеродные газы, производимые человеком.

Причина появления озоновой дыры над Антарктидой

Земная атмосфера постоянно перемешивается по земному шару ветрами. В результате, озоноразрушающие газы смешиваются во всей атмосфере, включая Антарктиду, независимо от того, где они выбрасываются. Из-за особых метеорологических условий в Антарктиде эти газы более эффективно разрушают озоновый слой, чем где-либо еще.

Каждый сезон за появлением озоновой дыры и ее эволюцией следят с помощью спутников и ряда наземных станций наблюдения. Характеристики озоновой дыры, интерактивные карты, временные ряды, текущее состояние и прогноз готовятся и отслеживаются большим сообществом по озону с помощью услуг различных организаций, таких как Служба мониторинга атмосферы Коперника (CAMS), программа наблюдения за озоном НАСА, NOAA, KNMI, ЕКЦ и другие.

Что такое озоновая дыра? Суть

Если вы спросите кого-нибудь наугад что такое озоновая дыра, есть большая вероятность, что они уже слышали об этой проблеме, но смогут ли они объяснить, что это такое и почему это происходит?

Несмотря на широкую известность, проблема озоновых дыр остается одной из наименее понятных общественности экологических проблем.

Ученые используют слово «дыра» как метафору области, в которой концентрация озона падает ниже исторического порога в 220 единиц Добсона (названа так из-за спектрофотометра Добсона, который используется для проведения измерений). Используя эту метафору, они могут описать размер и глубину отверстия.

Другими словами, озоновая дыра — это истончение защитного озонового слоя в стратосфере (верхнем слое земной атмосферы). Людям, растениям и животным, живущим под озоновой дырой, вредит солнечная радиация, которая достигает поверхности Земли, вызывая проблемы со здоровьем, от повреждения глаз до рака кожи.

Озоновый слой очень важен для жизни на Земле, поскольку он обладает свойством поглощать такую опасную форму УФ – излучения. Он постоянно формируется и разрушается, и его распределение по планете неравномерно и не постоянно.

Озоновая дыра. Причина возникновения

Озоновая дыра образовалась из-за того, что люди загрязнили атмосферу химическими веществами, содержащими хлор и бром. Основными участвующими химическими веществами являются хлорфторуглероды (сокращенно ХФУ), галоны и четыреххлористый углерод. ХФУ имеют широкий спектр применений, включая охлаждение, кондиционирование воздуха, пенопластовую упаковку и изготовление аэрозольных баллончиков.

Озоновая дыра фактически открыла миру глаза на такой процесс, как глобальное влияние деятельности человека на атмосферу. Ученые обнаружили, что у хлорфторуглеродов (ХФУ) — долгоживущих химических веществ, которые использовались в холодильниках и аэрозольных баллончиках с 1930-х годов — есть и темная сторона. В ближайшем к Земле слое атмосферы (тропосфере) ХФУ циркулировали десятилетиями, не разлагаясь и не вступая в реакцию с другими химическими веществами. Однако когда они достигли стратосферы, их поведение изменилось. В верхних слоях стратосферы (за пределами защиты озонового слоя) ультрафиолетовое излучение вызвало расщепление хлорфторуглеродов с выделением хлора, очень реактивного атома, многократно катализирующего разрушение озона.

Образование озоновых дыр. Где происходит такое явление?

Антарктическая озоновая дыра 2020 года быстро росла с середины августа и достигла своего пика примерно в 24,8 миллиона квадратных километров 20 сентября 2020 года, распространившись на большую часть антарктического континента.

Это была самая продолжительная и одна из самых больших и глубоких дыр с тех пор, как 40 лет назад начался мониторинг озонового слоя. Причина такого явления была в сильном, стабильном и холодным полярном вихре и очень низкими температурами в стратосфере (слой атмосферы на высоте от 10 до 50 км). Те же метеорологические факторы также способствовали образованию рекордной озоновой дыры в Арктике в 2020 году.

Во время весеннего сезона в Южном полушарии (август-октябрь) озоновая дыра над Антарктикой увеличивается в размерах, достигая максимума в период с середины сентября по середину октября. Когда в конце весны в Южном полушарии температура высоко в атмосфере (стратосфере) начинает повышаться, истощение озонового слоя замедляется, полярный вихрь ослабевает и, наконец, разрушается, и к концу декабря уровни озона возвращаются к норме и дыра закрывается.

Возникновение и расширение озоновых дыр

В начале 1980-х годов естественный солнцезащитный слой Земли над Южным полюсом каждую весну стал резко истончаться и там начала создаваться озоновая дыра.

С 1980 по начало 1990-х гг. истончение озонового слоя над Антарктидой быстро росло по площади и глубине. Более холодные условия этого региона приводят к большей площади и более низким значениям озона в центре отверстия.

В течение нескольких лет минимальные концентрации держались на уровне 190, но затем минимумы быстро углублялись: 173 е.д. в 1982 г., 154 в 1983 г., 124 в 1985 г.

