Истощение озона состоит из двух взаимосвязанных событий, наблюдаемых с конца 1970-х годов: устойчивого снижения примерно на четыре процента общего количества озона в атмосфере Земли и гораздо большего весеннего уменьшения стратосферного озона ( озонового слоя ) вокруг полярных регионов Земли. [1] Последнее явление называется озоновой дырой . Помимо этих стратосферных событий, весной происходят также явления истощения полярного тропосферного озона .
Основными причинами разрушения озона и озоновой дыры являются промышленные химикаты, особенно промышленные галогенуглеродные хладагенты , растворители , пропелленты и пенообразователи ( хлорфторуглероды ( ХФУ), ГХФУ, галоны ), называемые озоноразрушающими веществами (ОРВ). [2] Эти соединения переносятся в стратосферу путем турбулентного перемешивания после выброса с поверхности, перемешиваясь гораздо быстрее, чем молекулы могут осесть. [3] Попадая в стратосферу, они высвобождают атомы галогенной группы посредством фотодиссоциации , которая катализирует распад озона (O 3 ) на кислород (O 2 ). [4] Оба типа разрушения озона наблюдались с увеличением выбросов галогенуглеродов.
Истощение озонового слоя и озоновая дыра вызвали во всем мире обеспокоенность по поводу увеличения риска рака и других негативных последствий. Озоновый слой предотвращает прохождение вредных длин волн ультрафиолетового (UVB) света через атмосферу Земли . Эти длины волн вызывают рак кожи , солнечные ожоги , постоянную слепоту и катаракту , [5] которые, по прогнозам, резко возрастут в результате истончения озона, а также нанесут вред растениям и животным. Эти опасения привели к принятию Монреальского протокола в 1987 году, который запрещает производство ХФУ, галонов и других озоноразрушающих химикатов. [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, когда смещение реактивного течения в южном полушарии к южному полюсу прекратилось и, возможно, даже обратилось вспять. [8] Прогнозируется, что восстановление продолжится в течение следующего столетия, и ожидается, что озоновая дыра достигнет уровня, существовавшего до 1980 года, примерно к 2075 году. [9] В 2019 году НАСА сообщило, что озоновая дыра была самой маленькой с момента ее первого открытия. в 1982 году. [10] [11]
Монреальский протокол считается самым успешным международным экологическим соглашением на сегодняшний день. [12] [13] После запрета на химические вещества, разрушающие озоновый слой, ООН прогнозирует, что в соответствии с действующими правилами озоновый слой полностью восстановится к 2045 году, на тридцать лет раньше, чем прогнозировалось ранее. [14]
В озоно-кислородном цикле участвуют три формы (или аллотропы ) кислорода : атомы кислорода (О или атомарный кислород), газообразный кислород ( О
2или двухатомный кислород) и газообразный озон ( O
3или трехатомный кислород). [15] Озон образуется в стратосфере, когда молекулы газообразного кислорода фотодиссоциируют после поглощения фотонов UVC. Это преобразует один O
2на два атомарных радикала кислорода . Затем атомарные радикалы кислорода соединяются с отдельными O
2молекулы для создания двух O
3молекулы. Эти молекулы озона поглощают ультрафиолетовый свет, после чего озон расщепляется на молекулу O.
2и атом кислорода. Затем атом кислорода соединяется с молекулой кислорода для регенерации озона. Это непрерывный процесс, который заканчивается, когда атом кислорода рекомбинирует с молекулой озона, образуя два кислорода.
2молекулы. Стоит отметить, что озон — единственный атмосферный газ, поглощающий ультрафиолетовый свет.
Общее количество озона в стратосфере определяется балансом между фотохимическим образованием 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, следовательно, чрезвычайно реакционноспособен. Все они имеют как естественные, так и искусственные источники; в настоящее время большая часть OH· и NO· в стратосфере встречается в природе, но человеческая деятельность резко увеличила уровни хлора и брома. [16] Эти элементы содержатся в стабильных органических соединениях, особенно в хлорфторуглеродах , которые могут перемещаться в стратосферу, не разрушаясь в тропосфере из-за их низкой реакционной способности. Попадая 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 [17] атом хлора реагирует с молекулой озона ( O
3), отбирая атом кислорода с образованием монооксида хлора (ClO) и оставляя молекулу кислорода ( O
2). ClO может реагировать со второй молекулой озона, высвобождая атом хлора и образуя две молекулы кислорода. Химическое сокращение этих газофазных реакций:
Общий эффект заключается в уменьшении количества озона, хотя скорость этих процессов может быть снижена за счет эффектов нулевых циклов . Были обнаружены и более сложные механизмы, приводящие к разрушению озона в нижних слоях стратосферы.
