ПРОБЛЕМА ОЗОНОВОГО ЩИТА ЗЕМЛІ: МІФІЧНА ЧИ РЕАЛЬНА ЗАГРОЗА ?

Безсумнівно, це питання хвилює багатьох. Для того щоб відповісти на нього, нам слід розібратися, що таке озон і які його властивості. Озон - це хімічна сполука. У молекулі озону О3 з'єднані три атоми кисню, а не два, як у звичайній молекулі кисню О2. В атмосфері Землі озон міститься як дуже мала домішка - його концентрація ніде не перевищує тисячної відсотка. Незважаючи на це, озон відіграє дуже важливу роль в атмосфері Землі за рахунок своєї здатності поглинати випромінювання в деяких ділянках спектра, особливо в ультрафіолетовій та інфрачервоній. Ця здатність робить озон захисником усього живого на Землі від небезпечного для біологічних організмів (зокрема й людини) ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 200 - 320 нм. Озон присутній в атмосфері на усіх висотах від поверхні Землі до приблизно 100 км. Його розподіл по висоті нерівномірний - найбільша концентрація молекул О3 спостерігається в стратосфері на висоті 15-25 км. Величина максимальної концентрації змінюється залежно від різних обставин: пори року широти і т. д. Часто для зручності говорять лише про шар озону в стратосфері.
Якщо зібрати весь озон, що знаходиться в стовпі атмосфери від її верхньої межі до поверхні Землі, і опустити ці молекули О3 на поверхню, то при нормальних тиску і температурі ми матимемо шар товщиною близько 3 мм. Товщину такого шару, що дорівнює одній сотій міліметра, називають одиницею Добсона (о. Д.) і використовують для опису загальної кількості озону в атмосфері над певним місцем, що позначається N (О3). Таким чином, у середньому по Землі N (О3) = 300 о. Д. Загальна кількість озону значно змінюється в просторі і часі. Вона максимальна навесні у високих (70—80°) широтах і мінімальна в екваторіальній зоні. Бувають окремі дні, тижні і навіть місяці, коли в тому чи іншому місці на Землі спостерігаються дуже високі чи дуже низькі значення N (O3). Такі коливання загальної кількості озону відчутно ускладнюють виявлення тенденції зміни (трендів) N (О3) за останні десятиліття внаслідок антропогенного забруднення атмосфери.

Але вже сьогодні нам загрожують «озонові діри». Що ж це таке - «озонна діра»? «Озоновою дірою» називають тимчасове зменшення загальної кількості озону над певною ділянкою поверхні Землі. Найбільш чітко вона зареєстрована над Антарктикою з максимумом активності у весняні (вересень-листопад для південної півкулі) місяці. Але чому саме над Антарктикою, адже там немає ніяких викидів в атмосферу? Це пояснюється особливостями глобальної циркуляції атмосфери. Узимку в полярній стратосфері південної півкулі утворюється стійкий циклон - циркумполярний вихор. Повітря усередині цього вихору рухається в основному по замкнутих траєкторіях, не виходячи за його межі. При цьому в "Антарктиці узимку практично не відбувається обмін повітрям між полярними і помірними широтами. До кінця зими повітря усередині вихора дуже охолоджується (до -7...-8°С), і в стратосфері з'являються полярні хмари, що складаються з крижинок і крапель переохолодженої рідини. Частки полярних хмар зв'язують азотні сполуки (насамперед NО2) і створюють умови для хлорного циклу руйнування озону. З прогріванням антарктичної стратосфери циркумполярний вихор руйнується, при цьому відновлюється обмін повітря з багатими озоном середніми широтами, і стратосферні хмари зникають. Звільняються молекули NО2 і зв'язують молекули окису хлору. Руйнівна дія хлорного циклу на озон слабшає, і його кількість відновлюється до безпечних концентрацій. Що ж далі?. Для багатьох компонентів цього забруднення (фреони, метан, закис азоту) отримані достовірні дані про збільшення їхньої кількості в повітрі (у тому числі й у стратосфері) протягом останніх десятиліть.

Звідки береться і куди зникає озон. Озон утворюється при з'єднанні молекули й атома кисню. Отже, для формування озону необхідно, щоб у повітрі були як молекули О2, так і атоми О. Останні утворюються з молекул О2 під дією сонячного ультрафіолетового випромінювання. Чим вище ми піднімаємося в атмосферу, тим активніше відбувається руйнування (дисоціація) О2, тим більше утворюється атомів О, тим ефективніше утворюються молекули О3. Це пояснює збільшення концентрації озону із збільшенням висоти над поверхнею Землі. Але молекула озону теж може розпадатися під дією сонячного випромінювання. І зі збільшенням висоти процес дисоціації О3 стає інтенсивнішим. Починаючи з деякої висоти (саме тут концентрація озону і буде максимальною) швидкість руйнування озону збільшується з висотою швидше, ніж швидкість його утворення при сполученні О і О3. Концентрація озону при цьому починає зменшуватися. Так можна схематично уявити собі висотний розподіл озону в атмосфері під дією фотохімічних процесів. Реально на розподіл озону на різній висоті дуже впливають фотохімічні реакції озону з іншими газами повітря і динамічні процеси в атмосфері, у першу чергу вертикальне перенесення повітря. Наприклад, спрямовані вниз потоки призводять до загального зниження шару і збільшення концентрації О3 Саме це спостерігається в атмосфері високих широт. Натомість, потоки повітря, спрямовані вгору, піднімають шар озону, роблять його більш тонким. Це характерно для приекваторіальної атмосфери. Динамічні процеси істотновпливають і на сезонні зміни N(О3). Скажімо, максимум кількості озону, що спостерігається у високих широтах навесні, пов'язаний із його інтенсивним перенесенням узимку з низьких широт. Зрозуміло, що динамічні процеси лише перерозподіляють молекули О3, але не можуть ні створювати їх, ні знищувати. Таким чином, загальна кількість озону в атмосфері строго контролюється процесами його утворення і розпаду у фотохімічних реакціях. І якщо внаслідок антропогенного забруднення атмосфери швидкість хімічного руйнування озону збільшується, загальна кількість озону неминуче повинна зменшуватися.

