Как разрушается озоновый слой?
История озоновой дыры
В 1969 году голландский химик Пол Крутцен опубликовал статью, в которой продемонстрировал, что оксиды азота могут реагировать со свободными атомами кислорода, замедляя образование озона (O3), а также могут разлагать озон на диоксид азота (NO2) и газообразный кислород (O2).
Некоторые ученые и защитники окружающей среды в 1970-х годах использовали исследования Крутцена в качестве аргумента против создания американским флотом сверхзвуковых транспортных средств (ССТ). Они опасались, что потенциальный выброс оксидов азота и водяного пара от этих самолетов может повредить озоновый слой. (ССТ были разработаны для полетов на высотах, совпадающих с озоновым слоем, примерно от 15 до 35 км над поверхностью Земли). На самом деле американская программа SST была отменена, и только небольшое количество франко-британских Concordes и советских Ту-144 поступили на вооружение, так что влияние ТПО на озоновый слой оказалось незначительным для количества эксплуатируемых самолетов.
Однако в 1974 году американские химики Марио Молина и Ф. Шервуд Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине признал, что хлорфторуглероды (CFC) — молекулы, содержащие только атомы углерода, фтора и хлора — могут быть основным источником хлора в стратосфере. Они также отметили, что хлор может разрушить большое количество озона после того, как он был освобожден из ХФУ под действием УФ-излучения. Свободные атомы хлора и хлорсодержащие газы, такие как монооксид хлора (ClO), могут затем разрушить молекулы озона, оторвав один из трех атомов кислорода. Более поздние исследования показали, что бром и некоторые бромсодержащие соединения, такие как монооксид брома (BrO), были даже более эффективными в разрушении озона, чем хлор и его реактивные соединения. Последующие лабораторные измерения, атмосферные измерения и исследования атмосферного моделирования вскоре подтвердили важность их результатов. Крутцен, Молина и Роуленд получили Нобелевскую премию по химии в 1995 году за свои усилия.
Деятельность человека оказала значительное влияние на глобальную концентрацию и распределение стратосферного озона еще до 1980-х годов. Кроме того, ученые отметили, что значительное ежегодное снижение средних концентраций озона начало происходить по крайней мере к 1980 году. Измерения со спутников, самолетов, наземных датчиков и других инструментов показывают, что уровни озона снизились в глобальном масштабе примерно на 5% в период с 1970 по середину 1990-х годов с незначительными изменениями после этого. Наибольшее сокращение содержания озона произошло в высоких широтах (к полюсам), а наименьшее —в более низких широтах (тропики). Кроме того, атмосферные измерения показывают, что истощение озонового слоя увеличивает количество УФ-излучения, достигающего поверхности Земли.
Это глобальное уменьшение содержания озона в стратосфере хорошо коррелирует с повышением уровней хлора и брома в стратосфере в результате производства и выбросов ХФУ и других галоидоуглеродов . Галоидоуглероды производятся в промышленности для различных целей, таких как хладагенты (в холодильниках, кондиционерах и больших холодильных машин), пропелленты для аэрозольных баллончиков, пенообразователей для изготовления пластиковых пен, огнетушащие агенты и растворители для химической чистки и обезжиривания. Атмосферные измерения четко подтвердили теоретические исследования, показывающие, что хлор и бром, выделяющиеся из галогенуглеродов в стратосфере, реагируют с озоном и разрушают его.
Договор об озоновом слое — что это такое?
Доказательства, собранные учеными в 1970-х и 1980-х годах, показали, что истощение озонового слоя в стратосфере было одной из первых действительно глобальных угроз человечеству.
Химические вещества, производимые в результате экономической деятельности, медленно поднимаются в верхние слои атмосферы, где они разрушают озоновый слой, который играет незаменимую роль в защите человечества и экосистем, поглощая вредное ультрафиолетовое излучение солнца.
В 1987 году страны подписали договор о восстановительных мерах, известный как «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой», который в конечном итоге был ратифицирован всеми 197 государствами-членами ООН.
Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой (Монреальский протокол) — это международное соглашение, заключенное в 1987 году. Он был разработан, чтобы остановить производство и импорт озоноразрушающих веществ и снизить их концентрацию в атмосфере, чтобы помочь защитить озоновый слой Земли.
Монреальский протокол находится в рамках Венской конвенции об охране озонового слоя. Венская конвенция была принята в 1985 году после международного обсуждения научных открытий в 1970-х и 1980-х годах, в открытиях подчеркивалось негативное влияние деятельности человека на уровни озона в стратосфере и открытие «озоновой дыры». Его цели заключаются в содействии сотрудничеству в области борьбы с неблагоприятным воздействием деятельности человека на озоновый слой.
Монреальский протокол широко считается наиболее успешным соглашением по охране окружающей среды. Он устанавливает обязательный график поэтапного отказа от озоноразрушающих веществ. Этот график регулярно пересматривался, при этом сроки прекращения производства были ускорены в соответствии с научными знаниями и технологическими достижениями.
Монреальский протокол устанавливает обязательные для развитых и развивающихся стран обязательства по постепенному отказу от всех основных озоноразрушающих веществ. Он нацелен на 96 озоноразрушающих химикатов в тысячах применений в более чем 240 промышленных секторах. В 2016 году Монреальский протокол также стал ответственным за установление обязательных обязательств по постепенному сокращению выбросов 18 основных гидрофторуглеродов (ГФУ).
Помимо помощи в защите и восстановлении озонового слоя, Монреальский протокол также принес другие важные экологические преимущества. В частности поэтапный отказ от озоноразрушающих веществ, которые часто также являются газами, вызывающими сильное глобальное потепление, улучшил глобальный климат за счет сокращения количества парниковых газов, попадающих в атмосферу.
Что выяснили ученые?
Но в недавнем исследовании эксперты отметили основные пробелы в договоре, которые необходимо устранить, если мы хотим восстановить озоновый слой и предотвратить риски, связанные с здоровьем человека и климатом.
Монреальский протокол и поправки к нему, несомненно, явились эффективным всемирным усилием по контролю за наиболее стойкими веществами, разрушающими озон. Но наша статья показывает, что в договоре образовалось слишком много пробелов, чтобы полностью восстановить озоновый слой. Пора заткнуть дыры в договоре об озоновой дыре.
Профессор Джозеф Алькамо, директор программы исследований в области устойчивого развития в Сассексе
Профессор Алькамо вместе с ведущим автором, профессором Сьюзан Соломон из Массачусетского технологического института (MIT) и соавтором, профессором А. Р. Равишанкарой из Университета штата Колорадо, выявили несколько «пробелов», которые состоят из озоноразрушающих веществ, не охваченных договором.
Какие озоноразруающие вещества не были учтены?
Ученые составили полный список веществ, котрый включает в себя:
- Неучтенные новые источники выбросов CFC и HFC, недавно обнаруженные в атмосфере.
- Утечки озоноразрушающих веществ из старых кондиционеров, холодильников и изоляционных пен.
- Непреднамеренные выбросы озоноразрушающих газов в результате некоторых производственных процессов.
- Выбросы озоноразрушающего газа, закиси азота, в основном связаны с сельскохозяйственной деятельностью.
Что предложили ученые, чтобы решить проблему?
Авторы научного исследования призвали к ряду решений, чтобы заполнить пробелы, включая:
- Ужесточение соблюдения договора за счет использования положений, которые уже являются частью Монреальского протокола.
- Повышение эффективности договора за счет включения регулярного экологического мониторинга озоноразрушающих веществ.
- Контроль выбросов веществ, которые до сих пор не подпадали под действие договора, включая выбросы закиси азота в сельском хозяйстве и утечки озоноразрушающих веществ из старых холодильников и другого оборудования.
- Кроме того, поскольку озоноразрушающие вещества и их заменители вносят значительный вклад в глобальное потепление, авторы призывают к более быстрому отказу от всех этих веществ как способ борьбы с изменением климата.
Почему Земля в опасности?