Один атом хлора будет непрерывно разрушать озон (таким образом, являясь катализатором) в течение двух лет (временной масштаб для переноса обратно в тропосферу), за исключением реакций, которые удаляют его из этого цикла путем образования резервуарных частиц, таких как хлористый водород (HCl). и нитрат хлора ( ClONO
2). Бром даже более эффективен, чем хлор, при разрушении озона в расчете на атом, но в настоящее время в атмосфере гораздо меньше брома. И хлор, и бром вносят значительный вклад в общее разрушение 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 с образованием прочносвязанного фторида водорода (HF) в стратосфере Земли [18] , тогда как органические молекулы, содержащие йод, реагируют настолько быстро в нижних слоях атмосферы, что не достигают стратосферы в значительные количества. [19]
Один атом хлора способен вступить в реакцию в среднем со 100 000 молекулами озона, прежде чем он будет удален из каталитического цикла. Этот факт, а также количество хлора, ежегодно выбрасываемого в атмосферу хлорфторуглеродами (ХФУ) и гидрохлорфторуглеродами (ГХФУ), демонстрирует опасность ХФУ и ГХФУ для окружающей среды. [20] [21]
Озоновую дыру обычно измеряют по уменьшению общего содержания озона в столбе над определенной точкой на поверхности Земли. Обычно это выражается в единицах Добсона ; сокращенно «ДУ». Наиболее заметное уменьшение содержания озона произошло в нижних слоях стратосферы. Заметное снижение содержания озона в столбе Антарктики весной и в начале лета по сравнению с началом 1970-х годов и ранее наблюдалось с помощью таких инструментов, как спектрометр для картирования общего озона (TOMS). [22]
Сокращение озонового столба на 70 процентов, наблюдаемое в южной (южном полушарии) весной над Антарктидой и впервые зарегистрированное в 1985 году (Фарман и др.), продолжается. С 1990-х годов общее содержание озона в Антарктике в сентябре и октябре по-прежнему было на 40–50 процентов ниже, чем значения до образования озоновой дыры. [1] В 2016 году сообщалось о постепенной тенденции к «исцелению». [23] В 2017 году НАСА объявило, что озоновая дыра стала самой слабой с 1988 года из-за теплых условий в стратосфере. Ожидается, что оно восстановится примерно к 2070 году. [24]
Сумма потерь более варьируется от года к году в Арктике , чем в Антарктике. Наибольшее снижение температуры в Арктике приходится на зиму и весну, достигая 30 процентов, когда стратосфера самая холодная. [25]
Реакции, происходящие в полярных стратосферных облаках (ПСО), играют важную роль в усилении разрушения озона. [26] PSC легче образуются в условиях крайнего холода стратосферы Арктики и Антарктики. Вот почему озоновые дыры впервые образовались и находятся глубже над Антарктидой. Ранние модели не учитывали PSC и предсказывали постепенное глобальное истощение, поэтому внезапная озоновая дыра в Антарктике стала такой неожиданностью для многих ученых. [27] [28] [29]
Правильнее говорить об истощении озона в средних широтах, а не в дырах. Общее содержание озона в столбе снизилось ниже значений, существовавших до 1980 года, в период с 1980 по 1996 год в средних широтах. В северных средних широтах он затем увеличился по сравнению с минимальным значением примерно на два процента с 1996 по 2009 год, когда 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 существенных тенденций нет, во многом потому, что галогенсодержащие соединения не успели расщепиться и высвободить атомы хлора и брома в тропических широтах. [1] [30]
Было показано, что крупные извержения вулканов оказывают существенное, хотя и неравномерное, озоноразрушающее воздействие, как это наблюдалось при извержении горы Пинатубо в 1991 году на Филиппинах. [31]
Истощение озонового слоя также объясняет большую часть наблюдаемого снижения температуры в стратосфере и верхних слоях тропосферы. [32] [33] Источником тепла стратосферы является поглощение УФ-излучения озоном, следовательно, уменьшение количества озона приводит к охлаждению. Некоторое похолодание в стратосфере также прогнозируется из-за увеличения выбросов парниковых газов , таких как CO .
2и сами ХФУ; однако, по-видимому, преобладающим является похолодание, вызванное озоном. [34]
Прогнозирование уровней озона остается трудным, но точность моделей прогнозирования наблюдаемых значений и согласованность между различными методами моделирования неуклонно возрастают. [1] Глобальный проект исследования и мониторинга озона Всемирной метеорологической организации — Отчет № 44 решительно поддерживает Монреальский протокол , но отмечает, что оценка ЮНЕП 1994 года переоценила потери озона за период 1994–1997 годов. [35]
Хлорфторуглероды (ХФУ) и другие галогенированные озоноразрушающие вещества (ОРВ) в основном ответственны за антропогенное химическое разрушение озона. Общее количество эффективных галогенов (хлора и брома) в стратосфере можно рассчитать, и оно известно как эквивалент эффективного стратосферного хлора (EESC). [36]
ХФУ в качестве хладагентов были изобретены Томасом Мидгли-младшим в 1930-х годах. [37] Они использовались в кондиционерах и холодильных установках, в качестве аэрозольных распылителей до 1970-х годов, а также в процессах очистки деликатного электронного оборудования. Они также встречаются как побочные продукты некоторых химических процессов. Никаких существенных природных источников этих соединений никогда не было обнаружено — их присутствие в атмосфере почти полностью связано с человеческим производством. Как упоминалось выше, когда такие разрушающие озоновый слой химические вещества достигают стратосферы, они диссоциируются под действием ультрафиолетового света с выделением атомов хлора. Атомы хлора действуют как катализатор , и каждый из них может разрушить десятки тысяч молекул озона, прежде чем он будет удален из стратосферы. Учитывая долговечность молекул CFC, время восстановления измеряется десятилетиями. Подсчитано, что молекуле ХФУ требуется в среднем около пяти-семи лет, чтобы пройти путь от уровня земли до верхних слоев атмосферы, и она может оставаться там около столетия, уничтожая за это время до ста тысяч молекул озона. [38] [ необходима проверка ]
1,1,1-Трихлор-2,2,2-трифторэтан , также известный как CFC-113a, является одним из четырех искусственных химических веществ, недавно обнаруженных в атмосфере командой Университета Восточной Англии. CFC-113a — единственный известный CFC , содержание которого в атмосфере продолжает расти. Его источник остается загадкой, но некоторые подозревают незаконное производство. ХФУ-113а, похоже, неослабевающе накапливался с 1960 года. В период с 2012 по 2017 год концентрации газа подскочили на 40 процентов. [39]
Исследование международной группы исследователей, опубликованное в журнале Nature, показало, что с 2013 года выбросы, происходящие преимущественно из северо-восточного Китая, привели к выбросу в атмосферу большого количества запрещенного химического вещества хлорфторуглерода-11 (CFC-11). По оценкам ученых, без принятия мер выбросы CFC-11 задержат восстановление озоновой дыры на планете на десятилетие. [40] [41] [42]
Ученые связали разрушение озона с увеличением содержания искусственных (антропогенных) галогенных соединений из ХФУ, объединив данные наблюдений с компьютерными моделями. Эти сложные модели химического переноса (например, SLIMCAT , CLaMS — химическая лагранжева модель стратосферы) работают путем объединения измерений химических веществ и метеорологических полей с константами скорости химических реакций. Они идентифицируют ключевые химические реакции и процессы переноса, которые приводят продукты фотолиза ХФУ в контакт с озоном.
