Истощение озонового слоя состоит из двух связанных событий, наблюдаемых с конца 1970-х годов: устойчивое снижение примерно на четыре процента общего количества озона в атмосфере Земли и гораздо большее весеннее уменьшение стратосферного озона ( озонового слоя ) вокруг полярных регионов Земли. [1] Последнее явление называется озоновой дырой. В дополнение к этим стратосферным событиям существуют также весенние события истощения полярного тропосферного озона .
Основными причинами истощения озонового слоя и озоновой дыры являются промышленные химикаты, особенно промышленные хладагенты на основе галоидоуглеродов , растворители , пропелленты и пенообразователи ( хлорфторуглероды ( ХФУ), ГХФУ, галоны ), называемые озоноразрушающими веществами (ОРВ). [2] Эти соединения переносятся в стратосферу турбулентным перемешиванием после выброса с поверхности, перемешиваясь гораздо быстрее, чем молекулы могут осесть. [3] Попав в стратосферу, они высвобождают атомы из группы галогенов посредством фотодиссоциации , которая катализирует распад озона (O 3 ) на кислород (O 2 ). [4] Оба типа истощения озона, как было замечено, увеличиваются по мере увеличения выбросов галоидоуглеродов.
Истощение озонового слоя и озоновая дыра вызвали всемирную обеспокоенность по поводу возросшего риска рака и других негативных последствий. Озоновый слой препятствует прохождению вредных длин волн ультрафиолетового (UVB) света через атмосферу Земли . Эти длины волн вызывают рак кожи , солнечные ожоги , постоянную слепоту и катаракту , [5] которые, как прогнозировалось, резко возрастут в результате истончения озонового слоя, а также нанесут вред растениям и животным. Эти опасения привели к принятию Монреальского протокола в 1987 году, который запрещает производство ХФУ, галонов и других химикатов, разрушающих озоновый слой. [6] В настоящее время [ когда? ] ученые планируют разработать новые хладагенты для замены старых. [7]
Запрет вступил в силу в 1989 году. Уровень озона стабилизировался к середине 1990-х годов и начал восстанавливаться в 2000-х годах, поскольку смещение струйного течения в южном полушарии к южному полюсу прекратилось и, возможно, даже обратилось вспять. [8] Прогнозировалось, что восстановление продолжится в течение следующего столетия, и ожидается, что озоновая дыра достигнет уровня до 1980 года примерно к 2075 году. [9] В 2019 году НАСА сообщило, что озоновая дыра была наименьшей с момента ее первого обнаружения в 1982 году. [10] [11] Теперь ООН прогнозирует, что при нынешних правилах озоновый слой полностью восстановится к 2045 году [12] [13] . Монреальский протокол считается самым успешным международным экологическим соглашением на сегодняшний день. [14] [15]
В озоно-кислородном цикле участвуют три формы (или аллотропы ) кислорода : атомы кислорода (O или атомарный кислород), газообразный кислород ( O
2или двухатомный кислород) и озоновый газ ( O
3или трехатомный кислород). [16] Озон образуется в стратосфере, когда молекулы кислорода фотодиссоциируют после поглощения фотонов UVC. Это преобразует один O
2в два атомарных радикала кислорода . Затем атомарные радикалы кислорода объединяются с отдельными O
2молекулы для создания двух O
3молекулы. Эти молекулы озона поглощают ультрафиолетовый свет, после чего озон распадается на молекулу O
2и атом кислорода. Затем атом кислорода соединяется с молекулой кислорода, чтобы регенерировать озон. Это непрерывный процесс, который заканчивается, когда атом кислорода рекомбинирует с молекулой озона, чтобы образовать два O
2молекулы. Стоит отметить, что озон — единственный атмосферный газ, поглощающий ультрафиолетовый свет.
Общее количество озона в стратосфере определяется балансом между фотохимическим производством и рекомбинацией.
Озон может быть разрушен рядом катализаторов свободных радикалов ; наиболее важными являются гидроксильный радикал (OH·), радикал оксида азота (NO·), радикал хлора (Cl·) и радикал брома (Br·). Точка — это обозначение, указывающее на то, что каждый вид имеет неспаренный электрон и, таким образом, чрезвычайно реактивен. Все они имеют как естественные, так и искусственные источники; в настоящее время большая часть OH· и NO· в стратосфере встречается в природе, но деятельность человека резко увеличила уровни хлора и брома. [17] Эти элементы находятся в стабильных органических соединениях, особенно хлорфторуглеродах , которые могут перемещаться в стратосферу, не разрушаясь в тропосфере из-за их низкой реакционной способности. Попав в стратосферу, атомы Cl и Br высвобождаются из исходных соединений под действием ультрафиолетового света, например
Озон — это высокореактивная молекула, которая легко восстанавливается до более стабильной формы кислорода с помощью катализатора. Атомы Cl и Br разрушают молекулы озона посредством различных каталитических циклов. В простейшем примере такого цикла [18] атом хлора реагирует с молекулой озона ( O
3), принимая атом кислорода для образования оксида хлора (ClO) и оставляя молекулу кислорода ( O
2). ClO может реагировать со второй молекулой озона, высвобождая атом хлора и давая две молекулы кислорода. Химическое сокращение для этих газофазных реакций:
Общим эффектом является уменьшение количества озона, хотя скорость этих процессов может быть снижена эффектами нулевых циклов . Также были обнаружены более сложные механизмы, которые приводят к разрушению озона в нижней стратосфере.
Один атом хлора будет непрерывно разрушать озон (таким образом, являясь катализатором) в течение двух лет (временной масштаб для обратного переноса в тропосферу), если не считать реакций, которые выводят его из этого цикла путем образования резервуарных видов, таких как хлористый водород (HCl) и нитрат хлора ( ClONO
2). Бром даже более эффективен, чем хлор, в разрушении озона на атомной основе, но в настоящее время в атмосфере гораздо меньше брома. И хлор, и бром вносят значительный вклад в общее истощение озона. Лабораторные исследования также показали, что атомы фтора и йода участвуют в аналогичных каталитических циклах. Однако атомы фтора быстро реагируют с водяным паром, метаном и водородом, образуя прочно связанный фтористый водород (HF) в стратосфере Земли, [19] в то время как органические молекулы, содержащие йод, реагируют так быстро в нижних слоях атмосферы, что они не достигают стратосферы в значительных количествах. [20]
Один атом хлора способен реагировать в среднем со 100 000 молекул озона, прежде чем он будет удален из каталитического цикла. Этот факт, а также количество хлора, ежегодно выбрасываемого в атмосферу хлорфторуглеродами (ХФУ) и гидрохлорфторуглеродами (ГХФУ), демонстрируют опасность ХФУ и ГХФУ для окружающей среды. [21] [22]
Озоновая дыра обычно измеряется по уменьшению общего столба озона над точкой на поверхности Земли. Обычно это выражается в единицах Добсона ; сокращенно «DU». Наиболее заметное уменьшение озона произошло в нижней стратосфере. Заметное уменьшение столба озона весной и в начале лета в Антарктике по сравнению с началом 1970-х годов и ранее было отмечено с помощью таких инструментов, как спектрометр для картирования общего озона (TOMS). [23]
Сокращение до 70 процентов в столбе озона, наблюдаемое в австральную (южное полушарие) весну над Антарктидой и впервые зарегистрированное в 1985 году (Фарман и др.), продолжается. Общий столб озона в Антарктике в сентябре и октябре продолжал быть на 40–50 процентов ниже значений до озоновой дыры с 1990-х годов. [1] Постепенная тенденция к «исцелению» была зарегистрирована в 2016 году. [24] В 2017 году НАСА объявило, что озоновая дыра была самой слабой с 1988 года из-за теплых стратосферных условий. Ожидается, что она восстановится около 2070 года. [25]
Количество потерянного льда более изменчиво из года в год в Арктике, чем в Антарктике. Наибольшее падение уровня в Арктике происходит зимой и весной, достигая 30 процентов, когда стратосфера наиболее холодная. [26]