К 1991 г. был пройден новый порог, так как концентрация озона упала ниже 100 е.Д. в первый раз. С тех пор концентрации ниже 100 стали более распространенными. Самая глубокая озоновая дыра образовалась в 1994 году, когда 30 сентября концентрация упала до 73 е.д.

В начале 21 века годовые озоновые дыры немного стабилизировались.

Озоновые дыры в атмосфере

В атмосфере по-прежнему достаточно озоноразрушающих веществ, чтобы ежегодно вызывать разрушение озонового слоя.

Истощение озона также напрямую связано с температурой стратосферы, которая представляет собой слой атмосферы на высоте от 10 до 50 км над уровнем моря. Такой процесс связан с тем, что полярные стратосферные облака, играющие важную роль в химическом разрушении озона, образуются только при температурах ниже -78°C.

Эти полярные стратосферные облака содержат кристаллы льда, которые превращают нереакционноспособные соединения в реактивные, которые затем быстро разрушают озон, как только становится доступным солнечный свет для запуска химических реакций. Эта зависимость от полярных стратосферных облаков и солнечной радиации является основной причиной того, что озоновая дыра наблюдается только в конце зимы/начале весны.

Озоновая дыра над Антарктидой

Естественный солнцезащитный покров Земли над Южным полюсом каждую весну резко истончается. Это истончение озона над Антарктидой известно, как озоновая дыра.

Такой факт, что большая часть истощения озонового слоя происходит именно в этом регионе, требует некоторого объяснения. ХФУ и другие озоноразрушающие газы поступают из разных регионов планеты, но именно в южной полярной стратосфере условия становятся наиболее благоприятными для разрушения озона. Ключевым фактором является наличие стратосферных облаков и отсутствие смешения атмосферы между южными полярными широтами и воздухом из других мест в течение южной зимы и ранней весны.

Обычно в стратосфере нет облаков, и причина этому та, что на такой высоте очень мало водяного пара. Однако во время южно-полярной зимы воздух в стратосфере над Антарктидой опускается до температуры ниже -80°С ; достаточно, чтобы образовались тонкие облака. Пока темно, ничего не происходит; но когда наступает весна, УФ – излучение Солнца достигает Южного полярного круга и запускает процесс выделения хлора и разрушения озона. Это продолжается до тех пор, пока стратосферные облака не исчезнут из-за потепления южной полярной атмосферы по мере приближения лета.

К летнему времени стратосферный воздух более низких широт способен проникать в полярные широты и тем самым ставать причиной появления более плотного озонового слоя над Антарктидой. Следовательно, существует сезонный цикл озоновой дыры над Антарктидой, при этом самые низкие уровни озона регистрируются в конце сентября и начале октября.

Хотя те же самые процессы ведут к истощению озонового слоя в Арктике в противоположное время года, проблема не так серьезна, как на юге, по причине того, что стратосфера над Арктикой имеет тенденцию не становиться такой холодной, как стратосфера над Антарктикой. Поэтому образование стратосферных облаков не так часто и широко распространено в Арктике, это в основном связано с различиями в распределении суши и моря между двумя районами.

Последствия и влияние озоновых дыр. Чем они опасны?

Последствия уничтожения озонового слоя для человека и окружающей среды разрушительны.

Истощение озона вызывает появление повышеного уровня УФ – излучения на поверхности Земли, что наносит ущерб здоровью человека. Отрицательные эффекты включают распространение некоторых видов рака кожи, катаракты глаз и иммунодефицитных состояний.

УФ – излучение также становяться причиной изменения роста пищевых цепей и биохимических циклов. Водная жизнь непосредственно под поверхностью воды, являющаяся основой пищевой цепи, особенно сильно страдает от высоких уровней УФ – излучения.

УФ – лучи также влияют на рост растений, снижая продуктивность сельского хозяйства. Это может привести к замедлению роста растений, меньшему размеру листьев, слабому цветению и фотосинтезу растений, ухудшению качества урожая для человека. А снижение продуктивности растений, в свою очередь, повлияет на эрозию почвы и углеродный цикл.

Планктон и зоопланктон сильно страдают от воздействия УФ – лучей. Они стоят на первых звеньях водной пищевой цепи. Если численность планктона уменьшится, это, вероятно, будет иметь далеко идущие последствия для всей морской жизни в низших звеньях пищевой цепи.

Экологическая проблема озоновых дыр. Глобальные вопросы

Главным аспектом экологической проблемы озоновой дыры является ее связь с глобальным потеплением, то есть изменением климата в результате увеличения выбросов парниковых газов. Обе проблемы являются результатом загрязнения атмосферы, но причины и последствия каждой из них очень разные.

Несмотря на различия, существуют и некоторые связи между этими двумя проблемами. Например, ХФУ (хлорфторуглероды) являются парниковыми газами и вызывают разрушение озонового слоя, поэтому поэтапный отказ от производства ХФУ помогает бороться с изменением климата, а также восстанавливать озоновый слой.

Давайте рассмотрим глобальные проблемы, связанные с разрушением озона.