Озоновый слой поглощает вредное ультрафиолетовое излучение солнца, но этот защитный слой медленно разрушается промышленными газами, которые медленно дрейфуют с поверхности земли, включая CFC (хлорфторуглероды), содержащиеся в хладагентах, пенообразователях и ранее в пропеллентах, в аэрозольных распылителях.
Открытие «озоновой дыры» над высокими широтами в 1980-х годах стало окончательным свидетельством важности разрушения озонового слоя. Точного определения положения этих границ (широт) нет, но высокая широта расположена от 60° магнитной широты и выше; средние широты между магнитной широтой 50° и 60° и все, что ниже магнитной широты 50° считается находящимся в категории низких широт.
К 1985 году страны подписали Венскую конвенцию, которая обязалась сократить количество ХФУ и других озоноразрушающих веществ. Два года спустя они подписали Монреальский протокол, в котором изложен план действий.
В течение своего времени в качестве первого главного научного сотрудника ЮНЕП, в которой размещается секретариат Монреальского протокола, профессор Алькамо координировал работу групп ученых в подготовке ориентированных на политику отчетов, в которых рассматривались возникающие проблемы разрушения озонового слоя.
ЮНЕП сообщает, что к 2009 году 98% химических веществ, подлежащих удалению в соответствии с Монреальским протоколом, были прекращены, что позволило избежать сотен миллионов случаев рака кожи и десятков миллионов случаев катаракты. Тем не менее, этот новый документ показывает, что некоторые важные источники не были затронуты протоколом — и это срочно необходимо сделать, прямо сейчас.
Профессор Алькамо сказал: «Поскольку большинство озоноразрушающих газов и их нынешние заменители также являются мощными парниковыми газами, пришло время использовать Монреальский протокол, чтобы избавиться от этих газов еще быстрее, чтобы избежать опасного глобального потепления.
«Мы не сможем достичь глобальных целей в области устойчивого развития к 2030 году, не ликвидировав пробелы в договоре по озону. Например, трудно представить, как можно было бы достичь глобальных целей в области здравоохранения и климата без радикального сокращения всего озона — истощающие газы и их заменители. Если мы потерпим неудачу, человечество столкнется с повышенным риском рака кожи и более быстрым изменением климата».
Озоновая дыра — какого она размера сейчас и где?
Истощение озонового слоя больше всего на Южном полюсе. Это происходит в основном в конце зимы и в начале весны (август-ноябрь), а пиковое истощение обычно происходит в начале октября, когда озон часто полностью разрушается на больших территориях.
Это серьезное истощение создает так называемую озоновую дыру, которую можно увидеть на изображениях антарктического озона, сделанных с помощью спутниковых наблюдений. В большинстве случаев максимальная площадь дыры больше, чем сам антарктический континент. Хотя потери озона менее радикальны в северном полушарии, значительное истончение озонового слоя также наблюдается над Арктикой и даже над континентальной Европой.
Большинство озоноразрушающих веществ, выбрасываемых в результате деятельности человека, остаются в стратосфере на протяжении десятилетий, а это означает, что восстановление озонового слоя — очень медленный и длительный процесс.
На диаграмме ниже показано развитие (годового максимума) размера озоновой дыры над Антарктикой. Дыра увеличилась за годы после ратификации Монреальского протокола из-за отставания, вызванного тем, что озоноразрушающие вещества остаются в стратосфере в течение длительного времени. Максимальный размер озоновой дыры сейчас уменьшается.
Информацию о состоянии продолжающейся в настоящее время озоновой дыры вы можете найти на веб-сайте.
Последствия разрушения озонового слоя для человека и окружающей среды
Истощение озонового слоя вызывает повышение уровня УФ-излучения на поверхности Земли, что наносит вред здоровью человека. Если не устранить проблемы, обнаруженные экспертами в Монреальском договоре по озону, то последствия могут стать фатальными — и вот почему.
