Озоновый слой или озоновый щит — это область стратосферы Земли , которая поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца . Он содержит высокую концентрацию озона (О 3 ) по сравнению с другими частями атмосферы, хотя и небольшую по сравнению с другими газами стратосферы. Озоновый слой содержит менее 10 частей на миллион озона, тогда как средняя концентрация озона в атмосфере Земли в целом составляет около 0,3 частей на миллион. Озоновый слой в основном находится в нижней части стратосферы, примерно на высоте от 15 до 35 километров (от 9 до 22 миль) над Землей, хотя его толщина варьируется в зависимости от сезона и географически. [1]
Озоновый слой был открыт в 1913 году французскими физиками Шарлем Фабри и Анри Бюиссоном . Измерения Солнца показали, что излучение, исходящее с его поверхности и достигающее Земли на Земле, обычно соответствует спектру черного тела с температурой в диапазоне 5500–6000 К (5230–5730 °C), за исключением того, что не было излучения с длиной волны ниже 310 нм на ультрафиолетовом конце спектра. Был сделан вывод, что недостающее излучение поглощалось чем-то в атмосфере. В конце концов спектр пропавшего излучения был сопоставлен только с одним известным химическим веществом — озоном. [2] Его свойства были подробно исследованы британским метеорологом Дж. М.Б. Добсоном , который разработал простой спектрофотометр ( Добсонметр ), который можно было использовать для измерения стратосферного озона с земли. Между 1928 и 1958 годами Добсон создал всемирную сеть станций мониторинга озона, которые продолжают работать по сей день. В его честь названа « единица Добсона », удобная мера количества озона .
Озоновый слой поглощает от 97 до 99 процентов среднечастотного ультрафиолетового света Солнца ( длина волны примерно от 200 до 315 нм ), что в противном случае потенциально могло бы повредить открытые формы жизни вблизи поверхности. [3]
В 1976 году исследования атмосферы показали, что озоновый слой разрушается химическими веществами, выделяемыми промышленностью, в основном хлорфторуглеродами (ХФУ). Обеспокоенность тем, что увеличение УФ-излучения из-за истощения озонового слоя угрожает жизни на Земле, включая рост рака кожи у людей и другие экологические проблемы, [4] привело к запрету на химические вещества, а последние данные свидетельствуют о том, что разрушение озонового слоя замедлилось или прекратилось. Генеральная Ассамблея ООН провозгласила 16 сентября Международным днем охраны озонового слоя .
Венера также имеет тонкий озоновый слой на высоте 100 километров над поверхностью планеты. [5]
Фотохимические механизмы, которые приводят к образованию озонового слоя, были открыты британским физиком Сиднеем Чепменом в 1930 году. Озон в стратосфере Земли создается ультрафиолетовым светом, поражающим обычные молекулы кислорода , содержащие два атома кислорода (O 2 ), расщепляющим их на отдельные атомы кислорода. ( атомарный кислород ); атомарный кислород затем соединяется с неразрушенным O 2 с образованием озона O 3 . Молекула озона нестабильна (хотя в стратосфере долгоживущая), и когда ультрафиолетовый свет попадает на озон, он распадается на молекулу О 2 и отдельный атом кислорода — непрерывный процесс, называемый озоно-кислородным циклом . Химически это можно описать так:
Около 90 процентов озона в атмосфере содержится в стратосфере. Концентрации озона самые высокие на высоте от 20 до 40 километров (от 66 000 до 131 000 футов), где они колеблются от 2 до 8 частей на миллион. Если бы весь озон был сжат до давления воздуха на уровне моря, его толщина была бы всего 3 миллиметра ( 1/8 дюйма ). [6]
Хотя концентрация озона в озоновом слое очень мала, он жизненно важен для жизни, поскольку поглощает биологически вредное ультрафиолетовое (УФ) излучение, исходящее от Солнца. Чрезвычайно короткое или вакуумное УФ (10–100 нм) экранируется азотом. УФ-излучение, способное проникать в азот, делится на три категории в зависимости от длины волны; они называются УФ-А (400–315 нм), УФ-В (315–280 нм) и УФ-С (280–100 нм).
УФ-С, который очень вреден для всех живых существ, полностью экранируется сочетанием дикислорода (<200 нм) и озона (> около 200 нм) на высоте около 35 километров (115 000 футов). УФ-В-излучение может быть вредным для кожи и является основной причиной солнечных ожогов ; чрезмерное воздействие также может вызвать катаракту, подавление иммунной системы и генетические повреждения, что приводит к таким проблемам, как рак кожи . Озоновый слой (который поглощает длину волны примерно от 200 до 310 нм с максимальным поглощением примерно при 250 нм) [7] очень эффективно экранирует УФ-В; для излучения с длиной волны 290 нм интенсивность в верхних слоях атмосферы в 350 миллионов раз сильнее, чем на поверхности Земли. Тем не менее, некоторая часть УФ-В, особенно на самых длинных волнах, достигает поверхности и важна для выработки кожей витамина D у млекопитающих .