Реакции, происходящие в полярных стратосферных облаках (PSC), играют важную роль в усилении истощения озонового слоя. [27] PSCs образуются легче в экстремально холодной арктической и антарктической стратосфере. Вот почему озоновые дыры впервые образовались и стали глубже над Антарктидой. Ранние модели не учитывали PSCs и предсказывали постепенное глобальное истощение, поэтому внезапная антарктическая озоновая дыра стала таким сюрпризом для многих ученых. [28] [29] [30]
Точнее говорить об истощении озонового слоя в средних широтах, а не о дырах. Общее содержание озона в столбе снизилось ниже значений до 1980 года в период с 1980 по 1996 год для средних широт. В северных средних широтах оно затем увеличилось с минимального значения примерно на два процента с 1996 по 2009 год, поскольку вступили в силу правила, и количество хлора в стратосфере уменьшилось. В средних широтах Южного полушария общее содержание озона оставалось постоянным в течение этого периода времени. В тропиках нет существенных тенденций, в основном потому, что галогенсодержащие соединения не успели распасться и высвободить атомы хлора и брома в тропических широтах. [1] [31]
Было показано, что крупные вулканические извержения оказывают существенное, хотя и неравномерное, воздействие на истощение озонового слоя, как это наблюдалось в 1991 году при извержении вулкана Пинатубо на Филиппинах. [32]
Истощение озонового слоя также объясняет большую часть наблюдаемого снижения температур в стратосфере и верхней тропосфере. [33] [34] Источником тепла в стратосфере является поглощение УФ-излучения озоном, следовательно, уменьшение озона приводит к охлаждению. Некоторое охлаждение стратосферы также предсказывается из-за увеличения парниковых газов, таких как CO2и сами ХФУ; однако охлаждение, вызванное озоном, по-видимому, является доминирующим. [35]
Прогнозы уровней озона остаются сложными, но точность прогнозов моделей наблюдаемых значений и согласованность между различными методами моделирования неуклонно растут. [1] Проект Всемирной метеорологической организации по исследованию и мониторингу глобального озона — Отчет № 44 решительно поддерживает Монреальский протокол , но отмечает, что оценка ЮНЕП 1994 года переоценила потерю озона за период 1994–1997 годов. [36]
Хлорфторуглероды (ХФУ) и другие галогенированные озоноразрушающие вещества (ОРВ) в основном ответственны за химическое разрушение озона, вызванное деятельностью человека. Общее количество эффективных галогенов (хлора и брома) в стратосфере может быть рассчитано и известно как эквивалентный эффективный стратосферный хлор (EESC). [37]
ХФУ в качестве хладагентов были изобретены Томасом Миджли-младшим в 1930-х годах. [38] Они использовались в кондиционерах и охладительных установках, в качестве пропеллентов для аэрозольных распылителей до 1970-х годов и в процессах очистки чувствительного электронного оборудования. Они также встречаются как побочные продукты некоторых химических процессов. Для этих соединений не было выявлено никаких существенных природных источников — их присутствие в атмосфере почти полностью обусловлено человеческим производством. Как упоминалось выше, когда такие озоноразрушающие химикаты достигают стратосферы, они диссоциируют под действием ультрафиолетового света, высвобождая атомы хлора. Атомы хлора действуют как катализатор , и каждый из них может расщепить десятки тысяч молекул озона, прежде чем будет удален из стратосферы. Учитывая долговечность молекул ХФУ, время восстановления измеряется десятилетиями. Подсчитано, что молекуле ХФУ требуется в среднем около пяти-семи лет, чтобы подняться от уровня земли до верхних слоев атмосферы, и она может оставаться там около столетия, уничтожая за это время до ста тысяч молекул озона. [39] [ необходима проверка ]
1,1,1-Трихлор-2,2,2-трифторэтан , также известный как CFC-113a, является одним из четырех искусственных химикатов, недавно обнаруженных в атмосфере группой ученых из Университета Восточной Англии. CFC-113a является единственным известным CFC, чье содержание в атмосфере все еще растет. Его источник остается загадкой, но некоторые подозревают незаконное производство. CFC-113a, по-видимому, накапливался непрерывно с 1960 года. В период с 2012 по 2017 год концентрация газа подскочила на 40 процентов. [40]
Исследование международной группы исследователей, опубликованное в журнале Nature, показало, что с 2013 года выбросы, которые в основном происходят из северо-восточного Китая, привели к выбросу в атмосферу большого количества запрещенного химического вещества хлорфторуглерода-11 (CFC-11). Ученые подсчитали, что без принятия мер эти выбросы CFC-11 задержат восстановление озоновой дыры планеты на десятилетие. [41] [42] [43]
Спутники, сгорающие при входе в атмосферу Земли, производят наночастицы оксида алюминия (Al 2 O 3 ) , которые сохраняются в атмосфере в течение десятилетий. [44] Оценки только на 2022 год составили ~17 метрических тонн (~30 кг наночастиц на спутник весом ~250 кг). [44] Увеличение численности спутниковых созвездий может в конечном итоге привести к значительному истощению озонового слоя. [44]
Ученые приписали истощение озонового слоя увеличению количества искусственных (антропогенных) галогенных соединений из ХФУ, объединив данные наблюдений с компьютерными моделями. Эти сложные модели переноса химии (например, SLIMCAT , CLaMS — химическая лагранжева модель стратосферы) работают, объединяя измерения химических веществ и метеорологических полей с константами скорости химических реакций. Они определяют ключевые химические реакции и процессы переноса, которые приводят продукты фотолиза ХФУ в контакт с озоном.
Антарктическая озоновая дыра — это область антарктической стратосферы, в которой недавние уровни озона упали до 33 процентов от значений до 1975 года. [46] Озоновая дыра возникает во время антарктической весны, с сентября по начало декабря, когда сильные западные ветры начинают циркулировать вокруг континента и создавать атмосферный контейнер. В этом полярном вихре более 50 процентов нижнего стратосферного озона разрушается во время антарктической весны. [47]
Как объяснялось выше, основной причиной истощения озонового слоя является наличие исходных газов, содержащих хлор (в первую очередь ХФУ и родственные им галогенуглероды). В присутствии ультрафиолетового света эти газы диссоциируют, высвобождая атомы хлора, которые затем продолжают катализировать разрушение озона. Катализируемое Cl разрушение озона может происходить в газовой фазе, но оно существенно усиливается в присутствии полярных стратосферных облаков (PSCs). [48]
Эти полярные стратосферные облака формируются зимой, в экстремально холодные дни. Полярные зимы темные, состоящие из трех месяцев без солнечной радиации (солнечного света). Недостаток солнечного света способствует снижению температуры, а полярный вихрь захватывает и охлаждает воздух. Температура составляет около или ниже −80 °C. Эти низкие температуры формируют облачные частицы. Существует три типа облаков PSC — облака тригидрата азотной кислоты, медленно остывающие облака из водяного льда и быстро остывающие облака из водяного льда (перламутровые) — предоставляют поверхности для химических реакций, продукты которых весной приведут к разрушению озона. [49]
Фотохимические процессы , в которых они участвуют, сложны, но хорошо понятны. Ключевое наблюдение заключается в том, что обычно большая часть хлора в стратосфере находится в «резервуарных» соединениях, в первую очередь в нитрате хлора ( ClONO
2) а также стабильные конечные продукты, такие как HCl. Образование конечных продуктов по существу удаляет Cl из процесса истощения озонового слоя. Резервуарные соединения изолируют Cl, который впоследствии может быть доступен посредством поглощения света на длинах волн короче 400 нм. [50] Во время антарктической зимы и весны реакции на поверхности частиц полярных стратосферных облаков превращают эти «резервуарные» соединения в реактивные свободные радикалы (Cl и ClO). Денитрификация — это процесс, посредством которого облака удаляют NO
2из стратосферы, преобразуя его в азотную кислоту в частицах PSC, которые затем теряются при седиментации. Это предотвращает преобразование вновь образованного ClO обратно в ClONO
2.
