Разрушение озонового слоя¶

Озоновый слой имеет толщину около 5 км и высота его расположения различна на разных широтах. В тропических широтах он расположен на высоте 25–30 км, в умеренных широтах — 20–25 км и в полярных широтах — 15–20 км.

Озон играет разную роль в химии атмосферы на разных высотах в атмосфере Земли. Мы можем разделить этот профиль на две ключевые зоны:

• Тропосферный озон — озон, который присутствует в нижних слоях атмосферы (тропосфере) на высоте от 5 до 15 км в зависимости от широты. На большей части планеты концентрация озона в тропосфере относительно низкая. Однако концентрации озона могут быть выше очень близко к поверхности на локальных уровнях; там он образуется как загрязнитель воздуха и может отрицательно влиять на здоровье человека.

  

  Озон приземного уровня может образовываться в результате химических реакций между местными загрязнителями воздуха, такими как оксиды азота (NO_x), летучие органические соединения (ЛОС) и солнечным светом. Эти загрязнители воздуха поступают из выхлопных газов автомобилей, промышленных предприятий, электроэнергетики и химических растворителей. Приземный озон может оказывать негативное воздействие на здоровье человека; вдыхание озона особенно вредно для молодежи, пожилых людей и людей с респираторными заболеваниями. Поэтому его обычно называют «плохим» озоном.

• Стратосферный озон — тот озон, который присутствует в верхних слоях атмосферы (стратосфере) обычно на высоте от 10–15 до 50 км в зависимости от широты. Концентрации озона в стратосфере выше, чем в тропосфере. Стратосфера включает зону, называемую «озоновым слоем». Озон в стратосфере играет совершенно иную роль, чем в слое ниже. В озоновом слое его часто называют «хорошим» озоном, поскольку он играет решающую роль в поглощении потенциально опасного ультрафиолетового (УФ-Б) излучения солнца. Озоновый слой обычно поглощает 97–99 % поступающего УФ-Б излучения. Следовательно, более высокие концентрации озона в стратосфере имеют решающее значение для обеспечения того, чтобы жизнь (включая людей) на поверхности Земли не подвергалась воздействию вредных концентраций УФ-Б излучения.

Фотохимические механизмы образования озонового слоя были открыты британским физиком Сиднеем Чепменом в 1930 году. Озон в стратосфере Земли создается ультрафиолетовым светом, падающим на обычные молекулы кислорода, содержащие два атома кислорода (O₂), разделяя их на отдельные атомы кислорода. (атомарный кислород); атомарный кислород затем соединяется с неразрушенным O₂ с образованием озона O₃. Молекула озона нестабильна (хотя в стратосфере долгожительна), и когда ультрафиолетовый свет попадает в озон, она распадается на молекулу O₂ и отдельный атом кислорода, продолжающийся процесс, называемый озоново-кислородным циклом.

Химически это можно описать как:

Около 90 % озона в атмосфере содержится в стратосфере. Концентрация озона в стратосфере колеблются от 2 до 8 ppm. Если весь озон сжать, то получился бы слой толщиной всего 3 мм.

УФ-излучение, способное проникать через атмосферу, делят на три вида в зависимости от длины волны; они обозначаются как УФ-A (400–315 нм), УФ-Б (315–280 нм) и УФ-C (280–100 нм).

Почти весь УФ-С (100–280 нм), который очень вреден для всего живого, блокируется двуокисью кислорода (в диапазоне 100–200 нм) или озоном (в диапазоне 200–280 нм) в атмосфере. УФ-Б так же вреден для кожи и является причиной солнечных ожогов, может вызвать катаркту, приводить к генетическим повреждениям и рак кожи. Озоновый слой, поглащающий длины волн от 200 нм до 310 нм с максимумом в 250 нм, очень эффективно блокирует УФ-Б. Тем не менее некоторая часть УФ-Б достигает поверхности иблагоприятно сказывается на образовании витамина D. Озон прозрачен для УФ-А, поэтому большая часть длинноволнового УФ-А достигает поверхности. Он значительно менее вреден для ДНК.

Озоновый слой может быть истощен катализаторами свободных радикалов, включая оксид азота (NO), закись азота (N₂O), гидроксил (OH), атомарный хлор (Cl) и атомарный бром (Br). Озоноразрушающие вещества (хлор и бром) могут выбрасываться из природных и антропогенных (антропогенных) источников. Несмотря на то, что существуют естественные источники для всех этих видов, концентрации хлора и брома заметно увеличились в последние десятилетия из-за высвобождения больших количеств техногенных галогенорганических соединений, особенно хлорфторуглеродов (ХФУ) и бромфторуглеродов. Эти высокостабильные соединения способны пережить подъем в стратосферу, где радикалы Cl и Br высвобождаются под действием ультрафиолета. Тогда каждый радикал может инициировать и катализировать цепную реакцию, способную расщепить более 100000 молекул озона.