Озон прозрачен для большинства УФ-А, поэтому большая часть этого длинноволнового УФ-излучения достигает поверхности и составляет большую часть УФ-излучения, достигающего Земли. Этот тип УФ-излучения значительно менее вреден для ДНК , хотя потенциально может вызвать физические повреждения, преждевременное старение кожи, косвенные генетические повреждения и рак кожи. [8]
Толщина озонового слоя варьируется по всему миру и обычно тоньше вблизи экватора и толще возле полюсов. [9] Толщина означает, сколько озона находится в столбе на определенной территории, и варьируется от сезона к сезону. Причины этих изменений связаны с характером атмосферной циркуляции и интенсивностью солнечной активности. [10]
Большая часть озона производится в тропиках и переносится к полюсам стратосферными ветрами. В северном полушарии эти закономерности, известные как циркуляция Брюэра-Добсона , делают озоновый слой самым толстым весной и самым тонким осенью. [9] Когда озон образуется под действием солнечного УФ-излучения в тропиках, это происходит за счет циркуляции, поднимающей бедный озоном воздух из тропосферы в стратосферу, где солнце фотолизует молекулы кислорода и превращает их в озон. Затем богатый озоном воздух переносится в более высокие широты и опускается в нижние слои атмосферы. [9]
Исследования показали, что уровень озона в Соединенных Штатах самый высокий в весенние месяцы в апреле и мае и самый низкий в октябре. Хотя общее количество озона увеличивается при перемещении от тропиков к более высоким широтам, его концентрации выше в высоких северных широтах, чем в высоких южных широтах, причем весенние столбы озона в высоких северных широтах иногда превышают 600 е.Д. и составляют в среднем 450 е.Д., тогда как 400 е.Д. составляют обычный максимум в Антарктике перед антропогенным истощением озона. Эта разница возникла естественным образом из-за более слабого полярного вихря и более сильной циркуляции Брюэра-Добсона в северном полушарии из-за больших горных хребтов этого полушария и большего контраста между температурами суши и океана. [11] Разница между высокими северными и южными широтами увеличилась с 1970-х годов из-за явления озоновой дыры . [9] Наибольшее количество озона наблюдается над Арктикой в весенние месяцы, март и апрель, но наименьшее количество озона в Антарктике наблюдается в летние месяцы, сентябрь и октябрь.
Озоновый слой может быть истощен свободнорадикальными катализаторами , включая оксид азота (NO), закись азота (N 2 O), гидроксил (OH), атомарный хлор (Cl) и атомарный бром (Br). Хотя для всех этих видов существуют естественные источники , концентрации хлора и брома заметно возросли в последние десятилетия из-за выброса большого количества искусственных галогенорганических соединений, особенно хлорфторуглеродов (ХФУ) и бромфторуглеродов . [12] Эти высокостабильные соединения способны пережить подъем в стратосферу , где радикалы Cl и Br высвобождаются под действием ультрафиолетового света. Тогда каждый радикал может инициировать и катализировать цепную реакцию, способную разрушить более 100 000 молекул озона. К 2009 году закись азота стала крупнейшим озоноразрушающим веществом (ОРВ), выбрасываемым в результате деятельности человека. [13]
Распад озона в стратосфере приводит к уменьшению поглощения ультрафиолетового излучения. Следовательно, непоглощенное и опасное ультрафиолетовое излучение способно достигать поверхности Земли с более высокой интенсивностью. Уровень озона снизился в среднем по всему миру примерно на 4 процента с конца 1970-х годов. Примерно на 5 процентах поверхности Земли, вокруг северного и южного полюсов, наблюдаются гораздо более значительные сезонные спады, которые описываются как «озоновые дыры». «Озоновые дыры» на самом деле представляют собой участки озонового слоя, в которых озон тоньше. Самые тонкие части озона находятся в полярных точках земной оси . [14] Об открытии ежегодного истощения озона над Антарктикой впервые объявили Джо Фарман , Брайан Гардинер и Джонатан Шанклин в статье, появившейся в журнале Nature 16 мая 1985 года.
Попытки регулирования включали, помимо прочего, Закон о чистом воздухе , принятый Агентством по охране окружающей среды США . Закон о чистом воздухе ввел требования Национальных стандартов качества окружающего воздуха (NAAQS), при этом загрязнение озоном является одним из шести критериев загрязнения воздуха. Это регулирование оказалось эффективным, поскольку округа, города и племенные регионы должны соблюдать эти стандарты, а Агентство по охране окружающей среды также оказывает помощь каждому региону в регулировании загрязняющих веществ. [15] Эффективное представление информации также оказалось важным для информирования населения в целом о существовании и регулировании разрушения озона и загрязняющих веществ. Шелдон Унгар написал научную статью, в которой автор исследует и изучает информацию об истощении озонового слоя, изменении климата и различных смежных темах. Случай с озоном был доведен до сведения непрофессионалов «с помощью простых для понимания связующих метафор, заимствованных из популярной культуры» и связанных с «непосредственными рисками, имеющими повседневную актуальность». [16] Конкретные метафоры, использованные в дискуссии (озоновый щит, озоновая дыра), оказались весьма полезными, и, по сравнению с глобальным изменением климата, проблема озона в гораздо большей степени рассматривалась как «горячая проблема» и неизбежный риск. Миряне с осторожностью относились к истощению озонового слоя и риску рака кожи.