Роль солнечного света в истощении озонового слоя является причиной того, что истощение озонового слоя Антарктиды больше всего весной. Зимой, несмотря на то, что PSCs наиболее распространены, над полюсом нет света, который мог бы управлять химическими реакциями. Однако весной солнечный свет возвращается и обеспечивает энергию для управления фотохимическими реакциями и плавления полярных стратосферных облаков, высвобождая значительное количество ClO, что приводит в действие механизм дыры. Дальнейшее повышение температур ближе к концу весны разрушает вихрь около середины декабря. По мере того, как тепло, озон и NO
2-богатый воздух поступает из более низких широт, PSC разрушаются, усиленный процесс истощения озонового слоя прекращается, и озоновая дыра закрывается. [51]
Большая часть разрушающегося озона находится в нижней стратосфере, в отличие от гораздо меньшего истощения озона посредством гомогенных газофазных реакций, которое происходит в основном в верхней стратосфере. [52]
Поскольку озоновый слой поглощает ультрафиолетовый свет UVB от солнца, истощение озонового слоя увеличивает уровни поверхностного UVB (при прочих равных условиях), что может привести к повреждению, включая увеличение рака кожи . Это было причиной Монреальского протокола. Хотя уменьшение стратосферного озона хорошо связано с ХФУ и увеличением поверхностного UVB, нет прямых наблюдательных доказательств, связывающих истощение озонового слоя с более высокой частотой рака кожи и повреждения глаз у людей. Это отчасти потому, что UVA , который также был причастен к некоторым формам рака кожи, не поглощается озоном, и потому, что практически невозможно контролировать статистику изменений образа жизни с течением времени. Истощение озонового слоя также может влиять на характер ветра. [53]
Озон, хотя и является второстепенным компонентом в атмосфере Земли, отвечает за большую часть поглощения УФ-излучения. Количество УФ-излучения, проникающего через озоновый слой, уменьшается экспоненциально с толщиной наклонной траектории и плотностью слоя. [54] Когда уровни стратосферного озона уменьшаются, более высокие уровни УФ-излучения достигают поверхности Земли. [1] [55] Фенольное образование в кольцах деревьев под воздействием УФ-излучения датирует начало истощения озонового слоя в северных широтах концом 1700-х годов. [56]
В октябре 2008 года Эквадорское космическое агентство опубликовало отчет под названием HIPERION. В исследовании использовались наземные приборы в Эквадоре и данные за последние 28 лет с 12 спутников нескольких стран, и было обнаружено, что УФ-излучение, достигающее экваториальных широт, было намного больше, чем ожидалось, при этом УФ-индекс поднялся до 24 в Кито ; ВОЗ считает 11 экстремальным индексом и большим риском для здоровья. В отчете сделан вывод о том, что истощенные уровни озона вокруг средних широт планеты уже подвергают опасности большие популяции в этих областях. [57] Позже CONIDA, Перуанское космическое агентство, опубликовало собственное исследование, которое дало почти те же результаты, что и эквадорское исследование.
Главной общественной обеспокоенностью относительно озоновой дыры было влияние повышенного поверхностного УФ-излучения на здоровье человека. До сих пор истощение озонового слоя в большинстве мест составляло, как правило, несколько процентов, и, как отмечалось выше, прямых доказательств ущерба для здоровья в большинстве широт не имеется. Если бы высокие уровни истощения, наблюдаемые в озоновой дыре, были бы распространены по всему миру, последствия могли бы быть существенно более драматичными. Поскольку озоновая дыра над Антарктидой в некоторых случаях стала настолько большой, что затронула части Австралии , Новой Зеландии , Чили , Аргентины и Южной Африки , экологи были обеспокоены тем, что увеличение поверхностного УФ-излучения может быть значительным. [58] Избыточное ультрафиолетовое излучение (УФ) оказывает снижающее воздействие на скорость фотосинтеза и рост бентосных диатомовых сообществ (виды микроводорослей, которые повышают качество воды и устойчивы к загрязнению), которые присутствуют в мелководных пресных водах. [59] Истощение озонового слоя не только влияет на здоровье человека, но и оказывает глубокое воздействие на биоразнообразие. Он наносит вред растениям и деревьям на клеточном уровне, влияя на их рост, жизнеспособность, фотосинтез, водный баланс и защитные механизмы от вредителей и болезней. Это запускает каскад экологических воздействий, нанося вред почвенным микробам, насекомым, диким животным и целым экосистемам. [60]
Истощение озонового слоя усилит все эффекты УФ на здоровье человека , как положительные (включая выработку витамина D), так и отрицательные (включая солнечные ожоги, рак кожи и катаракту). Кроме того, увеличение поверхностного УФ приводит к увеличению тропосферного озона, что представляет риск для здоровья человека. [61]
Наиболее распространенные формы рака кожи у людей, базальноклеточная и плоскоклеточная карцинома, тесно связаны с воздействием УФ-В. Механизм, посредством которого УФ-В вызывает эти виды рака, хорошо изучен — поглощение УФ-В-излучения заставляет пиримидиновые основания в молекуле ДНК образовывать димеры , что приводит к ошибкам транскрипции при репликации ДНК. Эти виды рака относительно легкие и редко приводят к летальному исходу, хотя лечение плоскоклеточной карциномы иногда требует обширной реконструктивной хирургии. Объединив эпидемиологические данные с результатами исследований на животных, ученые подсчитали, что каждое снижение долгосрочного стратосферного озона на один процент увеличит заболеваемость этими видами рака на 2%. [62]
Другая форма рака кожи, злокачественная меланома , встречается гораздо реже, но гораздо более опасна, будучи смертельной примерно в 15–20 процентах диагностированных случаев. Связь между злокачественной меланомой и воздействием ультрафиолета еще не полностью изучена, но, по-видимому, задействованы как УФ-B, так и УФ-A. Из-за этой неопределенности трудно оценить влияние истощения озонового слоя на заболеваемость меланомой. Одно исследование показало, что 10-процентное увеличение УФ-B-излучения было связано с 19-процентным увеличением меланомы у мужчин и 16-процентным у женщин. [63] Исследование людей в Пунта-Аренас , на южной оконечности Чили , показало 56-процентное увеличение меланомы и 46-процентное увеличение немеланомного рака кожи в течение семи лет, наряду с уменьшением озона и увеличением уровней УФ-B. [64]
Эпидемиологические исследования предполагают связь между катарактой коры глаза и воздействием УФ-В, используя грубые приближения воздействия и различные методы оценки катаракты. Подробная оценка воздействия УФ-В на глаза была проведена в исследовании на рыбаках Чесапикского залива, где увеличение среднегодового воздействия на глаза было связано с увеличением риска помутнения коры. [65] В этой сильно подверженной воздействию группе преимущественно белых мужчин доказательства, связывающие помутнение коры с воздействием солнечного света, были самыми сильными на сегодняшний день. Основываясь на этих результатах, прогнозируется, что истощение озонового слоя вызовет сотни тысяч дополнительных катаракт к 2050 году. [66]
Увеличение поверхностного УФ-излучения приводит к увеличению тропосферного озона. Приземный озон, как правило, считается опасным для здоровья, поскольку озон токсичен из-за своих сильных окислительных свойств. Риски особенно высоки для маленьких детей, пожилых людей и людей с астмой или другими респираторными проблемами. В настоящее время озон на уровне земли производится в основном за счет воздействия УФ-излучения на газы сгорания выхлопных газов транспортных средств. [67]