Отрицательные эффекты включают рост некоторых видов рака кожи, катаракты глаз и нарушений иммунной недостаточности. УФ-излучение также влияет на наземные и водные экосистемы, изменяя рост, пищевые цепи и биохимические циклы. Водные организмы, находящиеся непосредственно под поверхностью воды, являющиеся основой пищевой цепи, особенно страдают от высоких уровней УФ-излучения. УФ-лучи также влияют на рост растений, снижая продуктивность сельского хозяйства.
Влияние на здоровье человека
Истощение озонового слоя увеличивает количество ультрафиолетового излучения B, достигающего поверхности Земли. Лабораторные и эпидемиологические исследования показывают, что УФ-В вызывает немеланомный рак кожи и играет важную роль в развитии злокачественной меланомы. Кроме того, UVB связывают с развитием катаракты, помутнением хрусталика глаза.
Поскольку весь солнечный свет содержит некоторое количество УФ-B, даже при нормальном уровне стратосферного озона всегда важно защищать кожу и глаза от солнца.
EPA использует рамочную модель воздействия на атмосферу и здоровье человека для оценки пользы для здоровья от более сильной защиты озонового слоя в рамках Монреальского протокола. Обновленная информация о преимуществах усилий EPA по борьбе с истощением озонового слоя доступна в отчете за 2015 год «Обновление расчетов озона и профилей выбросов для использования в рамочной модели воздействия на атмосферу и здоровье человека».
Воздействие на растения
UVB-излучение влияет на физиологические процессы и процессы развития растений. Несмотря на механизмы уменьшения или восстановления этих эффектов и способность адаптироваться к повышенным уровням УФ-B, УФ-излучение может напрямую влиять на рост растений.
Косвенные изменения, вызванные УФ-В (например, изменение формы растения, распределения питательных веществ в растении, времени фаз развития и вторичного метаболизма), могут быть в равной степени или иногда более важными, чем повреждающие эффекты УФ-В. Эти изменения могут иметь важные последствия для конкурентного баланса растений, травоядности, болезней растений и биогеохимических циклов.
Воздействие на морские экосистемы
Фитопланктон составляет основу водных пищевых сетей. Продуктивность фитопланктона ограничена эвфотической зоной, верхним слоем водной толщи, в котором достаточно солнечного света для поддержания чистой продуктивности. Было показано, что воздействие солнечного УФ-В излучения влияет как на ориентацию, так и на подвижность фитопланктона, что приводит к снижению выживаемости этих организмов. Ученые продемонстрировали прямое сокращение производства фитопланктона из-за увеличения УФВ, связанного с истощением озонового слоя.
Было обнаружено, что УФ-В излучение вызывает повреждение на ранних стадиях развития рыб, креветок, крабов, амфибий и других морских животных. Наиболее серьезные последствия — снижение репродуктивной способности и нарушение развития личинок. Небольшое увеличение воздействия УФ-В излучения может привести к сокращению популяции мелких морских организмов с последствиями для всей морской пищевой цепи.
Воздействие на биогеохимические циклы
Увеличение УФ-В излучения может повлиять на наземные и водные биогеохимические циклы, изменяя таким образом источники и поглотители парниковых и химически важных газовых примесей (например, двуокиси углерода, окиси углерода, сульфида карбонила, озона и, возможно, других газов). Эти потенциальные изменения будут способствовать возникновению обратных связей между биосферой и атмосферой, которые уменьшают или усиливают атмосферные концентрации этих газов.
Воздействие на материалы
Синтетические полимеры, биополимеры природного происхождения, а также некоторые другие материалы, представляющие коммерческий интерес, подвергаются неблагоприятному воздействию УФ-В излучения. Современные материалы в некоторой степени защищены от UVB специальными добавками. Тем не менее, повышение уровня УФ-В ускорит их распад, ограничивая продолжительность их использования на открытом воздухе.
Читать также
Посмотрите, как может выглядеть Proxima b. Это планета ближайшей к нам звезды
Симптомы коронавируса у детей. На что стоит обратить внимание?
На 3 день болезни большинство больных COVID-19 теряют обоняние и часто страдают насморком