Озоновый слой защищает жизнь от вредного УФ – излучения, которое может вызывать рак и замедлять рост растений. УФ – излучение также может проникать на поверхность океана, поэтому морские организмы (особенно фитопланктон) тоже страдают от этого влияния. Если человечество продолжит разрушать озоновый покров, фотосинтез растений будет нарушен, экосистемы перестанут нормально функционировать, поэтому в наших интересах защитить и возобновить озон для предотвращения образования и расширения новых дыр.

Когда в 1985 году стали очевидны масштабы истощения озонового слоя над Антарктидой, международному сообществу не потребовалось много времени, чтобы прийти к консенсусу в отношении того, что необходимо делать. Если бы не быстрые политические действия, химические вещества, разрушающие озоновый слой, продолжали бы накапливаться в атмосфере, увеличивая размер антарктической озоновой дыры, а также истончая озоновый слой в других местах на юге, таких как Новая Зеландия и Австралия.

Озоновые дыры и парниковый эффект

Группа парниковых газов, включая хлорфторуглероды (ХФУ) несут ответственность за разрушение озонового слоя, поскольку они атакуют и разрушают молекулы озона. ХФУ используется в аэрозолях, например, в баллончиках лака для волос, в холодильниках и при производстве пенопластов.

Образовавшиеся озоновые дыры пропускают вредное ультрафиолетовое излучение и усиливают парниковый эффект.

Транспортные средства также выделяют большое количество парниковых газов, которые приводят к глобальному потеплению, парниковому эффекту, а также к истощению озонового слоя. Поэтому необходимо переходить на другие виды транспорта и альтернативные экологические виды топлива.

Кислотные дожди

При сжигании ископаемого топлива в атмосферу выбрасываются оксиды серы и азота. Когда двуокись серы и двуокись азота смешиваются с каплями воды в атмосфере, образуя серную и азотную кислоты, образуются кислотные дожди. Ветры переносят эти загрязняющие вещества на тысячи миль, затем они выпадают на поверхность Земли в виде кислотных дождей, которые повреждают листья растительности, повышают кислотность почвы и воды и ежегодно приводят к гибели около 500 человек.

Здания и другие сооружения также страдают от кислотных дождей, которые ежегодно наносят материальный ущерб на сумму около пяти миллиардов долларов. Каменные элементы на здании рушатся и повреждаются.

Кислотные дожди растворяют раствор между кирпичами, делают каменные фундаменты неустойчивыми и разрушают древние здания и статуи, сделанные из мрамора или известняка.

Загрязнение озоновых дыр

Дикая природа и люди испытывают многие негативные последствия загрязнения воздуха. Повреждение дыхательной системы является наиболее частым последствием у людей и животных, но также распространены неврологические проблемы и раздражение кожи.

Растения и сельскохозяйственные культуры меньше растут при длительном воздействии загрязненного воздуха. Загрязнение озоном наносит вред растениям, повреждая структуры, называемые устьицами, которые представляют собой крошечные поры на нижней стороне листьев, которые позволяют растению «дышать». Некоторые виды растений могут защитить себя, временно закрыв устьица или, вырабатывая антиоксиданты, но другие особенно чувствительны к повреждениям.

В период с 1980 по 2011 год в США были потеряны соевые бобы и кукуруза на девять миллиардов долларов в результате загрязнения озоном. Когда кислотные дожди, токсичность свинца и воздействие оксидов азота изменяют химическую природу почвы, растения лишаются питательных веществ, необходимых им для роста и выживания. Это влияет на сельское хозяйство, леса и пастбища.

Как предупредить? Решение

В 1987 году для решения проблемы разрушения озонового слоя международное сообщество приняло Монреальский протокол, соглашение о поэтапном прекращении производства озоноразрушающих химических веществ. Это был первый международный договор, подписанный всеми странами мира, и он считается величайшим успехом в области охраны окружающей среды в истории Организации Объединенных Наций.

Цель Монреальского протокола – сократить производство и потребление озоноразрушающих веществ, чтобы уменьшить их присутствие в атмосфере.

Мировое потребление этих веществ сократилось примерно на 98% с тех пор, как страны начали принимать меры в соответствии с Монреальским протоколом. В результате снижается концентрация в атмосфере наиболее агрессивных видов озоноразрушающих веществ и появляются первые признаки восстановления озонового слоя.

Каждый человек также должен принимать меры для предотвращения истощения озонового слоя. Следует избегать использования пестицидов и переходить на естественные методы избавления от вредителей вместо использования химикатов. Транспортные средства выделяют большое количество парниковых газов, которые приводят к глобальному потеплению, а также к истощению озонового слоя. Поэтому использование транспортных средств должно быть сведено к минимуму. Большинство чистящих средств содержат химические вещества, влияющие на озоновый слой. Мы должны заменить их экологически чистыми продуктами. Контролируйте работу кондиционеров, так как их неисправность приводит к выбросу ХФУ в атмосферу.

Ученые уже получили первое окончательное доказательство восстановления озонового слоя, наблюдая 20-процентное уменьшение разрушения озона в зимние месяцы с 2005 по 2016 год. Модели предсказывают, что озоновый слой Антарктики восстановится к 2040 году.

