Пашук В.Е., Зезюлина Ю. С.

УО «ГГУ имени Ф. Скорины», г. Гомель

К вопросу о взаимосвязи проблем парникового эффекта и разрушения озонового слоя Земли

Первый миллиард лет в атмосфере преобладал углекислый газ, но к концу этого периода в ней появились азот и кислород. Содержание кислорода достигло максимума 500 млн. лет назад. А еще раньше возник озоновый экран, защищающий живые существа от ультрафиолетового излучения и позволивший жизни выйти на сушу. Современная атмосфера – это результат долгой эволюции.

Озоносфера – одна из поверхностных оболочек планеты. Она является составной частью биосферы Земли, располагается в стратосфере на высоте от 10–20 до 55–60 км слоем, который определяет верхний предел жизни в биосфере.

Озоновый слой охватывает всю Землю, но его толщина сильно меняется, возрастая от экватора к полюсу. Озон образуется в течение всего года в стратосфере над экваториальным поясом. Благодаря переносу его воздушными течениями он перемещается в направлении полярных широт. На планете выделяется тропическая область пониженного содержания озона в зоне от 35° с. ш. до 35° ю. ш., где средняя приведенная толщина слоя озона – около 2,6 мм. К северу и югу от нее толщина слоя больше (3,5 мм). Толщина озонового слоя испытывает значительные вариации в течение года, причем они минимальны над тропиками и максимальны в высоких широтах. Максимальные значения содержания озона на всех широтах наблюдаются в конце зимы и весной, минимальные – осенью и в начале зимы.

В стратосфере озон выполняет роль своеобразного экрана, поглощающего губительное для всего живого на Земле коротковолновое (ультрафиолетовое) излучение. Он принимает также активное участие в формировании теплового режима атмосферы и поверхности нашей планеты. Этот режим сильно зависит от так называемого парникового эффекта.

Процесс поглощения озоном ультрафиолетового излучения является основным источником нагрева стратосферного воздуха и определяет существующую там относительно высокую (по сравнению с тропосферой) температуру. Кроме того, поглощая ультрафиолетовое излучение, особенно в той его части (200–320 нм), которая представляет наибольшую опасность для биологических организмов, озон защищает людей и всю биосферу от губительного действия этого излучения.

Разрушение озонового слоя – это разделение молекул озона, которое вызывают встречаемые в стратосфере вещества, разрушающие озоновый слой, возникающие в результате природных процессов или эмитированные (высвобожденные) в результате деятельности человека, и содержащие хлор или бром, а также метан или оксид азота.

Развитие цивилизации приводит к увеличению выбросов хлорных соединений в атмосферу, и одну из ведущих ролей в этом процессе играют так называемые хлорфторуглеводороды (ХФУ), или фреоны (торговое название).

Значительные массы озоноразрушающих веществ (ОРВ) поступают в озоновый слой с выхлопными газами ракет, работающих на твердом топливе, высотной сверхзвуковой авиацией, азотными удобрениями, широко использующимися в сельском хозяйстве, а также высотными ядерными взрывами.

Очень важную роль в разрушении озона играет атмосферная влага. Путь молекул воды из тропосферы в стратосферу не прост, поскольку в соответствии с канонами атмосферной динамики переноса масс воздуха через тропосферу практически не происходит, за исключением мощных кучевых облаков. Под действием ультрафиолетового излучения молекулы воды разрушаются, образуя гидроксил ОН, который и дает начало водородному циклу.

Пергидроксил НО₂ может образовываться при окислении метана.

Постоянные темпы истощения озона от 0,4 до 0,5 % в год в течение более 25 лет указывают на ежегодное накопление озоноразрушающих веществ в стратосфере (окислов хлора, азота и паров воды).

С изменением количества озона в атмосфере связаны такие явления, как «озоновые дыры».

В 2007 г. «озоновая дыра» образовалась относительно раньше, чем в 2006 г., когда наблюдалась самая большая и наиболее интенсивная «озоновая дыра» над Антарктикой за всю историю их регистрации.

Уменьшение вдвое количества стратосферного озона ведет к охлаждению стратосферы на 15–20°С, существенно уменьшается скорость реакций образования озона. При этом нарушается стабильность всей атмосферы с плохо предсказуемыми последствиями.

Многолетние наблюдения за атмосферным озоном позволили установить, что, начиная с конца 1970-х годов, содержание озона в атмосфере в глобальных масштабах из года в год уменьшается. Данный отрицательный тренд проявился в первую очередь в атмосфере над Антарктидой, где ежегодно во время антарктической весны в большой области атмосферы происходит разрушение стратосферного озона. После некоторого уменьшения потерь озона над Антарктидой в 2002 и 2004 годах (сокращение размеров дыры и уменьшение массы разрушенного озона) в последующие годы масштабы этого явления стали нарастать. Увеличивалась и площадь, занятая этой областью (под площадью «дыры» понимается область в атмосфере, в которой общее содержание озона менее 220 е.Д). Потери озона в стратосфере над Антарктидой в 2006 г. были рекордными за весь период наблюдений. Площадь дыры достигала рекордных размеров – 27,4 млн км² (в 1997 г. – 26,9 млн км², в 2003 г. – 27,1 млн км²).

Появление антарктической озоновой дыры – результат сочетания сложных геодинамических и фотохимических процессов.

Временные понижения концентрации озона в стратосфере происходят и над Арктикой. Здесь обнаружены локальные «мини-дыры».