Антарктическая озоновая дыра — это область антарктической стратосферы, в которой недавний уровень озона упал до 33 процентов от значений до 1975 года. [44] Озоновая дыра возникает во время антарктической весны, с сентября по начало декабря, когда сильные западные ветры начинают циркулировать вокруг континента и создавать атмосферный контейнер. Внутри этого полярного вихря во время антарктической весны разрушается более 50 процентов нижнего стратосферного озона. [45]
Как объяснялось выше, основной причиной разрушения озона является присутствие хлорсодержащих исходных газов (в первую очередь ХФУ и родственных им галогенуглеродов). В присутствии ультрафиолета эти газы диссоциируют, выделяя атомы хлора, которые затем катализируют разрушение озона. Разрушение озона, катализируемое Cl, может происходить в газовой фазе, но оно резко усиливается в присутствии полярных стратосферных облаков (ПСО). [46]
Эти полярные стратосферные облака образуются зимой, в условиях сильного холода. Полярная зима темная, состоит из трех месяцев без солнечной радиации (солнечного света). Недостаток солнечного света способствует снижению температуры, а полярный вихрь захватывает и охлаждает воздух. Температура колеблется около или ниже -80 ° C. Эти низкие температуры образуют частицы облаков. Существует три типа облаков PSC — облака тригидрата азотной кислоты, медленно остывающие облака из водяного льда и быстро остывающие облака из водяного льда (перламутра) — обеспечивают поверхности для химических реакций, продукты которых весной приведут к разрушению озона. [47]
Происходящие фотохимические процессы сложны, но хорошо изучены . 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 разрушения озона. Бывший секвестр Cl, который позже может быть доступен за счет поглощения света с длиной волны более короткой, чем 400 нм. [48] Однако во время антарктической зимы и весны реакции на поверхности частиц полярных стратосферных облаков преобразуют эти «резервуарные» соединения в реактивные свободные радикалы (Cl и ClO). Денитрификация — это процесс, при котором облака удаляют NO.
2из стратосферы путем преобразования ее в азотную кислоту в частицах PSC, которые затем теряются в результате седиментации. Это предотвращает превращение новообразованного ClO обратно в ClONO.
2.
Роль солнечного света в разрушении озона является причиной того, что разрушение озона в Антарктике является наибольшим весной. Зимой, хотя PSC наиболее многочисленны, над полюсом нет света, который мог бы вызвать химические реакции. Однако весной солнечный свет возвращается и дает энергию для запуска фотохимических реакций и плавления полярных стратосферных облаков, высвобождая значительное количество ClO, который запускает дырочный механизм. Дальнейшее потепление ближе к концу весны разрушает водоворот примерно в середине декабря. Как тепло, озон и NO
2-богатый воздух поступает из более низких широт, ПСО разрушаются, процесс усиленного разрушения озона прекращается, и озоновая дыра закрывается. [49]
Большая часть разрушающегося озона находится в нижней стратосфере, в отличие от гораздо меньшего истощения озона за счет гомогенных газофазных реакций, которое происходит преимущественно в верхней стратосфере. [50]
Общественные заблуждения и непонимание таких сложных проблем, как разрушение озонового слоя, являются обычным явлением. Ограниченные научные знания общественности привели к путанице в отношении глобального потепления [51] или восприятию глобального потепления как разновидности «озоновой дыры». [52] Вначале классические зеленые НПО воздерживались от использования истощения запасов ХФУ в своих кампаниях, поскольку считали, что тема слишком сложна. [53] Они стали активными гораздо позже, например, в поддержку Гринпис холодильника без ХФУ, произведенного бывшей восточногерманской компанией VEB dkk Scharfenstein. [53] [54]
Метафоры, использованные в обсуждении ХФУ (озоновый щит, озоновая дыра), не являются «точными» в научном смысле. «Озоновая дыра» — это скорее впадина , а не «дыра в лобовом стекле». Озон не исчезает через слой, равно как и не происходит равномерного «истончения» озонового слоя. Однако они больше находили отклик у неученых и их опасений. [55] Озоновая дыра рассматривалась как «горячая проблема» и неминуемый риск [56] , поскольку миряне опасались серьезных личных последствий, таких как рак кожи, катаракта, повреждение растений и сокращение популяций планктона в фотозоне океана. Не только на политическом уровне, регулирование озона по сравнению с изменением климата, по мнению общественного мнения, оказалось намного лучше. Американцы добровольно отказались от аэрозольных баллончиков до того, как закон вступил в силу, в то время как изменение климата не вызвало такого же беспокойства и общественных действий. [55] Внезапное обнаружение в 1985 году существенной «дыры» широко освещалось в прессе. Особенно быстрое разрушение озона в Антарктиде ранее считалось ошибкой измерений. [57] После регулирования был достигнут научный консенсус. [53]
Хотя озоновая дыра в Антарктике оказывает относительно небольшое влияние на глобальный озон, дыра вызвала большой общественный интерес, потому что:
Поскольку озоновый слой поглощает ультрафиолетовые лучи UVB от солнца, истощение озонового слоя увеличивает уровень UVB на поверхности (при прочих равных условиях), что может привести к повреждению, включая рост рака кожи . Это и послужило причиной Монреальского протокола. Хотя уменьшение содержания стратосферного озона тесно связано с ХФУ и увеличением приземного УФ-В излучения, прямых наблюдательных данных, связывающих истощение озона с более высокой заболеваемостью раком кожи и повреждением глаз у людей, не существует. Отчасти это связано с тем, что УФА , который также участвует в некоторых формах рака кожи, не поглощается озоном, а также потому, что практически невозможно контролировать статистику изменений образа жизни с течением времени. Истощение озона также может влиять на характер ветра. [62]