P.S.

Если Вам понравилась и была полезна данная информация, поделитесь ею в соц. сетях со своими друзьями и знакомыми. Так вы поддержите наш проект “Экология жизни“ и сделаете свой вклад в сохранение окружающей среды!

• Об авторе
• Недавние публикации

Violetta

Проект »Экология жизни» создан для тех, кто ценит и хочет сохранить свое здоровье и планету, на которой мы живем! Мы любим природу и эко жизнь!

Violetta недавно публиковал (посмотреть все)

Кажется, человечество на пути к тому, чтобы решить проблему озоновых дыр! Как этого удалось добиться?

Экология

В начале 2023 года эксперты ООН неожиданно порадовали весь мир хорошей новостью — озоновые дыры, самая громкая экологическая проблема конца XX — начала XI веков, кажется, уменьшаются. Значит ли это, что человечество смогло справиться с этим вызовом или есть нюансы? И сможет ли когда-нибудь озоновый слой полностью восстановиться? Разбираемся вместе со старшим научным сотрудником лаборатории Исследований Озонового слоя и Верхней Атмосферы Санкт-Петербургского Госуниверситета, кандидатом физико-математических наук Яной Виролайнен.

О чем рассказали эксперты ООН?

Яна Виролайнен: Ведущие мировые ученые под эгидой ВМО (Всемирной Метеорологической Организации) с 1985 года готовят регулярные отчеты, посвященные озоновому слою и процессам, контролирующим его изменение. В последние десятилетия эти отчеты выпускают каждые 4 года. Недавно ООН опубликовала пресс-релиз с выдержками из резюме отчета 2022 года. В нем говорится о том, что озоновый слой восстанавливается и этот процесс может закончиться сравнительно скоро, во второй половине XXI века.

Интересно, что все обратили такое внимание именно на данную публикацию. Ведь содержащиеся в ней выводы мало чем отличаются от того, что говорилось в предыдущем отчете 2018 года. Уже в нем приводились расчеты, показывавшие, что восстановление озонового слоя возможно к 2060—2070-м годам. Данные, собранные за последние четыре года, подтверждают эти сроки. Более того, эксперты даже чуть ухудшили свой прогноз по сравнению с прошлой публикацией. С тех пор обнаружили некоторые случаи выбросов озон-разрушающих веществ (ОРВ), которых быть уже не должно. Из-за этого пришлось скорректировать прогноз, отдалив предполагаемый срок восстановления озонового слоя примерно на год.

Это ведь хорошие новости?

Яна Виролайнен: Да! То, что мир продолжает идти по пути, ведущему к восстановлению озонового слоя, это, безусловно, хорошая новость.

Почему вообще так много говорили об озоновом слое?

Яна Виролайнен: Потому что он очень важен для всего живого на Земле. Он защищает биосферу от губительного влияния ультрафиолетового солнечного излучения. Не случайно жизнь из океана выбралась на сушу сотни миллионов лет назад только тогда, когда сформировался озоновой слой достаточной толщины (с содержанием озона всего на 15% меньше, чем в настоящее время). Без него все живое на суше погибало.

И сейчас, как показывают исследования, уменьшение содержания озона в определенные периоды и годы приводит к росту ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли. Это вызывает рост заболеваемости раком кожи, катарактой, повреждение сельскохозяйственных культур и морского фитопланктона.

Что его разрушало?

Яна Виролайнен: До антропогенного вмешательства циклы образования и разрушения озона находились в равновесии, поддерживая общее содержание озона в атмосфере на стабильном уровне. В первой половине ХХ века были синтезированы галогеносодержащие химические соединения, в частности ХФУ (хлор-фтор-углероды), которые затем стали активно использоваться в промышленности, в первую очередь в качестве хладагентов.

Эти вещества в большом количестве попадали в атмосферу, где постепенно разрушались, освобождая активный хлор, который, вступая в химические реакции с озоном, разрушал озоновый слой. Все это привело к дисбалансу циклов образования и разрушения озона и появлению озоновых дыр над Антарктидой. Глобальное содержание озона в атмосфере начало уменьшаться, что приводило к росту опасного для жизни ультрафиолетового излучения у поверхности Земли.

Как этот процесс удалось остановить?

Яна Виролайнен: Сначала было важно этот процесс вообще обнаружить. В 1950-е годы на Земле появилась сеть озонометрических станций. В 1970-х к ним добавились метеорологические спутники, которые наблюдали за глобальным распределением атмосферного озона. После получения данных от них стало очевидно, что озоновый слой постепенно истощается.

Ученые выяснили, что причина уменьшения глобального содержания озона вызвана именно эмиссиями ХФУ в атмосферу, после чего общественность, политики и ученые совместными усилиями разработали Монреальский протокол, призывающий сократить, а затем и полностью запретить производство ряда ХФУ.