Витамин D вырабатывается в коже под воздействием ультрафиолетового света. Таким образом, более высокое воздействие УФ-В повышает уровень витамина D у людей с его дефицитом. [68] Недавние исследования (в основном после Монреальского протокола) показывают, что у многих людей уровень витамина D ниже оптимального. В частности, среди населения США было обнаружено, что самая низкая четверть витамина D (<17,8 нг/мл) с использованием информации Национального обследования здоровья и питания связана с ростом смертности от всех причин среди населения в целом. [69] Хотя уровень витамина D в крови свыше 100 нг/мл, по-видимому, чрезмерно повышает уровень кальция в крови и связан с более высокой смертностью, в организме есть механизмы, которые не позволяют солнечному свету вырабатывать витамин D сверх потребностей организма. [70]
В докладе, опубликованном в ноябре 2011 года учеными из Института зоологии в Лондоне, Англия, было обнаружено, что киты у берегов Калифорнии продемонстрировали резкое увеличение повреждений от солнца, и эти ученые «опасаются, что виноват истончение озонового слоя». [71] В ходе исследования были сфотографированы и взяты биопсии кожи у более чем 150 китов в Калифорнийском заливе и обнаружено «широко распространенное свидетельство повреждения эпидермиса, обычно связанного с острыми и тяжелыми солнечными ожогами», с клетками, которые образуются, когда ДНК повреждается УФ-излучением. Результаты показывают, что «повышение уровня УФ-излучения в результате истощения озонового слоя является причиной наблюдаемого повреждения кожи, так же, как в последние десятилетия растет заболеваемость раком кожи у людей». [72] Помимо китов, многие другие животные, такие как собаки, кошки, овцы и наземные экосистемы, также страдают от негативных последствий увеличения УФ-В-излучения. [73]
Увеличение УФ-излучения, как ожидается, повлияет на урожай. Ряд экономически важных видов растений, таких как рис , зависят от цианобактерий, находящихся на их корнях, для удержания азота . Цианобактерии чувствительны к УФ-излучению и могут пострадать от его увеличения. [74] «Несмотря на механизмы снижения или устранения эффектов повышенного ультрафиолетового излучения, растения имеют ограниченную способность адаптироваться к повышенным уровням УФ-В, поэтому рост растений может напрямую зависеть от УФ-В-излучения». [75]
За эти годы арктический озоновый слой сильно истощился. В результате виды, которые живут выше снежного покрова или в районах, где снег обильно тает из-за высоких температур, подвергаются отрицательному воздействию из-за УФ-излучения, достигающего земли. [76] Первоначально предполагалось, что истощение озонового слоя и избыточное УФ-излучение В увеличивают повреждение ДНК растений. Отчеты показали, что когда растения подвергаются воздействию УФ-излучения В, аналогичного истощению стратосферного озона, не наблюдается значительных изменений в высоте растений или массе листьев, но наблюдается реакция в биомассе побегов и площади листьев с небольшим уменьшением. [77] Однако было показано, что УФ-излучение В снижает квантовый выход фотосистемы II. [78] Повреждение УФ-излучением В происходит только при экстремальном воздействии, и у большинства растений также есть поглощающие УФ-излучение В флавоноиды, которые позволяют им акклиматизироваться к присутствующему излучению. Растения подвергаются разным уровням УФ-излучения в течение дня. Известно, что они способны изменять уровни и типы УФ-защитных экранов (т. е. флавоноидов), которые они содержат, в течение дня. Это позволяет им повысить свою защиту от УФ-излучения. [79] Растения, которые подвергались воздействию радиации в течение всего развития, больше страдают от неспособности перехватывать свет большей площадью листа, чем от нарушения фотосинтетических систем. [80] Ущерб от УФ-В-излучения, скорее всего, будет значительным для взаимодействия видов, чем для самих растений. [81]
Другим значительным воздействием истощения озонового слоя на жизнь растений является стресс, который испытывают растения при воздействии УФ-излучения. Это может привести к снижению роста растений и увеличению окислительного стресса из-за выработки оксида азота и перекиси водорода. [82] В районах, где произошло существенное истощение озонового слоя, повышенное УФ-В-излучение снижает продуктивность наземных растений (и также секвестрацию углерода) примерно на 6%. [83] [84]
Более того, если растения подвергаются воздействию высоких уровней УФ-излучения, это может вызвать образование вредных летучих органических соединений , таких как изопрены. Выброс изопренов в воздух растениями может серьезно повлиять на окружающую среду, загрязняя воздух и увеличивая количество углерода в атмосфере, что в конечном итоге способствует изменению климата. [85]
Полный масштаб ущерба, который ХФУ нанесли озоновому слою, неизвестен и не будет известен в течение десятилетий; однако, уже наблюдалось заметное снижение содержания озона в столбе. Монреальская и Венская конвенции были приняты задолго до того, как был достигнут научный консенсус или были разрешены важные неопределенности в научной сфере. [86] Дело об озоне было сравнительно хорошо понято неспециалистами, например, озоновый щит или озоновая дыра были полезными «легкими для понимания связующими метафорами». [87] Американцы добровольно отказались от аэрозольных распылителей, что привело к 50-процентной потере продаж еще до того, как было введено законодательство. [87]
После того, как в 1976 году в докладе Национальной академии наук США был сделан вывод о том, что достоверные научные данные подтверждают гипотезу об истощении озонового слоя [88] , несколько стран, включая США, Канаду, Швецию, Данию и Норвегию, предприняли шаги по отказу от использования ХФУ в аэрозольных баллончиках. [89] В то время это широко рассматривалось как первый шаг к более всеобъемлющей политике регулирования, но прогресс в этом направлении замедлился в последующие годы из-за сочетания политических факторов (продолжающееся сопротивление со стороны галоидоуглеродной промышленности и общее изменение отношения к экологическому регулированию в течение первых двух лет администрации Рейгана) и научных разработок (последующие оценки Национальной академии, которые показали, что первые оценки масштабов истощения озонового слоя были чрезмерно большими).
Критический патент DuPont на производство фреона истекал в 1979 году . Соединенные Штаты запретили использование ХФУ в аэрозольных баллончиках в 1978 году. [89] Европейское сообщество отклонило предложения о запрете ХФУ в аэрозольных спреях, а в США ХФУ продолжали использовать в качестве хладагентов и для очистки печатных плат. Мировое производство ХФУ резко упало после запрета аэрозолей в США, но к 1986 году вернулось почти к уровню 1976 года. [89] В 1993 году DuPont Canada закрыла свое предприятие по производству ХФУ. [90]
Отношение правительства США снова начало меняться в 1983 году, когда Уильям Ракельсхаус сменил Энн М. Берфорд на посту администратора Агентства по охране окружающей среды США (EPA). При Ракельсхаусе и его преемнике Ли Томасе EPA продвигало международный подход к регулированию галоидоуглеродов. В 1985 году двадцать стран, включая большинство основных производителей ХФУ, подписали Венскую конвенцию об охране озонового слоя , которая установила рамки для переговоров по международным правилам в отношении веществ, разрушающих озоновый слой. В том же году было объявлено об открытии озоновой дыры над Антарктикой, что вызвало оживление общественного внимания к этой проблеме.