Озон, хотя и составляет меньшинство в атмосфере Земли, ответственен за большую часть поглощения UVB-излучения. Количество UVB-излучения, проникающего через озоновый слой, экспоненциально уменьшается с увеличением толщины и плотности наклонного пути слоя. [63] Когда уровень стратосферного озона снижается, более высокие уровни UVB достигают поверхности Земли. [1] [64] Образование фенолов в годичных кольцах под воздействием УФ-излучения датирует начало разрушения озона в северных широтах концом 1700-х годов. [65]
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 показателем и большим риском для здоровья . В докладе сделан вывод, что истощение уровня озона в средних широтах планеты уже ставит под угрозу большое население в этих районах. [66] Позже CONIDA, Перуанское космическое агентство, опубликовало собственное исследование, которое дало почти те же результаты, что и эквадорское исследование.
Основной проблемой общественности в отношении озоновой дыры является влияние повышенного поверхностного УФ-излучения на здоровье человека. До сих пор разрушение озона в большинстве мест обычно составляло несколько процентов, и, как отмечалось выше, в большинстве широт нет прямых доказательств ущерба здоровью. Если бы высокие уровни истощения озоновой дыры были обычным явлением по всему земному шару, последствия могли бы быть значительно более драматичными. Поскольку озоновая дыра над Антарктидой в некоторых случаях стала настолько большой, что затронула некоторые части Австралии , Новой Зеландии , Чили , Аргентины и Южной Африки , экологи обеспокоены тем, что увеличение приземного ультрафиолетового излучения может быть значительным. [67] Чрезмерное ультрафиолетовое излучение (УФР) оказывает снижающее воздействие на скорость фотосинтеза и рост сообществ донных диатомей (виды микроводорослей, которые повышают качество воды и устойчивы к загрязнению), которые присутствуют на мелководье в пресной воде. [68]
Истощение озона усилит все последствия воздействия ультрафиолета на здоровье человека , как положительные (включая выработку витамина D), так и отрицательные (включая солнечные ожоги, рак кожи и катаракту). Кроме того, повышенное приземное ультрафиолетовое излучение приводит к увеличению тропосферного озона, что представляет опасность для здоровья человека. [69]
Наиболее распространенные формы рака кожи у людей — базально- и плоскоклеточный рак — тесно связаны с воздействием УФ-В. Механизм, с помощью которого УФ-В индуцирует эти виды рака, хорошо понятен: поглощение УФ-В-излучения приводит к образованию димеров пиримидиновых оснований в молекуле ДНК , что приводит к ошибкам транскрипции при репликации ДНК. Эти виды рака относительно легкие и редко приводят к летальному исходу, хотя лечение плоскоклеточного рака иногда требует обширной реконструктивной хирургии. Объединив эпидемиологические данные с результатами исследований на животных, ученые подсчитали, что каждый процент снижения долгосрочного стратосферного озона приведет к увеличению заболеваемости этими видами рака на 2%. [70]
Другая форма рака кожи, злокачественная меланома , встречается гораздо реже, но гораздо более опасна: она приводит к летальному исходу примерно в 15–20 процентах диагностированных случаев. Взаимосвязь между злокачественной меланомой и воздействием ультрафиолета еще не до конца понятна, но, по всей видимости, здесь задействованы как УФ-В, так и УФ-А. Из-за этой неопределенности трудно оценить влияние разрушения озона на заболеваемость меланомой. Одно исследование показало, что 10-процентное увеличение УФ-излучения связано с увеличением заболеваемости меланомой на 19 процентов у мужчин и на 16 процентов у женщин. [71] Исследование людей в Пунта-Аренас , на южной оконечности Чили , показало 56-процентное увеличение заболеваемости меланомой и 46-процентное увеличение немеланомного рака кожи в течение семи лет, а также снижение уровня озона и повышение уровня УФ-В. [72]
Эпидемиологические исследования предполагают связь между катарактой коры глаз и воздействием УФ-В, используя грубые приблизительные оценки воздействия и различные методы оценки катаракты. Детальная оценка воздействия УФ-В на глаза была проведена в исследовании, проведенном в Чесапикском заливе Уотермен, где увеличение среднегодового воздействия на глаза было связано с увеличением риска помутнения коры головного мозга. [73] В этой сильно подверженной воздействию группе, состоящей преимущественно из белых мужчин, доказательства связи помутнения коры головного мозга с воздействием солнечного света были самыми убедительными на сегодняшний день. На основе этих результатов прогнозируется, что истощение озонового слоя приведет к сотням тысяч дополнительных катаракт к 2050 году. [74]
Увеличение поверхностного ультрафиолета приводит к увеличению содержания тропосферного озона. Приземный озон обычно считается опасным для здоровья, поскольку озон токсичен из-за своих сильных окислительных свойств. Риски особенно высоки для маленьких детей, пожилых людей, а также людей, страдающих астмой или другими респираторными заболеваниями. В настоящее время озон на уровне земли образуется в основном за счет воздействия УФ-излучения на дымовые газы выхлопных газов транспортных средств. [75]