Этот протокол вступил в силу с 1 января 1989 года, его ратифицировали правительства почти 200 стран. Среднее содержание озона в атмосфере в настоящее время составляет около 300 еД (единиц Добсона), что соответствует слою озона в 3 мм. Одним из критериев озоновой дыры считается уменьшение озона в ее области до величин 220 еД и меньше. По оценкам некоторых моделей, если бы Монреальский протокол не был принят, содержание озона в области озоновых аномалий могло бы быть еще на 100 еД меньше.

А что с самой большой озоновой дырой над Антарктидой?

Яна Виролайнен: После принятия Монреальского протокола эмиссии в атмосферу основных ОРВ практически прекратились. Благодаря этому удалось стабилизировать ситуацию. Антарктическая озоновая дыра, которая появляется каждый год в начале весны и закрывается в начале лета, перестала расти. Однако время жизни ХФУ, которые уже успели попасть в атмосферу, составляет 50-100 лет, что означает, что еще десятки лет они будут распадаться с образованием активного хлора и приводить весной к разрушению озонового слоя.

Из-за особенностей динамических атмосферных процессов глубина и ширина озоновой дыры над Антарктидой меняется год от года. В целом пока только в сентябре над Антарктидой, начиная с 2000 года, наблюдается статистически значимый рост содержания озона.

Можно ли расслабиться и праздновать успех, считая, что эту экологическую проблему мы решили?

Яна Виролайнен: Не совсем. Наибольшее достижение в решении озоновой проблемы состоит в том, что весь мир смог сплотиться и совместными усилиями начать исправлять ситуацию, пока еще не стало поздно. То, что в силу объективных причин озоновая дыра начала образовываться в Южном полушарии над территориями, практически не населенными людьми, большая удача для человечества, так как оно не столкнулось во всей полноте с пагубным влиянием роста ультрафиолетовой радиации.

Однако в последние десятилетия озоновые аномалии все чаще появляются и в Северном полушарии, затрагивая области Европы, европейской части России и Северной Америки. Это вызвано изменением динамических процессов, происходящих в атмосфере. Появилось даже понятие озоновых мини-дыр, которые не сравнимы размером и глубиной с Антарктической дырой, но при этом они вызывают рост ультрафиолетового излучения у поверхности Земли. Так, например, озоновые весенние аномалии 2020 года в Северном полушарии привели к значительному росту УФ-излучения весной и летом в густонаселенных средних широтах.

---

Владимир Сывороткин

Ведущий научный сотрудник, доктор геолого-минералогических наук, геологического факультета МГУ:

В 2000-х годах Мировой центр данных по озону и ультрафиолету в Канаде зафиксировал сильное разрушение озонового слоя в основном над Северным Ледовитым океаном. В 2011 году центр озоновой дыры располагался в районе Таймыра и потеря озона составляла до 30%. Проходит пять лет, в январе 2016 года была зафиксирована дыра с центром примерно на том же месте, но разрушение озонового слоя в центре составило уже до 40%. Приходит 2020 год — в марте получены данные, которые показывают, что центр сместился в сторону Канады и там разрушение составляет уже до 50%. Площадь дыры составляет миллионы квадратных километров.

Восстановится ли озоновый слой когда-нибудь полностью?

Яна Виролайнен: По прогнозам современных моделей, если по-прежнему будут ограничены эмиссии озон-разрушающих веществ, озоновый слой должен прийти к уровню 1980 года во второй половине 21 столетия. Однако не все так однозначно. Эмиссии парниковых газов, которые тоже необходимо контролировать, в той или иной мере влияют на озоновый слой, вызывая изменения в динамических атмосферных процессах.

Кроме того, наблюдаемое уменьшение содержания в атмосфере ряда ОРВ меньше спрогнозированного, что говорит о наличии источников эмиссии этих газов, несмотря на их запрет. Поэтому необходимо вкладываться в разработку новых методов и приборов и продолжать глобальный мониторинг как озона, так и озон-разрушающих веществ.

Следите за нашими новостями в Telegram

Автор:

Константин Крылов, 13 февраля, 2023

7.3: Истощение озонового слоя

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

1383

Стратосферный озоновый слой Земли играет решающую роль в поглощении ультрафиолетового излучения Солнца. За последние тридцать лет было обнаружено, что стратосферный озон истощается в результате антропогенных загрязнителей. Существует ряд химических реакций, которые могут истощать стратосферный озон; однако некоторые из наиболее важных из них связаны с каталитическим разрушением озона радикалами галогенов, такими как хлор и бром.

Введение

Атмосфера Земли делится на пять слоев. В порядке от ближнего и самого толстого до самого дальнего и самого тонкого слои перечислены следующим образом: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера. Большая часть озона в атмосфере находится в стратосфере, которая простирается от шести миль над поверхностью Земли до 31 мили. Люди в значительной степени полагаются на поглощение ультрафиолетовых В-лучей озоновым слоем, поскольку УФ-В-излучение вызывает рак кожи и может привести к генетическим повреждениям. Озоновый слой исторически защищал Землю от вредных ультрафиолетовых лучей, хотя в последние десятилетия эта защита уменьшилась из-за истощения стратосферного озона.

Рисунок предоставлен НАСА.