Роль озону в нашому житті. У тропосфері озон є одним із забруднювачів повітря. Частина смогу у великих містах утворена, у тому числі, через надлишок озону, що утворюється як побічний продукт автомобільних вихлопів. У стратосфері ж озон виконує роль своєрідного екрана, що поглинає згубне короткохвильове (ультрафіолетове) випромінювання. Озон також бере активну участь у формуванні теплового режиму атмосфери і поверхні нашої планети. Цей режим ду­же залежить від, так званого, парникового ефекту, суть якого в тому, що певні гази у повітрі активно поглинають теплове (інфрачервоне) випромінювання. Його перевипромінює земна поверхня, поглинувши перед цим випромінювання сонця. До цих газів належить і озон. Роль озону полягає в пог­линанні теплового випромінювання, що йде від Землі, у тих спектральних інтервалах (так звані, «вікна прозорості»), де основні гази, відповідальні за парниковий ефект (водяна пара, СО2), поглинають погано. У стратосфері озон поглинає ультрафіолетове випромінювання, що йде від сонця. Цей процес є основним джерелом нагрівання стратосферного повітря і визначає існуючу там відносно високу (порівняно зі тропосферою) температуру. Крім того, поглинаючи ультрафіолетове випромінювання, особливо в тій його частині (200—320 нм), що становить найбільшу небезпеку для живих істот, озон захищає людей і всю біосферу від його згубної дії.

А якби озону не було? Звичайно, точно відповісти на це питання неможливо. Але є серйозні підстави вважати, що життя на нашій планеті розвивалося б (якби розвивалося взагалі) по-іншому. При зникненні чи навіть потоншанні озонового шару неминучим стане збільшення потоку сонячного ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 200 - 320 нм. Це випромінювання часто називають м'яким, ближнім чи біологічно активним ультрафіолетом. Ця назва пов'язана з тим, що кліти­ни живих організмів (особливо нуклеїнові кислоти) дуже чутливі до ультрафіолету. Варто мати на увазі, що потік випромінювання дуже чутливий до зміни загальної кількості озону (як кажуть вчені, зв'язок між ними нелінійний). Інакше кажучи, падіння N(О3) навіть на десяті частки відсотка призводить до збільшення ультрафіолетового випромінювання в кілька разів, а можливо, і в десятки. Зазначені зміни інтенсивності цього випромінювання неминуче призведуть до значних порушень у цілому в біосфері й у здоров'ї людей зокрема. Зміна кількості озону не може не позначитися на кліматі планети, оскільки озон бере активну участь у створенні парникового ефекту, що забезпечує нагрівання найнижчого атмосферного шару - тропосфери. При зменшенні кількості озону в стратосфері теплова рівновага порушиться. При зниженні концентрації озону удвічі температура стратосферного повітря впаде на 10 - 30°С. А це, у свою чергу, може порушити стабільність усієї атмосфери.

Загроза для озону. До шкідливих для озону речовин належать сполуки азоту. водню і хлору. Азот потрапляє в атмосферу переважно у вигляді азотних оксидів (NO, NО2, N2O) при використанні азотних добрив і викиді відпрацьованих газів при польотах висотних літаків. Джерелом водневих з'єднань є промислові підприємства, що виділяють в атмосферу метан, а також польоти висотних літаків і ракет, при яких безпосередньо на стратосферних висотах викидаються випари води. Нарешті, хлор потрапляє в атмосферу через дуже активне використання в промисловості і побуті хлоровмісних органічних сполук, насамперед, так званих, фреонів (хлорфторвуглеводів). За рахунок хімічної активності кисню, якого багато в атмосферному газі, утворюються цілі групи (сімейства) сполук азоту, водню і хлору. Система хімічних взаємодій, котра виникає при цьому, досить складна. Сам лише цикл процесів за участю азотних сполук об'єднує десятки реакцій. Однак остаточний ефект, важливий для нашої розповіді, досить простий. Кожне із сімейств бере участь у своєму циклі каталітичних реакцій руйнування озону. При цьому члени сімейств відіграють роль каталізаторів - вони прискорюють реакції загибелі озону, але не витрачаються самі. Постає запитання: чи вже помітне регулярне зменшення кількості озону? Спроби це точно встановити пов'язані із серйозними труднощами. Очікуване зменшення загальної кількості озону поки що відносно невелике - усього кілька відсотків. Зареєструвати таку зміну за досить довгий термін (скажімо, за 10 років) складно, тому що вона перебуває на межі точності існуючих методів вимірювання N(О3). Проте пошуки тенденцій і характеру зміни NО3) (так званих трендів) останніми роками йдуть безупинно. Встановлено, що зменшення озону існує і становить близько 2% N(О2) протягом останніх двох десятиліть. Цей показник не малий і свідчить про загрозливу тенденцію. Якщо людство не зупинить своє втручання в атмосферу через забруднення сполуками, про які йшла мова вище, то незабаром концентрація озону в атмосфері упаде нижче мінімально допустимого рівня