Витамин D вырабатывается в коже под действием ультрафиолета. Таким образом, более высокое воздействие ультрафиолета повышает уровень витамина D у людей, испытывающих его дефицит. [76] Недавние исследования (в первую очередь после принятия Монреальского протокола) показывают, что у многих людей уровень витамина D ниже оптимального. В частности, на основе данных Национального обследования здоровья и питания было обнаружено, что в населении США самая низкая четверть уровня витамина D (<17,8 нг/мл) связана с увеличением смертности от всех причин среди населения в целом. [77] Хотя уровень витамина D в крови, превышающий 100 нг/мл, по-видимому, приводит к чрезмерному повышению уровня кальция в крови и связан с более высокой смертностью, в организме есть механизмы, которые не позволяют солнечному свету производить витамин D сверх потребностей организма. [78]
В отчете ученых из Института зоологии в Лондоне, опубликованном в ноябре 2011 года, было обнаружено, что киты у берегов Калифорнии продемонстрировали резкое увеличение ущерба от солнца, и эти ученые «боятся, что виной тому истончение озонового слоя». [79] В ходе исследования были сфотографированы и взяты биопсии кожи более чем 150 китов в Калифорнийском заливе и обнаружено «широко распространенное свидетельство повреждения эпидермиса, обычно связанного с острыми и тяжелыми солнечными ожогами», поскольку клетки образуются, когда ДНК повреждается УФ-излучением. Полученные данные свидетельствуют о том, что «рост уровня УФ-излучения в результате истощения озонового слоя является причиной наблюдаемого повреждения кожи, точно так же, как в последние десятилетия растет уровень заболеваемости раком кожи у людей». [80] Помимо китов, многие другие животные, такие как собаки, кошки, овцы и наземные экосистемы, также страдают от негативного воздействия повышенного УФ-В-излучения. [81]
Ожидается, что увеличение УФ-излучения повлияет на сельскохозяйственные культуры. Ряд экономически важных видов растений, таких как рис , зависят от цианобактерий , обитающих на их корнях, для удержания азота . Цианобактерии чувствительны к УФ-излучению и могут пострадать от его увеличения. [82] «Несмотря на механизмы уменьшения или устранения последствий повышенного ультрафиолетового излучения, растения имеют ограниченную способность адаптироваться к повышенным уровням УФ-В, поэтому УФ-излучение может напрямую влиять на рост растений». [83]
За прошедшие годы озоновый слой Арктики сильно истощился. Как следствие, виды, обитающие над снежным покровом или в районах, где из-за высоких температур обильно тает снег, подвергаются негативному воздействию УФ-излучения, достигающего земли. [84] Первоначально предполагалось, что истощение озонового слоя и избыточное УФ-излучение увеличивают ущерб, наносимый ДНК растений. В отчетах было обнаружено, что когда растения подвергаются воздействию УФБ-излучения, аналогичному истощению стратосферного озона, не происходит значительных изменений в высоте растений или массе листьев, но наблюдается реакция биомассы побегов и площади листьев с небольшим уменьшением. [85] Однако было показано, что УФВ-излучение снижает квантовый выход фотосистемы II. [86] УФ-В-повреждение происходит только при сильном воздействии, и большинство растений также содержат флавоноиды, поглощающие УФ-В, которые позволяют им акклиматизироваться к присутствующему излучению. Растения испытывают разные уровни УФ-излучения в течение дня. Известно, что они способны изменять уровни и типы содержащихся в них УФ-защитных средств (т.е. флавоноидов) в течение дня. Это позволяет им повысить защиту от УФ-излучения. [87] Растения, подвергшиеся воздействию радиации на протяжении всего развития, больше страдают от неспособности перехватывать свет большей площадью листьев, чем от нарушения фотосинтетических систем. [88] Ущерб от UVB-излучения, скорее всего, будет значительным для взаимодействия видов, чем для самих растений. [89]
Еще одним значительным воздействием разрушения озона на жизнь растений является стресс, который растения испытывают при воздействии УФ-излучения. Это может вызвать замедление роста растений и усиление окислительного стресса из-за выработки оксида азота и перекиси водорода. [90] В районах, где произошло значительное разрушение озонового слоя, повышенное УФ-В излучение снижает продуктивность наземных растений (а также секвестрацию углерода) примерно на 6%. [91]
Более того, если растения подвергаются высокому уровню УФ-излучения, это может вызвать выработку вредных летучих органических соединений , таких как изопрены. Выбросы изопрена в воздух растениями могут серьезно повлиять на окружающую среду, увеличивая загрязнение воздуха и увеличивая количество углерода в атмосфере, что в конечном итоге способствует изменению климата. [92]
Полная степень ущерба, который ХФУ нанесли озоновому слою, неизвестна и не будет известна в течение десятилетий; однако уже наблюдалось заметное снижение содержания озона в столбе. Монреальская и Венская конвенции были приняты задолго до того, как был установлен научный консенсус или были устранены важные неопределенности в области науки. [53] Случай с озоном был сравнительно хорошо понятен непрофессионалам, поскольку, например, озоновый щит или озоновая дыра были полезными «легкими для понимания связующими метафорами». [55] Американцы добровольно отказались от аэрозольных баллончиков, что привело к 50-процентной потере продаж еще до того, как закон вступил в силу. [55]