Истощение озонового слоя в значительной степени является результатом техногенных веществ. Люди внесли в атмосферу газы и химические вещества, которые за последнее столетие быстро разрушили озоновый слой. Это истощение делает людей более уязвимыми для УФ-В лучей, которые, как известно, вызывают рак кожи, а также другие генетические уродства. Возможность истощения озонового слоя была впервые выдвинута учеными в конце 1960-х годов, когда мечты о сверхзвуковом транспорте начали воплощаться в жизнь. Ученым давно было известно, что оксид азота (NO) может каталитически реагировать с озоном (\(O_3\)) с образованием молекул \(O_2\); однако молекулы \(NO\), образующиеся на уровне земли, имеют слишком короткий период полураспада, чтобы попасть в стратосферу. Только с появлением коммерческих сверхзвуковых реактивных самолетов (которые летают в стратосфере и на высоте, намного превышающей обычные реактивные самолеты) возможность реакции \(NO\) со стратосферным озоном стала возможной. Угроза разрушения озонового слоя коммерческим сверхзвуковым транспортным средством была настолько велика, что ее часто называют основной причиной, по которой федеральное правительство США прекратило поддержку его разработки в 1919 году.71. Опасения по поводу разрушения озонового слоя исчезали до 1974 года, когда Шервуд Роуленд и Марио Молина обнаружили, что хлорфторуглероды могут подвергаться фотолизу фотонами высокой энергии в стратосфере. Они обнаружили, что этот процесс может высвобождать радикалы хлора, которые каталитически реагируют с \(O_3\) и разрушают молекулу. Этот процесс называется теорией истощения \(O_3\) Роуленда-Молина.

Цикл Чепмена

Стратосфера находится в постоянном цикле с молекулами кислорода и их взаимодействием с ультрафиолетовыми лучами. Этот процесс считается циклом из-за его постоянного превращения между различными молекулами кислорода. Озоновый слой образуется, когда ультрафиолетовые лучи реагируют с молекулами кислорода (O 9. \nonumber \]

Важно иметь в виду, что озон постоянно создается и разрушается в результате цикла Чепмена и что эти реакции являются естественными процессами, происходящими в течение миллионов лет. Из-за этого толщина озонового слоя в каждый конкретный момент времени может сильно различаться. Также важно знать, что O ₂ постоянно попадает в атмосферу в результате фотосинтеза, поэтому озоновый слой имеет способность к регенерации.

Химия разрушения озонового слоя

Молекулы CFC состоят из атомов хлора, фтора и углерода и чрезвычайно стабильны. Эта чрезвычайная стабильность позволяет CFC медленно проникать в стратосферу (большинство молекул разлагаются, прежде чем они смогут попасть в стратосферу из тропосферы). Эта продолжительная жизнь в атмосфере позволяет им достигать больших высот, где фотоны более энергичны. Когда CFC вступают в контакт с этими фотонами высокой энергии, их отдельные компоненты освобождаются от целого. Следующая реакция показывает, как атомы Cl имеют цикл разрушения озона: 9. \rightarrow 2O_2 \tag{Общая реакция} \]

Хлор способен разрушить так много озона, потому что действует как катализатор. Хлор инициирует расщепление озона и соединяется с освобожденным кислородом, образуя две молекулы кислорода. После каждой реакции хлор снова начинает разрушительный цикл с очередной молекулой озона. Таким образом, один атом хлора может разрушить тысячи молекул озона. Поскольку молекулы озона разрушаются, они не могут поглощать ультрафиолетовый свет, поэтому мы испытываем более интенсивное ультрафиолетовое излучение на поверхности земли.

Рисунок предоставлен NOAA.

С 1985 по 1988 год исследователи, изучающие свойства атмосферы над южным полюсом, постоянно замечали значительное снижение концентрации озона непосредственно над континентом Антарктиды. В течение трех лет предполагалось, что данные по озону неверны и связаны с какой-то неисправностью прибора. В 1988 году исследователи наконец осознали свою ошибку и пришли к выводу, что над Антарктидой действительно образовалась огромная дыра в озоновом слое. Изучение спутниковых данных НАСА позже показало, что дыра начала развиваться в середине 19 века.70-е годы.

Озоновая дыра над Антарктидой образовалась из-за множества уникальных атмосферных условий над континентом, которые в совокупности создают идеальные условия для разрушения озона.

• Поскольку Антарктида окружена водой, ветры над континентом дуют в уникальном направлении по часовой стрелке, создавая так называемый «полярный вихрь», который эффективно удерживает единую статическую воздушную массу над континентом. В результате воздух над Антарктидой не смешивается с воздухом в остальной земной атмосфере.
• В Антарктиде самые низкие зимние температуры на Земле, часто достигающие -110 F. Эти низкие температуры приводят к образованию полярных стратосферных облаков (PSC), которые представляют собой конгломерат замороженных H ₂ O и HNO ₃ . Из-за своих чрезвычайно низких температур PSC образуют электростатическое притяжение с молекулами CFC, а также с другими галогенсодержащими соединениями
.