Кроме того, говоря о глобальном изменении климатических показателей, нельзя не упомянуть о существующей связи между атмосферным озоном и парниковым эффектом.

Парниковый эффект – это увеличение средней годовой температуры поверхностного слоя атмосферы Земли и Мирового океана вследствие роста в атмосфере Земли концентраций парниковых газов (углекислый газ, метан, водяной пар, хлорфторуглеводороды и т.д.).

Водяной пар, углекислый газ, метан, хлорфторуглеводороды обеспечивают в целом около 98% парникового эффекта. Остальное приходится на инертные благородные газы. Около 60% парникового эффекта вызывают пары воды.

Метан – это легкий газ, который с земной поверхности быстро попадает на границу тропосферы и стратосферы. Мало того, что он сам активно участвует в парниковом эффекте, на высоте 15–20 км под действием солнечных лучей разлагается на углерод и водород, который, соединяясь с кислородом, образует углекислый газ. В результате этого процесса в верхних слоях атмосферы поглощается кислород, и разрушаются молекулы озона. Содержание метана в атмосфере растет вдвое быстрее, чем концентрация углекислого газа. Возникающий из метана в верхних слоях тропосферы углекислый газ медленно опускается к земной поверхности. Углекислый газ не только активно участвует в парниковом эффекте, но и заметно пополняет запасы атмосферной углекислоты, т. е. чем больше метана попадает в атмосферу, тем больше в ней образуется углекислого газа.

Уровень содержания углекислого газа и метана в наше время соответственно на 30% и 100% выше, чем в доиндустриальную эпоху. Правда, действует и процесс, направленный в обратную сторону, – это процесс фотосинтеза, в котором растения усваивают двуокись углерода из воздуха и строят из нее свою биомассу. По оценкам ученых, за год вся растительность суши улавливает из атмосферы 20 – 30 млрд. т углерода в форме его двуокиси.

Хлорфторуглеводороды – "парниковые газы". Следовательно, из-за повышения их концентрации в атмосфере процесс парникового эффекта идет быстрее. Кроме того, фреоны разрушают озоновый слой в атмосфере.

Связь между парниковым эффектом и атмосферным озоном заключается в следующем: углекислый газ пропускает излучение Солнца, но задерживает тепловое излучение Земли. Оно накапливается в атмосфере, и ее температура повышается. Озон делает то же самое. Следовательно, с истощением озонового слоя барьер на пути теплового излучения Земли уменьшается и парниковый эффект ослабляется.

Таким образом, процессы, происходящие в стратосфере, близ высоты озонового слоя, неоднозначны: парниковые газы способствуют разрушению молекул озона, с другой стороны, истощение озонового слоя приводит к ослаблению парникового эффекта. При этом синергетическое проистекание этих процессов может обуславливать как их усиление, так и ослабление. В приземных слоях атмосферы при высоком уровне ее загрязнения увеличиваются концентрации, как парниковых газов, так и озона, который в этих случаях играет агрессивную роль, являясь сильнейшим окислителем.

Следовательно, различные концентрации парниковых газов, кислорода и озона могут приводить к разным по своей сути эффектам: синергически усиливая или же ослабляя каждый из процессов.

Рациональное сочетание пропорций природных газов (углекислого газа, озона и кислорода) должно препятствовать проистеканию процессов, приводящих к негативным последствиям для земной природы эффектам. Небезинтересно в связи с этим воздействия на живые организмы этих важнейших природных веществ (СО₂, О₃, О₂) в их различных пропорциях на микроуровне (уровне дыхательной системы и системы кровообращения). Так, недостаток кислорода отрицательно сказывается на функционировании мозга, сердца, глазной сетчатки человека. Обогащение чистым или атомарным кислородом этих органов способствует восстановлению их функций, о чем свидетельствуют разработки известного медика-ученого профессора И. П. Неумывакина. В то же время весьма важна для нормальной деятельности живых организмов и углекислота, «вымывание» которой из дыхательной системы (согласно разработкам ученых-медиков А. Н. Стрельниковой и К. П. Бутейко) приводит к негативным последствиям.

В связи с этим представляется, что как на микроуровне, так и на макроуровне весьма важно сохранение рационального баланса веществ, определяющих оптимальное состояние как атмосферы в целом, так и всех ее компонентов – живых организмов.

При этом следует иметь в виду, что при разрушении озона, усиливающемся от воздействия парниковых газов возможен весьма опасный синергический эффект, ускоряющий проистекание процессов глобального потепления и озоноразрушения. С другой стороны, разрушение озонового слоя может приводить к ослаблению парникового эффекта. Следовательно, важной задачей становится определение рациональных пропорций концентрации атмосферных газов – желательного оптимального баланса компонентов земной атмосферы на всех ее уровнях.

Литература:

1. Данилов, А. Д. Атмосферный озон – сенсации и реальность / А. Д. Данилов, И. Л. Кароль. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991. – 120 с.

2. Кимстач, Г. М. Размышления об озоне и не только / Г. М. Кимстач // Экология и жизнь. – 2003. – №5 (34). – с. 74–50.

3. Неумывакин, И. П. Перекись водорода: мифы и реальность / И. П. Неумывакин. – М.: изд. «Просвещение», 1999. – 78 с.

4. Новиков, Ю. В. Экология, окружающая среда и человек: учебное пособие / Ю. В. Новиков. – М., 2003