После того, как в отчете Национальной академии наук США за 1976 год был сделан вывод о том, что достоверные научные данные подтверждают гипотезу разрушения озона [93], несколько стран, в том числе США, Канада, Швеция, Дания и Норвегия, предприняли шаги по прекращению использования ХФУ. в аэрозольных баллончиках. [94] В то время это широко рассматривалось как первый шаг к более комплексной политике регулирования, но прогресс в этом направлении в последующие годы замедлился из-за сочетания политических факторов (продолжающееся сопротивление со стороны галоидной промышленности и общее изменение в отношение к экологическому регулированию в течение первых двух лет правления администрации Рейгана) и научные разработки (последующие оценки Национальной академии, показавшие, что первые оценки масштабов разрушения озона были слишком большими). Срок действия важнейшего патента DuPont на производство фреона истекал в 1979 году . Соединенные Штаты запретили использование ХФУ в аэрозольных баллончиках в 1978 году. [94] Европейское сообщество отклонило предложения о запрете ХФУ в аэрозольных баллончиках, а в США ХФУ продолжали использоваться в качестве хладагентов и для очистки печатных плат. Мировое производство ХФУ резко упало после запрета на аэрозоли в США, но к 1986 году вернулось почти к уровню 1976 года. [94] В 1993 году компания DuPont Canada закрыла свое предприятие по производству ХФУ. [95]
Позиция правительства США снова начала меняться в 1983 году, когда Уильям Ракелсхаус сменил Энн М. Берфорд на посту администратора Агентства по охране окружающей среды США . Под руководством Рукельшауса и его преемника Ли Томаса Агентство по охране окружающей среды настаивало на международном подходе к регулированию содержания галоидуглеродов. В 1985 году двадцать стран, включая большинство крупнейших производителей ХФУ, подписали Венскую конвенцию о защите озонового слоя , которая установила основу для переговоров по международным правилам в отношении озоноразрушающих веществ. В том же году было объявлено об открытии антарктической озоновой дыры, что вызвало оживление общественного внимания к этой проблеме. В 1987 году представители 43 стран подписали Монреальский протокол . Тем временем галоидная промышленность изменила свою позицию и начала поддерживать протокол по ограничению производства ХФУ. Однако этот сдвиг был неравномерным: DuPont действовала быстрее, чем ее европейские коллеги. Компания DuPont, возможно, опасалась судебных исков, связанных с ростом заболеваемости раком кожи, особенно после того, как в 1986 году Агентство по охране окружающей среды опубликовало исследование, в котором утверждалось, что в следующие 88 лет в США следует ожидать дополнительных 40 миллионов случаев заболевания раком и 800 000 смертей от рака. [96] ЕС также изменил свою позицию после того, как Германия отказалась от защиты отрасли ХФУ и начала поддерживать шаги по регулированию. Правительство и промышленность Франции и Великобритании пытались защитить свои отрасли производства ХФУ даже после подписания Монреальского протокола. [97]
В Монреале участники согласились заморозить производство ХФУ на уровне 1986 года и сократить производство на 50 процентов к 1999 году. [94] После того, как серия научных экспедиций в Антарктику предоставила убедительные доказательства того, что озоновая дыра действительно была вызвана хлором и бромом. От искусственных галогенорганических соединений Монреальский протокол был усилен на встрече 1990 года в Лондоне. Участники согласились полностью отказаться от ХФУ и галонов (за исключением очень небольшого количества, отмеченного для некоторых «основных» применений, таких как ингаляторы от астмы ) к 2000 году в странах, не действующих в рамках статьи 5, и к 2010 году в странах, подписавших статью 5 (менее развитые). [98] На встрече в Копенгагене в 1992 году дата поэтапного отказа была перенесена на 1996 год. [98] На той же встрече бромистый метил (MeBr), фумигант, используемый в основном в сельскохозяйственном производстве, был добавлен в список контролируемых веществ. вещества. Для всех веществ, контролируемых в соответствии с протоколом, графики поэтапного отказа были отложены для менее развитых («Статья 5(1)») стран, и поэтапный отказ в этих странах был поддержан передачей опыта, технологий и денег из стран, не подпадающих под действие статьи 5(1). Стороны Протокола. Кроме того, на исключения из согласованных списков можно подать заявку в рамках процесса освобождения от основного использования (EUE) для веществ, отличных от бромистого метила, и в рамках процесса исключения в отношении важнейших видов использования (CUE) для бромистого метила. [99] [100]
Гражданское общество, особенно НПО, играло решающую роль на всех этапах разработки политики, предшествовавшей Венской конференции, Монреальскому протоколу, а также в последующей оценке соблюдения. [101] [102] [103] [104] Крупнейшие компании заявили, что альтернатив ГФУ не существует. [105] В Гамбургском технологическом институте в Германии был разработан озонобезопасный углеводородный хладагент, состоящий из смеси углеводородных газов пропана и бутана , и в 1992 году он попал в поле зрения неправительственной организации (НПО) Гринпис. Гринпис назвал это «Гринфриз». [106] [107] Затем НПО успешно работала сначала с небольшой и борющейся компанией по продаже бытовой техники сначала в Европе, затем в Азии, а затем в Латинской Америке, получив в 1997 году награду ЮНЕП. [108] [109] К 1995 году Германия уже запретила использование ХФУ-холодильников. [109] С 2004 года такие корпорации, как Coca-Cola, Carlsberg и IKEA, формируют коалицию для продвижения озонобезопасных установок Greenfreeze. Производство распространилось на такие компании, как Electrolux, Bosch и LG , а к 2008 году объем продаж достиг около 300 миллионов холодильников . Год спустя. [111] [112] К 2013 году его использовали около 700 миллионов холодильников, что составляло около 40 процентов