С приходом весны в Антарктиду PSC тают в стратосфере и высвобождают все галогенированные соединения, которые ранее были поглощены облаком. Летом в Антарктике фотоны высокой энергии способны фотолизовать галогенсодержащие соединения, высвобождая радикалы галогенов, которые затем каталитически разрушают O ₃ . Поскольку Антарктида постоянно окружена полярным вихрем, радикальные галогены не могут быть разбавлены по всему земному шару. В результате этого процесса образуется озоновая дыра.

Недавние исследования показывают, что сила полярного вихря в любой данный год напрямую связана с размером озоновой дыры. В годы с сильным полярным вихрем наблюдается расширение озоновой дыры в диаметре, тогда как в годы с более слабым полярным вихрем отмечается сужение озоновой дыры

Вещества, разрушающие озоновый слой

Следующие вещества перечислены как вещества, разрушающие озоновый слой, в соответствии с Разделом VI Закона США о чистом воздухе:

Таблица \(\PageIndex{1}\): Вещества, разрушающие озоновый слой, и их озоноразрушающий потенциал . Взято непосредственно из Закона о чистом воздухе от июня 2010 г.

Вещество	Озоноразрушающий потенциал
хлорфторуглерод-11 (ХФУ-11)	1. 0
хлорфторуглерод-12 (ХФУ-12)	1.0
хлорфторуглерод-13 (ХФУ-13)	1.0
хлорфторуглерод-111 (ХФУ-111)	1.0
хлорфторуглерод-112 (ХФУ-112)	1.0
хлорфторуглерод-113 (ХФУ-113)	0,8
хлорфторуглерод-114 (ХФУ-114)	1.0
хлорфторуглерод-115 (ХФУ-115)	0,6
хлорфторуглерод-211 (CFC-211)	1. 0
хлорфторуглерод-212 (CFC-212)	1.0
хлорфторуглерод-213 (CFC-213)	1.0
хлорфторуглерод-214 (CFC-214)	1.0
хлорфторуглерод-215 (CFC-215)	1.0
хлорфторуглерод-216 (CFC-216)	1.0
хлорфторуглерод-217 (CFC-217)	1.0
галон-1211	3. 0
галон-1301	10,0
галон-2402	6.0
четыреххлористый углерод	1.1
метилхлороформ	0,1
гидрохлорфторуглерод-22 (ГХФУ-22)	0,05
гидрохлорфторуглерод-123 (ГХФУ-123)	0,02
гидрохлорфторуглерод-124 (ГХФУ-124)	0,02
гидрохлорфторуглерод-141(b) (ГХФУ-141(b))	0,1
гидрохлорфторуглерод-142(b) (ГХФУ-142(b))	0,06

Ссылки

1. Десслер, Эндрю. Химия и физика стратосферного озона. Сан-Диего, Калифорния: Academic Press, 2000
2. Хоффман, Мэтью Дж. Истощение озонового слоя и изменение климата. Олбани, Нью-Йорк: Государственный университет Нью-Йорка, 2005 г.
.
3. Парсон, Эдвард А. Защита озонового слоя: наука и стратегия . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета, 2003.
.
4. Петруччи, Ральф Х., Уильям С. Харвуд и Джефф Э. Херринг. Общая химия : основы и современные приложения . 9-е изд. Река Аппер-Сэдл: Прентис-Холл, 2006 г.
5. Вароцос, Костас, Кирилл Я. Кондратьев. Изменчивость атмосферного озона: последствия для изменения климата, здоровья человека и экосистем. Чичестер, Великобритания: Praxis Publishing Ltd, 2000
6. Годиш, Тэд. Качество воздуха . 4-е изд. Флорида: CRC Press LLC, 2004.
.
7. Закон США о чистом воздухе: от 3 июня 2010 г.

Общие вопросы

• Каковы причины истощения нашего озонового слоя?
  • выделение свободных радикалов, использование ХФУ, чрезмерное сжигание ископаемого топлива
• Какая химическая реакция показывает, как образуется озон?
  • УФ + O ₂ -> 2O + тепло, O ₂ + O -> O _{3 ,} O ₃ + O -> 2O ₂
• Какие реакции свидетельствуют о разрушении озонового слоя?
  • Cl + O ₃ ——> ClO + O _{2 и} ClO + O ——> Cl + O
• Как фреоны разрушают озоновый слой?
  • атомарный хлор, высвобожденный из CFC, вступает в каталитическую реакцию с озоном и атомарным кислородом с образованием большего количества молекул кислорода
• Почему сейчас должны применяться правила в отношении загрязнения и вредных химических веществ?
  • без регулирования производство и использование химикатов выйдут из-под контроля и нанесут необратимый ущерб стратосфере
• Какой тип атома в молекуле CFC является наиболее разрушительным для озона?
  • хлор
• В каком слое атмосферы находится озоновый слой?
  • стратосфера, вторая ближайшая к поверхности Земли
• Какой цикл отвечает за образование озона в стратосфере?
  • Цикл Чепмена
• Какой фактор отвечает за разрушение стабильных молекул?
  • ультрафиолетовые солнечные лучи