«Плохой» озон может вызывать неблагоприятные последствия для здоровья, респираторные последствия (затруднение дыхания) и, как доказано, является усугубляющим фактором респираторных заболеваний, таких как астма , ХОБЛ и эмфизема . [17] Вот почему многие страны ввели правила для улучшения «хорошего» озона и предотвращения увеличения «плохого» озона в городских или жилых районах. Что касается защиты озона (сохранения «хорошего» озона), Европейский Союз имеет строгие правила относительно того, какие продукты разрешено покупать, распространять или использовать в определенных областях. [18] Ожидается, что при эффективном регулировании озон со временем восстановится. [19]
В 1978 году США, Канада и Норвегия ввели запрет на аэрозольные баллончики , содержащие ХФУ , которые повреждают озоновый слой. Европейское сообщество отклонило аналогичное предложение сделать то же самое. В США хлорфторуглероды продолжали использоваться в других целях, таких как охлаждение и промышленная очистка, вплоть до открытия антарктической озоновой дыры в 1985 году. После заключения международного договора (Монреальского протокола ) производство ХФУ было ограничено на уровне 1986 года. уровни с обязательствами по долгосрочным сокращениям. [20] Это позволило осуществить поэтапное внедрение в течение десяти лет для развивающихся стран [21] (указанных в статье 5 протокола). С этого времени в договор были внесены поправки, запрещающие производство ХФУ после 1995 года в развитых странах, а затем и в развивающихся странах. [22] Сегодня договор подписали все из 197 стран мира. Начиная с 1 января 1996 года, в развитых странах, таких как США, для использования были доступны только переработанные и складированные ХФУ. Этот поэтапный отказ от производства стал возможен благодаря усилиям по обеспечению наличия химических веществ и технологий-заменителей для всех видов использования ОРВ. [23]
2 августа 2003 года ученые заявили, что глобальное разрушение озонового слоя может замедляться из-за международного регулирования использования озоноразрушающих веществ. В исследовании, организованном Американским геофизическим союзом , три спутника и три наземные станции подтвердили, что скорость разрушения озона в верхних слоях атмосферы значительно замедлилась за предыдущее десятилетие. Можно ожидать, что некоторые нарушения будут продолжаться из-за ОРВ, используемых странами, которые не запретили их, а также из-за газов, которые уже находятся в стратосфере. Некоторые ОРВ, включая ХФУ, имеют очень длительный срок жизни в атмосфере – от 50 до более 100 лет. Было подсчитано, что озоновый слой восстановится до уровня 1980 года ближе к середине 21 века. [24] В 2016 году сообщалось о постепенной тенденции к «исцелению». [25]
Соединения, содержащие связи C–H (такие как гидрохлорфторуглероды или ГХФУ), были разработаны для замены ХФУ в определенных применениях. Эти замещающие соединения более реакционноспособны и с меньшей вероятностью выживут в атмосфере достаточно долго, чтобы достичь стратосферы, где они могут повлиять на озоновый слой. Будучи менее вредными, чем ХФУ, ГХФУ могут оказывать негативное воздействие на озоновый слой, поэтому их использование также постепенно прекращается. [26] Они, в свою очередь, заменяются гидрофторуглеродами (ГФУ) и другими соединениями, которые вообще не разрушают стратосферный озон.
Остаточные эффекты накопления ХФУ в атмосфере приводят к градиенту концентрации между атмосферой и океаном. Это галогенорганическое соединение способно растворяться в поверхностных водах океана и действовать как зависящий от времени индикатор . Этот индикатор помогает ученым изучать циркуляцию океана, отслеживая биологические, физические и химические пути. [27]
Поскольку озон в атмосфере препятствует проникновению большей части энергичного ультрафиолетового излучения на поверхность Земли, астрономические данные в этих длинах волн приходится собирать со спутников, вращающихся по орбите над атмосферой и озоновым слоем. Большая часть света молодых горячих звезд находится в ультрафиолетовом диапазоне, поэтому изучение этих длин волн важно для изучения происхождения галактик. Galaxy Evolution Explorer, GALEX , — это орбитальный ультрафиолетовый космический телескоп, запущенный 28 апреля 2003 года и работавший до начала 2012 года. [28]