рынка. [105] Однако в США изменения происходили гораздо медленнее. В некоторой степени ХФУ были заменены менее вредными гидрохлорфторуглеродами ( ГХФУ ), хотя сохраняется обеспокоенность и в отношении ГХФУ. В некоторых случаях вместо ХФУ использовались гидрофторуглероды ( ГФУ ). ГФУ, не содержащие хлора и брома, совершенно не способствуют разрушению озонового слоя, хотя они являются мощными парниковыми газами. Самым известным из этих соединений, вероятно, является HFC-134a ( R-134a ), который в США в значительной степени заменил CFC-12 ( R-12 ) в автомобильных кондиционерах. В лабораторной аналитике (бывшее «необходимое» применение) озоноразрушающие вещества можно заменить различными другими растворителями. [113] Химические компании, такие как Du Pont, представители которых даже пренебрежительно называли Greenfreeze «этой немецкой технологией», маневрировали Агентством по охране окружающей среды, чтобы заблокировать эту технологию в США до 2011 года. [114] [ 115 ] [116] [117] Ben & Jerry's из Unilever и General Electric, подстрекаемые Гринпис, выразили официальный интерес в 2008 году, что фигурировало в окончательном одобрении Агентства по охране окружающей среды.[108] [118]
В 2009 году ЕС пересмотрел свое Положение об озоне. Закон запрещает озоноразрушающие вещества с целью защиты озонового слоя. [119] Список ОРВ, на которые распространяется регулирование, аналогичен спискам Монреальского протокола, с некоторыми дополнениями. [120]
Совсем недавно эксперты по политике выступили за попытку связать усилия по защите озона с усилиями по защите климата. [121] [122] Многие ОРВ также являются парниковыми газами, в краткосрочной и среднесрочной перспективе они в несколько тысяч раз более мощные агенты радиационного воздействия, чем углекислый газ. Таким образом, политика защиты озонового слоя принесла пользу в смягчении последствий изменения климата . Фактически, снижение радиационного воздействия из-за ОРВ, вероятно, скрыло истинный уровень воздействия других парниковых газов на изменение климата и стало причиной «замедления» глобального потепления с середины 90-х годов. [123] [ необходимы дополнительные ссылки ] Политические решения в одной области влияют на затраты и эффективность экологических улучшений в другой.
ИМО внесла поправки в Правило 12 Приложения VI к Конвенции МАРПОЛ , касающееся веществ, разрушающих озоновый слой. С 1 июля 2010 года все суда, на которых применяется Приложение VI MARPOL, должны иметь список оборудования, использующего озоноразрушающие вещества. Список должен включать название ОРВ, тип и местонахождение оборудования, количество в кг и дату. Все изменения, произошедшие с этой даты, должны регистрироваться в бортовой книге учета СОД, в которой регистрируются все запланированные или непреднамеренные выбросы в атмосферу. Кроме того, необходимо также регистрировать новые поставки или выгрузку ОРВ на береговые объекты.
Поскольку принятие и усиление Монреальского протокола привело к сокращению выбросов ХФУ, концентрации наиболее важных соединений в атмосфере 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 содержания озоноразрушающих химикатов также существенно повлияло сокращение содержания бромсодержащих химикатов. Данные свидетельствуют о том, что существуют значительные природные источники атмосферного бромистого метила ( CH
3Бр ). [1] Поэтапный отказ от использования ХФУ означает, что закись азота ( N
2O ), который не подпадает под действие Монреальского протокола, стал самым сильно выделяемым озоноразрушающим веществом и, как ожидается, останется таковым на протяжении всего 21 века. [124]
Согласно шестому оценочному докладу МГЭИК, глобальные уровни стратосферного озона быстро снизились в 1970-х и 1980-х годах и с тех пор повышаются, но не достигли доиндустриального уровня. Хотя от года к году ожидается значительная изменчивость, 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. [125]
Ожидается, что озоновая дыра в Антарктике будет сохраняться в течение десятилетий. Концентрация озона в нижней стратосфере над Антарктидой увеличится на 5–10 процентов к 2020 году и вернется к уровням, существовавшим 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 более широкое прогнозируемое будущее использование в развивающихся странах. Еще одним фактором, который может продлить разрушение озона, является вынос оксидов азота из-под стратосферы из-за изменения характера ветра. [126] В 2016 году сообщалось о постепенной тенденции к «исцелению». [23] В 2019 году озоновая дыра была самой маленькой за последние тридцать лет из-за более теплой полярной стратосферы, ослабляющей полярный вихрь. [127] В сентябре 2023 года антарктическая озоновая дыра была одной из крупнейших за всю историю наблюдений — ее площадь составляла 26 миллионов квадратных километров. Аномально большая потеря озона могла быть результатом извержения вулкана Тонга в 2022 году . [128]
Основные физические и химические процессы, приводящие к образованию озонового слоя в стратосфере Земли, были открыты Сиднеем Чепменом в 1930 году. Коротковолновое УФ-излучение расщепляет кислород ( O
2) молекулы на два атома кислорода (O), которые затем соединяются с другими молекулами кислорода, образуя озон. Озон удаляется, когда атом кислорода и молекула озона «рекомбинируются» 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 (OH) и оксид азота (NO), могут катализировать эту реакцию рекомбинации, уменьшая общее количество озона. Было известно, что эти свободные радикалы присутствуют в стратосфере и поэтому рассматривались как часть естественного баланса: было подсчитано, что в их отсутствие озоновый слой был бы примерно в два раза толще, чем сейчас.