В 1987 году представители 43 стран подписали Монреальский протокол . Тем временем, промышленность галоидоуглеродов изменила свою позицию и начала поддерживать протокол по ограничению производства ХФУ. Однако этот сдвиг был неравномерным, поскольку DuPont действовал быстрее, чем ее европейские коллеги. DuPont, возможно, опасался судебных исков, связанных с ростом рака кожи, особенно после того, как EPA опубликовало исследование в 1986 году, в котором утверждалось, что в США в течение следующих 88 лет следует ожидать дополнительных 40 миллионов случаев и 800 000 смертей от рака. [91] ЕС также изменил свою позицию после того, как Германия отказалась от защиты промышленности ХФУ и начала поддерживать шаги по регулированию. Правительство и промышленность Франции и Великобритании пытались защитить свои отрасли по производству ХФУ даже после подписания Монреальского протокола. [92]
В Монреале участники согласились заморозить производство ХФУ на уровне 1986 года и сократить производство на 50 процентов к 1999 году. [89] После того, как серия научных экспедиций в Антарктику предоставила убедительные доказательства того, что озоновая дыра действительно была вызвана хлором и бромом из искусственных органогалогенов, Монреальский протокол был усилен на встрече в Лондоне в 1990 году. Участники согласились полностью отказаться от ХФУ и галонов (за исключением очень небольшого количества, предназначенного для определенных «основных» видов применения, таких как ингаляторы для лечения астмы ) к 2000 году в странах, не подписавших статью 5, и к 2010 году в странах, подписавших статью 5 (менее развитых). [93] На встрече 1992 года в Копенгагене, Дания, дата отказа была перенесена на 1996 год. [93] На той же встрече в список контролируемых веществ был добавлен бромистый метил (MeBr), фумигант, используемый в основном в сельскохозяйственном производстве. Для всех веществ, контролируемых в соответствии с протоколом, графики поэтапного отказа были отложены для менее развитых стран («Статья 5(1)»), и поэтапный отказ в этих странах поддерживался передачей опыта, технологий и денег от Сторон Протокола, не являющихся Сторонами Статьи 5(1). Кроме того, исключения из согласованных графиков могли быть поданы в рамках процесса Essential Use Exemption (EUE) для веществ, отличных от бромистого метила, и в рамках процесса Critical Use Exemption (CUE) для бромистого метила. [94] [95]
Гражданское общество, включая особенно неправительственные организации (НПО), играло решающую роль на всех этапах разработки политики, приведшей к Венской конференции, Монреальскому протоколу и последующей оценке соблюдения. [96] [97] [98] [99] Крупные компании утверждали, что альтернатив ГФУ не существует. [100] Безопасный для озона углеводородный хладагент был разработан в технологическом институте в Гамбурге, Германия, состоящий из смеси углеводородных газов пропана и бутана , и в 1992 году привлек внимание НПО Гринпис. Гринпис назвал его «Гринфриз». [101] [102] Затем НПО успешно работала сначала с небольшой и борющейся компанией, чтобы вывести на рынок прибор, начав с Европы, затем с Азии и позже с Латинской Америки, получив в 1997 году премию ЮНЕП. [103] [104] К 1995 году Германия запретила холодильники с ХФУ. [104] С 2004 года такие корпорации, как Coca-Cola, Carlsberg и IKEA, сформировали коалицию для продвижения безопасных для озонового слоя устройств Greenfreeze. Производство распространилось на такие компании, как Electrolux, Bosch и LG, и к 2008 году продажи достигли около 300 миллионов холодильников. [103] [105] В Латинской Америке отечественная аргентинская компания начала производство Greenfreeze в 2003 году, в то время как гигант Bosch в Бразилии начал год спустя. [106] [107] К 2013 году его использовали около 700 миллионов холодильников, что составляло около 40 процентов рынка. [100]
Однако в США изменения происходили гораздо медленнее. В некоторой степени ХФУ заменялись менее вредными гидрохлорфторуглеродами ( ГХФУ ), хотя опасения относительно ГХФУ также сохраняются. В некоторых приложениях гидрофторуглероды ( ГФУ ) использовались для замены ХФУ. ГФУ, которые не содержат хлора или брома, не способствуют разрушению озонового слоя, хотя они являются мощными парниковыми газами. Самым известным из этих соединений, вероятно, является ГФУ-134a ( R-134a ), который в Соединенных Штатах в значительной степени заменил ХФУ-12 ( R-12 ) в автомобильных кондиционерах. В лабораторной аналитике (бывшее «основное» применение) озоноразрушающие вещества можно заменить другими растворителями. [108] Химические компании, такие как Du Pont, чьи представители пренебрежительно отзывались о Greenfreeze, называя ее «немецкой технологией», оказали давление на Агентство по охране окружающей среды, чтобы заблокировать эту технологию в США до 2011 года. [109] [110] [111] [112] Ben & Jerry's of Unilever и General Electric, подстрекаемые Greenpeace, выразили формальный интерес в 2008 году, что и было отражено в окончательном одобрении Агентства по охране окружающей среды. [103] [113]
ЕС пересмотрел свой Регламент по озону в 2009 году. Закон запрещает озоноразрушающие вещества с целью защиты озонового слоя. [114] Список ОРВ, подпадающих под действие регламента, такой же, как и в соответствии с Монреальским протоколом, с некоторыми дополнениями. [115]
Совсем недавно эксперты по политике выступили за попытки связать усилия по защите озонового слоя с усилиями по защите климата. [116] [117] Многие ОРВ также являются парниковыми газами, в несколько тысяч раз более мощными агентами радиационного воздействия, чем углекислый газ в краткосрочной и среднесрочной перспективе. Таким образом, политика защиты озонового слоя имела преимущества в смягчении изменения климата . Сокращение радиационного воздействия из-за ОРВ, вероятно, замаскировало истинный уровень последствий изменения климата других парниковых газов и было ответственно за «замедление» глобального потепления с середины 90-х годов. [118] [ необходимы дополнительные ссылки ] Политические решения в одной области влияют на стоимость и эффективность улучшений окружающей среды в другой.
IMO внесла поправки в MARPOL Annex VI Regulation 12 относительно веществ, разрушающих озоновый слой. С 1 июля 2010 года все суда, на которые распространяется MARPOL Annex VI, должны иметь список оборудования, использующего вещества, разрушающие озоновый слой. Список должен включать название ОРВ, тип и местонахождение оборудования, количество в кг и дату. Все изменения с этой даты должны быть зарегистрированы в бортовой книге регистрации ОРВ, в которой регистрируются все преднамеренные или непреднамеренные выбросы в атмосферу. Кроме того, следует также регистрировать новые поставки ОРВ или выгрузку на береговые объекты.
С момента принятия и укрепления Монреальского протокола , что привело к сокращению выбросов ХФУ, атмосферные концентрации наиболее значимых соединений снижаются. Эти вещества постепенно удаляются из атмосферы; с момента достижения пика в 1994 году уровень эффективного эквивалентного хлора (EECl) в атмосфере снизился примерно на 10 процентов к 2008 году. На снижение озоноразрушающих химикатов также существенно повлияло снижение бромсодержащих химикатов . Данные свидетельствуют о том, что существуют существенные естественные источники атмосферного бромистого метила ( CH
3Br ). [1] Поэтапный отказ от ХФУ означает, что закись азота ( N
2O ), который не подпадает под действие Монреальского протокола, стал наиболее выбрасываемым озоноразрушающим веществом и, как ожидается, останется таковым на протяжении всего 21-го века. [119]
Согласно Шестому оценочному докладу МГЭИК, глобальные уровни стратосферного озона быстро снижались в 1970-х и 1980-х годах и с тех пор увеличиваются, но не достигли доиндустриального уровня. Хотя ожидается значительная изменчивость из года в год, в том числе в полярных регионах, где истощение является наибольшим, ожидается, что озоновый слой продолжит восстанавливаться в ближайшие десятилетия из-за снижения концентраций озоноразрушающих веществ, при условии полного соблюдения Монреальского протокола. [120]
Ожидается, что озоновая дыра над Антарктидой сохранится в течение десятилетий. Концентрация озона в нижней стратосфере над Антарктидой увеличится на 5–10 процентов к 2020 году и вернется к уровням до 1980 года примерно к 2060–2075 годам. Это на 10–25 лет позже, чем прогнозировалось в более ранних оценках, из-за пересмотренных оценок атмосферных концентраций озоноразрушающих веществ, включая большее прогнозируемое будущее использование в развивающихся странах. Еще одним фактором, который может продлить истощение озонового слоя, является вытягивание оксидов азота из-под стратосферы из-за изменения характера ветра. [121] Постепенная тенденция к «исцелению» была зарегистрирована в 2016 году. [24] В 2019 году озоновая дыра была наименьшей за предыдущие тридцать лет из-за более теплой полярной стратосферы, ослабляющей полярный вихрь. [122] В сентябре 2023 года озоновая дыра над Антарктидой была одной из крупнейших за всю историю наблюдений, ее площадь составила 26 миллионов квадратных километров. Аномально большая потеря озона могла быть результатом извержения вулкана Тонга в 2022 году . [123]
Основные физические и химические процессы, приводящие к образованию озонового слоя в стратосфере Земли, были открыты Сидни Чепменом в 1930 году. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение расщепляет кислород ( O
2) молекулы на два атома кислорода (O), которые затем объединяются с другими молекулами кислорода, образуя озон. Озон удаляется, когда атом кислорода и молекула озона «рекомбинируют» с образованием двух молекул кислорода, т.е. O + O
3→ 2 О
2. В 1950-х годах Дэвид Бейтс и Марсель Николе представили доказательства того, что различные свободные радикалы, в частности гидроксил (ОН) и оксид азота (NO), могут катализировать эту реакцию рекомбинации, уменьшая общее количество озона. Было известно, что эти свободные радикалы присутствуют в стратосфере, и поэтому их считали частью естественного баланса — было подсчитано, что при их отсутствии озоновый слой был бы примерно в два раза толще, чем сейчас.