---

7. 3: Истощение озонового слоя распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0, авторами, ремиксами и/или кураторами являются Кэролайн Тран, Дэн Чонг, Энн Кейт, Джордан Шивли и Джордан Шивли.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. автор@Энн Кейт
   2. автор@Кэролайн Тран
   3. автор @ Дэн Чонг
   4. автор @ Джордан Шивли
   5. Цикл Чепмена
   6. Озон
   7. Озоновая дыра
   8. Озоновый слой

Мониторинг озонового слоя

Озоновый слой защищает жизнь на Земле от вредного солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения. В конце 20-го века выбросы человеком химических веществ, известных как озоноразрушающие вещества (ОРВ), в частности галоидоуглеводородов, отрицательно повлияли на количество молекул озона в атмосфере, что в первую очередь привело к резкому образованию ежегодной озоновой дыры над антарктическим регионом. Монреальский протокол, подписанный в 19 году87 и вступивший в силу в 1989 году, обуздал количество ОРВ в атмосфере, что привело к медленному восстановлению озонового слоя. CAMS объединяет измерения спутниковых приборов со своими численными моделями атмосферы, чтобы предоставлять информацию гарантированного качества о состоянии озонового слоя.

Снижение концентрации озона в стратосфере и образование озоновой дыры каждый год вызываются сложными метеорологическими и химическими процессами. Состояние образовавшейся в настоящее время озоновой дыры отображается в виде 3D-анимации (первая анимация слева). Чтобы представить это в перспективе и дать возможность сравнения, видео во второй и третьей строках показывают весь процесс формирования и разрушения 2017, 2018, 2019 годов., 2020 и 2021 озоновая дыра. Наконец, образовательное видео справа расскажет вам об основах озоновой дыры и о том, почему важно продолжать следить за озоновым слоем. Под видеороликами вы найдете ежедневно обновляемые графики, показывающие размеры озоновой дыры в Антарктике в этом году.

3D-рендеринг эволюции озоновой дыры в 2022 году	Озоновая дыра, озоновый слой и их мониторинг

3D-рендеринг эволюции озоновой дыры в 2021 году	3D-рендеринг эволюции озоновых дыр в 2020 году

3D-рендеринг эволюции озоновой дыры в 2019 году	3D-рендеринг эволюции озоновой дыры в 2018 году	3D-рендеринг эволюции озоновой дыры в 2017 г.

Площадь озоновой дыры

В весенний сезон в Южном полушарии (август-октябрь) озоновая дыра над Антарктидой увеличивается в размерах, достигая максимума между серединой сентября и серединой октября. Когда в конце весны в Южном полушарии температура высоко в атмосфере (стратосфере) начинает повышаться, истощение озонового слоя замедляется, полярный вихрь ослабевает и, наконец, разрушается, и к концу декабря уровни озона возвращаются к норме. После запрета на галоидоуглероды озоновый слой медленно восстанавливался; данные ясно показывают тенденцию к уменьшению площади озоновой дыры. Площадь озоновой дыры рассчитывается как площадь с содержанием озона ниже 220 е.Д. к югу от 60 ю.ш.

Минимальный столбец озона

Значения озона часто измеряются как количество молекул озона в вертикальном столбце и обозначаются в единицах Добсона (DU). В период антарктической озоновой дыры значения могут быть меньше половины нормальных уровней. CAMS отслеживает минимальное значение в пределах площади озоновой дыры с течением времени в качестве еще одного показателя значимости события каждого года. Сопоставляя текущее состояние озоновой дыры с ее многолетней эволюцией, можно получить представление о том, восстанавливается ли озоновый слой и насколько быстро происходит этот процесс, имея в виду, что также влияет метеорологическая и динамическая межгодовая изменчивость. размер и продолжительность текущей озоновой дыры.

Дефицит массы озона

Дефицит массы озона сочетает в себе эффекты изменения площади и глубины озоновой дыры. Это масса озона, которую необходимо добавить в атмосферу, чтобы увеличить столбы озона над площадью антарктической озоновой дыры до 220 еД.

Минимальная температура 50 гПа

Истощение озонового слоя напрямую связано с температурой в стратосфере. Это связано с тем, что полярные стратосферные облака, играющие важную роль в химическом разрушении озона, образуются только при температурах ниже -78°C. Эти полярные стратосферные облака содержат кристаллы льда, которые могут превращать нереакционноспособные соединения в реактивные, которые затем могут быстро разрушать озон, как только становится доступным солнечный свет для запуска химических реакций. Эта зависимость от полярных стратосферных облаков и солнечной радиации является основной причиной того, что озоновая дыра наблюдается только в конце зимы/начале весны.

Вертикальное сечение

К сожалению, ваш браузер не поддерживает встроенные видео.

Вертикальное поперечное сечение показывает количество озона (в миллипаскалях — мПа) во всей атмосфере, от экватора до Южного полюса и обратно до экватора вдоль одной линии меридиана, описывая полукруг как показано на рисунке справа. Нанося данные таким образом, можно визуализировать вертикальную протяженность озона в атмосфере от уровня моря до стратосферы включительно.