На диаграмме показаны выбросы озоноразрушающих веществ с 1960 года. Такие выбросы измеряется в тоннах эквивалентов хлорфторуглерода-11 (эквивалентов CFC 11). На диаграмме показан уровень естественных выбросов (который был примерно постоянным в течение этого периода) (синяя линия) и общий объем выбросов, который представляет собой сумму естественных и антропогенных выбросов (красная линия).

Здесь мы видим четкую тенденцию к сокращению пикового роста озоноразрушающих выбросов с быстрым ростом выбросов (увеличивающимся более чем в три раза) с 1960 по конец 1980-х годов, за которым последовало такое же быстрое сокращение в последующие десятилетия. К 2010 году выбросы вернулись к уровню 1960 года. Это было в значительной степени результатом международных регулирующих соглашений и согласованных действий по поэтапному отказу от производства и потребления этих веществ.

На следующей диаграмме показаны масштабы глобального снижения потребления озонразрушающих веществ с 1986 года. Эти данные измеряют потребление ОРВ по отношению к 1986 году (т.е. уровни в 1986 году равны 100). После роста на 28 % в 1987 году наблюдается быстрое снижение глобальных выбросов. К 1995 году потребление упало более чем на 60 %; 80 % к 2000 году; и на 98–99 % к 2016 году.

Какое влияние антропогенные выбросы ОРВ оказали на концентрацию стратосферного озона?

На диаграмме показаны средние концентрации стратосферного озона в Южном полушарии (где истощение озона было наиболее серьезным) с 1979 по 2017 год.

Концентрации озона измеряются в единицах Добсона (ЕД). «Озоновая дыра» будет приближаться к области, где концентрация озона падает в среднем примерно до 100 единиц Добсона.

Мы видим, что с 1979 по начало 1990-х годов концентрация стратосферного озона в Южном полушарии упала до опасного уровня «озоновой дыры» в 100 DU. В течение нескольких десятилетий, начиная с 1990-х годов, концентрации продолжали приближаться к 100 ЕД (или ниже). Однако за последние несколько лет с 2010 года концентрации озона начали медленно восстанавливаться.

Разрушение озона состоит из двух связанных событий, наблюдаемых с концом 1970-х годов:

• устойчивое понижением примерно четыре процента от общего количества озона в земной атмосфере (на озоновом слое ),
• и гораздо большего снижение весеннего в стратосферном озоне вокруг полярных областей Земли.

Последнее явление называется озоновой дырой . В дополнение к этим стратосферным явлениям весной случаются также явления истощения полярного тропосферного озона .

Площадь озоновой дыры¶

Отразилось ли падение концентрации стратосферного озона на озоновой дыре? На диаграмме показана максимальная и средняя площадь озоновой дыры над Антарктидой, измеренная в квадратных километрах. Как и концентрации газов, площадь озоновой дыры ежедневно контролируется НАСА с помощью спутниковых инструментов.

С 1979 года мы видим отчетливое увеличение площади озоновой дыры в Антарктике, достигнув максимума в 30 млн км²  в начале 2000-х годов. Однако с конца 1990-х годов площадь озоновой дыры приблизительно стабилизировалась на уровне от 20 до 25 миллионов км².

Однако ожидается, что полное восстановление произойдет до (по крайней мере) второй половины текущего столетия.

Почему истощение озонового слоя сильнее в высоких широтах?

Хотя истощение озонового слоя было глобальной проблемой, существуют значительные различия в распределении истощения озонового слоя по всему миру. В целом истощение озонового слоя увеличивается с увеличением широты с низкими уровнями истощения на экваторе и в тропиках и наибольшим истощением на полюсах. Хотя истощение произошло как на антарктическом, так и на арктическом полюсах, Антарктика пережила наиболее серьезное развитие «озоновой дыры». Почему это так?

Важным условием разрушения озонового слоя является очень низкая температура воздуха. Один только этот фактор объясняет концентрацию разрушения озона на полюсах, а не на более низких широтах. Разрушение озона было наиболее серьезным над Антарктидой, потому что оно обеспечивает уникальные температурные и химические условия для эффективного разрушения озона галогенными газами.

Формирование «озоновой дыры» требует формирования «полярных стратосферных облаков» (PSC); это происходит, когда температура опускается ниже температуры их образования около –78 °C. Это происходит всего 1–2 месяца в арктических регионах, но в течение 5–6 месяцев в Антарктиде зимой и ранней весной. Жидкие и твердые частицы в PSC позволяют образовывать высокореактивный газообразный хлор, когда присутствуют газообразные галогены и солнечный свет. Этот высокореактивный газообразный хлор очень эффективно разрушает стратосферный озон. Именно эти уникальные условия зимой и ранней весной приводят к сильному разрушению озона над Антарктидой.