В 1970 году Пол Крутцен указал, что выбросы закиси азота ( N
2O ), стабильный, долгоживущий газ, вырабатываемый почвенными бактериями, с поверхности Земли может влиять на количество оксида азота (NO) в стратосфере. Крутцен показал, что оксид азота живет достаточно долго, чтобы достичь стратосферы, где он преобразуется в NO. Затем Крутцен отметил, что увеличение использования удобрений могло привести к увеличению выбросов оксида азота по сравнению с естественным фоном, что, в свою очередь, привело бы к увеличению количества NO в стратосфере. Таким образом, деятельность человека может повлиять на стратосферный озоновый слой. В следующем году Крутцен и (независимо) Гарольд Джонстон предположили, что выбросы NO сверхзвуковыми пассажирскими самолетами , которые будут летать в нижней стратосфере, также могут истощать озоновый слой. Однако более поздний анализ, проведенный в 1995 году Дэвидом У. Фейи, ученым-атмосферником из Национального управления океанических и атмосферных исследований , показал, что снижение озона составит от 1 до 2 процентов, если будет эксплуатироваться флот из 500 сверхзвуковых пассажирских самолетов. [124] Это, по словам Фейи, не станет препятствием для разработки современных сверхзвуковых пассажирских самолетов. [125]
В 1974 году Фрэнк Шервуд Роуленд , профессор химии Калифорнийского университета в Ирвайне, и его постдокторант Марио Дж. Молина предположили, что долгоживущие органические галогенные соединения, такие как ХФУ, могут вести себя аналогично тому, как Крутцен предположил для закиси азота. Джеймс Лавлок недавно обнаружил во время круиза в Южной Атлантике в 1971 году, что почти все соединения ХФУ, произведенные с момента их изобретения в 1930 году, все еще присутствуют в атмосфере. Молина и Роуленд пришли к выводу, что, как и N
2O , ХФУ достигли бы стратосферы, где они были бы диссоциированы ультрафиолетовым светом, высвобождая атомы хлора. Годом ранее Ричард Столарски и Ральф Цицерон из Мичиганского университета показали, что Cl еще более эффективен, чем NO, в катализе разрушения озона. К аналогичным выводам пришли Майкл МакЭлрой и Стивен Вофси из Гарвардского университета . Однако ни одна из групп не осознавала, что ХФУ являются потенциально крупным источником стратосферного хлора — вместо этого они исследовали возможные эффекты выбросов HCl с космического челнока , которые намного меньше.
Гипотеза Роуленда–Молины была решительно оспорена представителями аэрозольной и галоидоуглеродной промышленности. Председатель совета директоров DuPont заявил, что теория истощения озонового слоя — это «научно-фантастическая сказка... куча мусора... полная чушь». [126] Роберт Абпланалп , президент Precision Valve Corporation (и изобретатель первого практического клапана для аэрозольного баллончика), написал канцлеру Калифорнийского университета в Ирвайне, чтобы пожаловаться на публичные заявления Роуленда. [127] Тем не менее, в течение трех лет большинство основных предположений, сделанных Роулендом и Молиной, были подтверждены лабораторными измерениями и прямым наблюдением в стратосфере. Концентрации исходных газов (ХФУ и родственные соединения) и видов-хранилищ хлора (HCl и ClONO
2) были измерены по всей стратосфере и продемонстрировали, что ХФУ действительно являются основным источником стратосферного хлора, и что почти все выброшенные ХФУ в конечном итоге достигнут стратосферы. Еще более убедительным было измерение Джеймсом Г. Андерсоном и его коллегами монооксида хлора (ClO) в стратосфере. ClO образуется в результате реакции Cl с озоном — его наблюдение, таким образом, продемонстрировало, что радикалы Cl не только присутствуют в стратосфере, но и фактически участвуют в разрушении озона. МакЭлрой и Вофси расширили работу Роуленда и Молины, показав, что атомы брома являются даже более эффективными катализаторами потери озона, чем атомы хлора, и утверждали, что бромированные органические соединения, известные как галоны , широко используемые в огнетушителях, являются потенциально крупным источником стратосферного брома. В 1976 году Национальная академия наук США опубликовала отчет, в котором делался вывод о том, что гипотеза истощения озона была решительно подкреплена научными доказательствами. В ответ на это Соединенные Штаты, Канада и Норвегия запретили использование ХФУ в аэрозольных баллончиках в 1978 году. Ранние оценки были таковы, что если производство ХФУ продолжится на уровне 1977 года, то общее содержание озона в атмосфере примерно через столетие достигнет устойчивого состояния, на 15–18 процентов ниже нормального уровня. К 1984 году, когда появились более убедительные данные о скорости критических реакций, эта оценка была изменена на 5–9 процентов устойчивого истощения. [128]
Крутцен, Молина и Роуленд были удостоены Нобелевской премии по химии 1995 года за свою работу по исследованию стратосферного озона.
Открытие антарктической «озоновой дыры» учеными Британской антарктической службы Фарманом , Гардинером и Шанклином (впервые сообщено в статье в журнале Nature в мае 1985 года [129] ) стало шоком для научного сообщества, поскольку наблюдаемое снижение полярного озона было намного больше, чем предполагалось. [130] Спутниковые измерения ( TOMS на борту Nimbus 7 ), показывающие огромное истощение озона вокруг южного полюса, стали доступны в то же время. [131] Однако они были первоначально отклонены как необоснованные алгоритмами контроля качества данных (они были отфильтрованы как ошибки, поскольку значения были неожиданно низкими); озоновая дыра была обнаружена только в спутниковых данных, когда необработанные данные были повторно обработаны после получения доказательств истощения озона в наблюдениях на месте . [92] Когда программное обеспечение было повторно запущено без флагов, озоновая дыра была замечена еще в 1976 году. [132]
Сьюзан Соломон , химик-атмосферщик из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), предположила, что химические реакции в полярных стратосферных облаках (PSC) в холодной антарктической стратосфере вызвали массивное, хотя и локализованное и сезонное, увеличение количества хлора, присутствующего в активных, разрушающих озон формах. Полярные стратосферные облака в Антарктиде образуются только при очень низких температурах, вплоть до −80 °C, и в условиях ранней весны. В таких условиях ледяные кристаллы облака обеспечивают подходящую поверхность для преобразования нереакционноспособных соединений хлора в реактивные соединения хлора, которые могут легко истощать озон.
Более того, полярный вихрь, образованный над Антарктидой , очень плотный, а реакция, происходящая на поверхности облачных кристаллов, сильно отличается от реакции, происходящей в атмосфере. Эти условия привели к образованию озоновой дыры в Антарктиде. Эта гипотеза была окончательно подтверждена сначала лабораторными измерениями, а затем прямыми измерениями с земли и с высотных самолетов очень высоких концентраций оксида хлора (ClO) в стратосфере Антарктиды. [133]
Альтернативные гипотезы, которые приписывали озоновую дыру изменениям солнечного ультрафиолетового излучения или изменениям в моделях атмосферной циркуляции, также были проверены и оказались несостоятельными. [134]
Между тем, анализ измерений озона с помощью всемирной сети наземных спектрофотометров Добсона привел международную группу к выводу, что озоновый слой на самом деле истощается на всех широтах за пределами тропиков. [31] Эти тенденции были подтверждены спутниковыми измерениями. В результате основные страны-производители галоуглеродов согласились постепенно отказаться от производства ХФУ, галонов и родственных соединений, процесс был завершен в 1996 году.
С 1981 года Программа ООН по окружающей среде под эгидой Всемирной метеорологической организации спонсировала серию технических отчетов по научной оценке истощения озонового слоя , основанных на спутниковых измерениях. Отчет 2007 года показал, что дыра в озоновом слое восстанавливается и является наименьшей за последние десять лет. [135]
В отчете за 2010 год говорится: «За последнее десятилетие глобальный озоновый слой и озон в Арктике и Антарктике больше не уменьшаются, но и не увеличиваются. Прогнозируется, что озоновый слой за пределами полярных регионов восстановится до уровня, существовавшего до 1980 года, к середине этого столетия. Напротив, ожидается, что весенняя озоновая дыра над Антарктикой восстановится гораздо позже». [136]
В 2012 году NOAA и NASA сообщили: «Более высокие температуры воздуха над Антарктикой привели к образованию второй по величине сезонной озоновой дыры за 20 лет, в среднем 17,9 миллионов квадратных километров. Дыра достигла максимального размера за сезон 22 сентября, растянувшись до 21,2 миллионов квадратных километров». [137] Постепенная тенденция к «исцелению» была отмечена в 2016 году [24] , а затем в 2017 году. [138] Сообщается, что сигнал восстановления очевиден даже на высотах насыщения потери озона. [139]
Дыра в озоновом слое Земли над Южным полюсом повлияла на циркуляцию атмосферы в Южном полушарии вплоть до экватора. [140] Озоновая дыра повлияла на циркуляцию атмосферы вплоть до тропиков и увеличила количество осадков в низких субтропических широтах Южного полушария. [141]
3 марта 2005 года журнал Nature [142] опубликовал статью, связывающую необычно большую озоновую дыру в Арктике в 2004 году с активностью солнечного ветра.
15 марта 2011 года была зафиксирована рекордная потеря озонового слоя, при этом около половины озона, присутствующего над Арктикой, было уничтожено. [143] [144] [145] Изменение было приписано все более холодным зимам в арктической стратосфере на высоте приблизительно 20 км (12 миль), изменению, связанному с глобальным потеплением в связи, которая все еще изучается. [144] К 25 марта потеря озона стала самой большой по сравнению с той, которая наблюдалась во все предыдущие зимы, с возможностью того, что она станет озоновой дырой. [146] Для этого потребуется, чтобы количество озона упало ниже 200 единиц Добсона, с 250, зарегистрированных над центральной Сибирью. [146] Прогнозируется, что истончение слоя затронет части Скандинавии и Восточной Европы 30–31 марта. [146]
2 октября 2011 года в журнале Nature было опубликовано исследование , в котором говорилось, что в период с декабря 2010 года по март 2011 года было уничтожено до 80 процентов озона в атмосфере на высоте около 20 километров (12 миль) над поверхностью. [147] Уровень истощения озонового слоя был настолько серьезным, что ученые заявили, что его можно сравнить с озоновой дырой, которая образуется над Антарктидой каждую зиму. [147] Согласно исследованию, «впервые произошла достаточная потеря, чтобы ее можно было обоснованно назвать арктической озоновой дырой». [147] В исследовании были проанализированы данные со спутников Aura и CALIPSO , и было установлено, что большая, чем обычно, потеря озона была вызвана необычно длительным периодом холодной погоды в Арктике, примерно на 30 дней больше обычного, что позволило создать больше разрушающих озон соединений хлора. [148] По словам Ламонта Пула, соавтора исследования, облачные и аэрозольные частицы, в которых обнаружены соединения хлора, «были в изобилии в Арктике до середины марта 2011 года — намного позже обычного — со средними количествами на некоторых высотах, аналогичными тем, которые наблюдаются в Антарктике, и значительно превышающими близкие к нулю значения, наблюдаемые в марте в большинстве арктических зим». [148]
В 2013 году исследователи проанализировали данные и обнаружили, что арктическое событие 2010–2011 годов не достигло уровней истощения озонового слоя, чтобы классифицировать его как настоящую дыру. Дыра в озоне обычно классифицируется как 220 единиц Добсона или ниже; [149] арктическая дыра не достигла этого низкого уровня. [150] [151] С тех пор ее классифицируют как «мини-дыру». [152]
После истощения озонового слоя в 1997 и 2011 годах в марте 2020 года метеорологические зонды над Арктикой зафиксировали падение уровня озона на 90 % , поскольку обычно они регистрировали 3,5 части на миллион озона по сравнению с всего лишь примерно 0,3 части на миллион в последний раз из-за самых низких температур, когда-либо зарегистрированных с 1979 года, и сильного полярного вихря , который позволил химическим веществам, включая хлор и бром, уменьшить озон. [153]
Редкая дыра, образовавшаяся в результате необычно низких температур в атмосфере над Северным полюсом, была изучена в 2020 году. [154] [155]
Поскольку более холодные зимы больше подвержены влиянию, иногда над Тибетом появляется озоновая дыра. В 2006 году над Тибетом была обнаружена озоновая дыра площадью 2,5 миллиона квадратных километров . [156] В 2011 году озоновая дыра снова появилась над горными районами Тибета , Синьцзяна , Цинхая и Гиндукуша , а также беспрецедентная дыра над Арктикой, хотя тибетская была гораздо менее интенсивной, чем над Арктикой или Антарктикой. [157]
Исследования 2012 года показали, что тот же самый процесс, который приводит к образованию озоновой дыры над Антарктидой, происходит над летними грозовыми облаками в Соединенных Штатах и, таким образом, может разрушать озон и там. [158] [159]
Физик Цин-Бин Лу из Университета Ватерлоо заявил, что в июле 2022 года обнаружил большую всесезонную озоновую дыру в нижней стратосфере над тропиками. [160] Однако другие исследователи в этой области опровергли это утверждение, заявив, что исследование было пронизано «серьёзными ошибками и необоснованными утверждениями». [161] По словам доктора Пола Янга, ведущего автора Научной оценки истощения озонового слоя ВМО/ЮНЕП 2022 года, «идентификация автором «тропической озоновой дыры» основана на том, что он рассматривал процентные изменения озона, а не абсолютные изменения, причём последние гораздо более актуальны для разрушительного УФ-излучения, достигающего поверхности». В частности, работа Лу определяет «озоновую дыру» как «область с потерей O3 в процентах более 25% по отношению к невозмущенному значению O3, когда в стратосфере не было значительных ХФУ (~ в 1960-х годах)» [162] вместо общего определения в 220 единиц Добсона или ниже. Доктор Марта Абалос Альварес добавила: «Разрушение озонового слоя в тропиках не является чем-то новым и в основном обусловлено ускорением циркуляции Брюэра-Добсона».