Венская конвенция об охране озонового слоя

Быстрое сокращение выбросов озоноразрушающих веществ было обусловлено международным соглашением о поэтапном прекращении их производства. В 1985 году была принята Венская конвенция об охране озонового слоя, которая вступила в силу в 1988 году.

На диаграмме показано возрастание числа стран, подписавших Венскую конвенцию. В первый год (1988 год) соглашение подписали всего 29 стран. В последующие годы это число быстро увеличилось и к 2000 году достигло 174 участников. В 2009 году Венская конвенция стала первой из конвенций, ратифицированных всеми странами.

Венская конвенция, несмотря на то, что не обязывала стороны принимать конкретные меры по защите озона, заложила основу для принятия Монреальского протокола.

Монреальский протокол

Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, возможно, является самым успешным международным договором, на сегодняшний день.

Монреальский протокол — международный протокол к Венской конвенции, согласованный в 1987 году до вступления в силу в 1989 году.

Его цель заключалась в постепенном отказе (сокращении и, в конечном итоге, исключении) использования искусственных озоноразрушающих веществ для защиты озонового слоя.

Монреальский протокол был принят во всем мире с 1987 года. Протокол достиг всеобщей ратификации, и Южный Судан стал последней стороной, подписавшей его в 2012 году.

Сопутствующие выгоды от выбросов парниковых газов

Основная цель Венской конвенции, Монреальского протокола и его последующих поправок заключалась в защите истощения стратосферного озонового слоя. Однако стремление сократить и, в конечном итоге, полностью отказаться от использования озоноразрушающих веществ (ОРВ) также принесло сопутствующие выгоды для сокращения выбросов парниковых газов.

Хлорфторуглероды (ХФУ), гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) и другие галогеновые газы обычно обладают высоким потенциалом глобального потепления (ПГП): они являются мощными парниковыми газами с высокой способностью удерживать тепло в атмосфере Земли. Имея потенциал глобального потепления до 10 000 раз выше, чем двуокись углерода (CO₂), эти газы могут оказывать заметное влияние на общие выбросы парниковых газов даже в очень малых концентрациях.

Таким образом, сокращение содержания ОРВ, в частности ХФУ, в последние годы оказало значительное влияние на сокращение выбросов парниковых газов. Фактически, по оценкам нескольких источников, климатические выгоды от Монреальского протокола в пять-шесть раз больше, чем от Киотского протокола.

На диаграмме мы визуализируем влияние сокращения выбросов ОРВ на изменение климата с точки зрения выбросов парниковых газов (в эквиваленте углекислого газа) и радиационного воздействия (измеряется в ваттах на квадратный метр). Это основано на последнем отчете Всемирной метеорологической организации (ВМО) о научной оценке разрушения озонового слоя .

Красным / оранжевым цветом мы показываем фактические тенденции в отношении озоноразрушающих веществ с очень очевидным влиянием реализации Монреальского протокола на сокращение выбросов парниковых газов и стабилизацию радиационного воздействия. Голубая диаграмма тенденций показывает предполагаемое воздействие, если бы Монреальский протокол не был принят: он основан на предположении об увеличении на 2–3 % (пунктирная и сплошная линия) годового производства галогенных веществ. Таким образом, синяя область представляет собой оценочное количество парниковых газов или радиационного воздействия, предотвращенное в результате Монреальского протокола.

Выбросы парниковых газов, предотвращенные в результате сокращения содержания ОРВ, являются значительными: по оценкам, без Монреальского протокола радиационное воздействие от ОРВ могло бы достигнуть 0,60–0,65 Вт/м² в 2010 году, что составляет примерно 35 % от выбросов CO₂.

Выбросы парниковых газов от ОРВ в 2010 году могли достичь примерно 10 млрд т эквивалента CO₂ (что в пять раз превышало годовой целевой показатель Киотского протокола на период 2008–2012 годов).

Если бы тенденция к росту ОРВ сохранялась до 2020 года, проект ВМО, согласно которому общие выбросы парниковых газов из галогенных газов могли бы составить около 20 млрд т эквивалента CO₂ (по сравнению с 36 млрд т CO₂ в 2017 году), это было бы увеличение глобальных выбросов парниковых газов более чем на 50 %.

После поэтапного отказа от ХФУ, ГФУ (которые не разрушают озон) все чаще заменяют ГХФУ (которые разрушают озон) в рамках Монреальского протокола. Это означает, что выбросы ГФУ заметно увеличились в последние годы. Однако ГФУ обладают большим потенциалом глобального потепления; и может начать сводить на нет преимущества для климата, полученные в результате быстрого сокращения ХФУ и ГХФУ в последние десятилетия.

Если мы хотим сохранить климатические преимущества Монреальского протокола, в ближайшие годы большое значение будут иметь дополнительные выбросы и потенциальные заменители продуктов с ХФУ.

Литература¶