Анализируя атмосферные последствия австралийского сезона лесных пожаров 2019–2020 годов , ученые во главе с исследователем Массачусетского технологического института Сьюзан Соломон обнаружили, что дым уничтожил 3–5% озона в пострадавших районах Южного полушария. Частицы дыма поглощают хлористый водород и действуют как катализатор, создавая радикалы хлора, которые разрушают озон. [163] [164] [165] [166]
Среди прочих, Роберт Уотсон сыграл роль в научной оценке и в усилиях по регулированию истощения озонового слоя и глобального потепления . [86] До 1980-х годов ЕС, НАСА, НАН, ЮНЕП, ВМО и британское правительство имели несогласные научные отчеты, и Уотсон сыграл роль в процессе единых оценок. Основываясь на опыте с делом об озоне, МГЭИК начала работать над единой отчетностью и научной оценкой [86], чтобы достичь консенсуса для предоставления Резюме МГЭИК для политиков .
Существуют различные области взаимосвязи между истощением озонового слоя и наукой о глобальном потеплении:
В 2019 году НАСА сообщило, что не существует существенной связи между размером озоновой дыры и изменением климата. [10]
Поскольку молекулы CFC тяжелее воздуха (азота или кислорода), обычно считается, что молекулы CFC не могут достичь стратосферы в значительных количествах. [170] Однако атмосферные газы не сортируются по весу на этих высотах; силы ветра могут полностью смешивать газы в атмосфере. Некоторые из более тяжелых CFC распределены неравномерно. [171]
Другое заблуждение заключается в том, что «общепринято, что естественные источники тропосферного хлора в четыре-пять раз больше, чем искусственные». Хотя это утверждение строго верно, тропосферный хлор не имеет значения; именно стратосферный хлор влияет на истощение озонового слоя. Хлор из океанских брызг растворим и, таким образом, вымывается осадками, прежде чем он достигнет стратосферы. ХФУ, напротив, нерастворимы и долгоживущи, что позволяет им достигать стратосферы. В нижних слоях атмосферы содержится гораздо больше хлора из ХФУ и связанных с ними галогеналканов , чем в HCl из соляных брызг, а в стратосфере преобладают галогенуглероды. [172] Только метилхлорид, который является одним из этих галогенуглеродов, имеет в основном природный источник, [173] и он отвечает за около 20 процентов хлора в стратосфере; остальные 80 процентов поступают из искусственных источников.
Очень сильные вулканические извержения могут выбрасывать HCl в стратосферу, но исследователи [174] показали, что этот вклад незначителен по сравнению с вкладом CFC. Аналогичное ошибочное утверждение заключается в том, что растворимые галогенные соединения из вулканического шлейфа горы Эребус на острове Росса в Антарктиде являются основным источником озоновой дыры над Антарктидой. [174]
Тем не менее, исследование 2015 года [175] показало, что роль вулкана Эребус в истощении озонового слоя Антарктиды, вероятно, недооценена. Основываясь на данных реанализа NCEP/NCAR за последние 35 лет и используя траекторную модель NOAA HYSPLIT , исследователи показали, что выбросы газа вулкана Эребус (включая хлористый водород (HCl)) могут достигать стратосферы Антарктиды через высокоширотные циклоны, а затем полярный вихрь . В зависимости от активности вулкана Эребус дополнительная годовая масса HCl, поступающая в стратосферу из Эребуса, варьируется от 1,0 до 14,3 кт.
GMB Dobson упомянул, что когда весенние уровни озона в Антарктике над заливом Халли были впервые измерены в 1956 году, он был удивлен, обнаружив, что они были ~320 DU, или примерно на 150 DU ниже весенних арктических уровней ~450 DU. Это были в то время единственные известные значения антарктического озона. То, что описывает Добсон, по сути, является исходной линией, от которой измеряется озоновая дыра: фактические значения озоновой дыры находятся в диапазоне 150–100 DU. [176]
Различия между Арктикой и Антарктикой, отмеченные Добсоном, были в первую очередь вопросом времени: во время арктической весны уровень озона плавно повышался, достигая пика в апреле, тогда как в Антарктиде он оставался примерно постоянным в течение ранней весны, резко повышаясь в ноябре, когда разрушался полярный вихрь.
Поведение, наблюдаемое в озоновой дыре Антарктиды, отличается. Вместо того, чтобы оставаться постоянными, уровни озона ранней весной падают по сравнению с их уже низкими зимними значениями на целых 50 процентов, и нормальные значения не достигаются снова до декабря. [177]
Некоторые люди думали, что озоновая дыра должна быть над источниками ХФУ. Однако ХФУ хорошо перемешаны в глобальном масштабе в тропосфере и стратосфере . Причина возникновения озоновой дыры над Антарктидой не в том, что там сконцентрировано больше ХФУ, а в том, что низкие температуры способствуют формированию полярных стратосферных облаков. [178] На самом деле, есть данные о значительных и локализованных «озоновых дырах» над другими частями Земли, например, над Центральной Азией. [179]
Распространены заблуждения и недопонимание обществом сложных вопросов, таких как истощение озонового слоя. Ограниченные научные знания общественности привели к путанице в отношении глобального потепления [180] или восприятию глобального потепления как подмножества «озоновой дыры». [181] Вначале классические зеленые НПО воздерживались от использования истощения ХФУ для агитации, поскольку считали, что эта тема слишком сложна. [86] Они стали активными гораздо позже, например, в поддержке Greenpeace холодильника без ХФУ, произведенного бывшей восточногерманской компанией VEB dkk Scharfenstein. [86] [182]
Метафоры, используемые в обсуждении ХФУ (озоновый щит, озоновая дыра), не являются «точными» в научном смысле. «Озоновая дыра» — это скорее углубление , чем «дыра в лобовом стекле». Озон не исчезает сквозь слой, и не происходит равномерного «истончения» озонового слоя. Однако они лучше резонировали с неучеными и их проблемами. [87] Озоновая дыра рассматривалась как «горячая проблема» и неизбежный риск [183], поскольку миряне опасались серьезных личных последствий, таких как рак кожи, катаракта, повреждение растений и сокращение популяции планктона в фотической зоне океана. Не только на политическом уровне регулирование озона по сравнению с изменением климата показало себя намного лучше в общественном мнении. Американцы добровольно отказались от аэрозольных распылителей до того, как было введено законодательство, в то время как изменение климата не вызвало сопоставимой обеспокоенности и общественных действий. [87] Внезапное обнаружение в 1985 году существенной «дыры» широко освещалось в прессе. Особенно быстрое истощение озонового слоя в Антарктиде ранее было отклонено как ошибка измерения. [130] Научный консенсус был установлен после регулирования. [86]
Хотя озоновая дыра над Антарктикой оказывает относительно небольшое влияние на глобальный озоновый слой, она вызвала большой интерес общественности по следующим причинам:
В 1994 году Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций проголосовала за объявление 16 сентября Международным днем охраны озонового слоя или «Всемирным днем озона». [188] Это назначение ознаменовало подписание Монреальского протокола [189] в этот день в 1987 году. [190]
Таким образом, химия фтора не представляет собой значительного поглотителя стратосферного озона. Весь фтор, выделяемый исходными газами, оказывается в форме HF, который накапливается в стратосфере (рис. 8). ... Высокая стабильность HF делает его эффективным индикатором поступления фтора в стратосферу, возникающего из фторированных антропогенных газов
Йод является компонентом нескольких газов, которые естественным образом выбрасываются из океанов. Хотя йод может участвовать в реакциях разрушения озона, эти исходные газы, содержащие йод, обычно имеют очень короткое время жизни, и, как следствие, только очень небольшая часть достигает стратосферы. Существуют большие неопределенности в том, как эти выбросы меняются в зависимости от сезона и географического региона.
{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)Свободнорадикальные реакции для удаления озона: Реакция 4.1
{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactive as of April 2024 (link){{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite press release}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)