В 1970 году Пол Крутцен отметил, 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 закись азота живет достаточно долго, чтобы достичь стратосферы, где она превращается в NO. Затем Крутцен отметил, что увеличение использования удобрений могло привести к увеличению выбросов закиси азота по сравнению с естественным фоном, что, в свою очередь, привело бы к увеличению количества NO в стратосфере. Таким образом, человеческая деятельность может повлиять на стратосферный озоновый слой. В следующем году Крутцен и (независимо) Гарольд Джонстон предположили, что выбросы NO от сверхзвуковых пассажирских самолетов , которые будут летать в нижних слоях стратосферы, также могут истощать озоновый слой. Однако более поздний анализ, проведенный в 1995 году Дэвидом У. Фэи, ученым-атмосферником из Национального управления океанических и атмосферных исследований , показал, что падение содержания озона составило бы 1–2 процента, если бы эксплуатировался парк из 500 сверхзвуковых пассажирских самолетов. [129] Это, по словам Фэи, не станет препятствием для разработки передовых сверхзвуковых пассажирских самолетов. [130]
В 1974 году Фрэнк Шервуд Роуленд , профессор химии Калифорнийского университета в Ирвине, и его научный сотрудник 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 во время круиза по Южной Атлантике в 1971 году обнаружил, 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 Н.
2О , ХФУ достигнут стратосферы, где они будут диссоциированы под действием ультрафиолетового света, высвобождая атомы хлора. Годом ранее Ричард Столарски и Ральф Цицерон из Мичиганского университета показали, что Cl даже более эффективно, чем NO, катализирует разрушение 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 последствия выбросов HCl от космического корабля «Шаттл» , которые намного меньше.
Гипотеза Роуленда-Молины резко оспаривалась представителями аэрозольной и галогенуглеродной промышленности. Председатель правления DuPont заявил, что теория разрушения озона — это «научная фантастика… чушь… полная чепуха». [131] Роберт Абпланальп , президент Precision Valve Corporation (и изобретатель первого практического клапана аэрозольного баллончика), написал канцлеру Калифорнийского университета в Ирвайне , чтобы пожаловаться на публичные заявления Роуленда. [132] Тем не менее, в течение трех лет большинство основных предположений Роуленда и Молины были подтверждены лабораторными измерениями и прямыми наблюдениями в стратосфере. Концентрации исходных газов (ХФУ и родственных соединений) и резервуарных форм хлора (HCl и ClONO
2) были измерены по всей стратосфере и продемонстрировали, что ХФУ действительно являются основным источником стратосферного хлора и что почти все выбрасываемые ХФУ в конечном итоге достигают стратосферы. Еще более убедительными оказались измерения Джеймсом Г. Андерсоном и его сотрудниками содержания монооксида хлора (ClO) в стратосфере. ClO образуется в результате реакции Cl с озоном. Таким образом, это наблюдение показало, что радикалы Cl не только присутствовали в стратосфере, но и фактически участвовали 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 доказали, что бромированные органические соединения , известные как галоны , широко используемые в огнетушителях, являются потенциально крупным источником стратосферных выбросов. бром. В 1976 году Национальная академия наук США опубликовала отчет, в котором пришел к выводу, что гипотеза разрушения озона убедительно подтверждается научными данными. В ответ Соединенные Штаты, Канада и Норвегия запретили использование ХФУ в аэрозольных баллончиках в 1978 году. По первоначальным оценкам, если производство ХФУ продолжится на уровне 1977 года, общее количество озона в атмосфере примерно через столетие достигнет устойчивого состояния, 15 на 18 процентов ниже нормального уровня. К 1984 году, когда стали доступны более убедительные данные о скорости критических реакций, эта оценка была изменена на 5–9 процентов истощения в установившемся состоянии. [133]
Крутцен, Молина и Роуленд были удостоены Нобелевской премии по химии 1995 года за исследования стратосферного озона.
Открытие антарктической «озоновой дыры» учеными Британской антарктической службы Фарманом , Гардинером и Шанклином (впервые сообщалось в статье в журнале Nature в мае 1985 года [134] ) стало шоком для научного сообщества, поскольку наблюдаемое снижение содержания полярного озона оказался гораздо больше, чем кто-либо ожидал. [57] В то же время стали доступны спутниковые измерения ( TOMS на борту «Нимбус-7 »), показывающие массовое истощение озона вокруг южного полюса . [135] Однако первоначально они были отклонены алгоритмами контроля качества данных как необоснованные (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 подтверждения разрушения озона в наблюдениях на месте . [97] Когда программное обеспечение было перезапущено без флагов, озоновая дыра была замечена еще в 1976 году. [136]
Сьюзан Соломон , атмосферный химик из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA), предположила, что химические реакции в полярных стратосферных облаках (PSC) в холодной стратосфере Антарктики вызывают массовое, хотя и локализованное и сезонное, увеличение количества хлора , присутствующего в атмосфере. активные, озоноразрушающие формы. Полярные стратосферные облака в Антарктиде образуются только при очень низких температурах, до -80 ° C, и в условиях ранней весны. В таких условиях кристаллы льда в облаке представляют собой подходящую поверхность для превращения нереактивных соединений хлора в активные соединения хлора, которые могут легко истощать озон.
Более того, полярный вихрь , образовавшийся над Антарктидой , очень плотный и реакция, происходящая на поверхности облачных кристаллов, сильно отличается от той, которая происходит в атмосфере. Эти условия привели к образованию озоновых дыр в Антарктиде. Эта гипотеза была решительно подтверждена сначала лабораторными измерениями, а затем и прямыми измерениями с земли и с высотных самолетов очень высоких концентраций монооксида хлора (ClO) в стратосфере Антарктики. [137]
Альтернативные гипотезы, которые объясняли появление озоновой дыры изменениями солнечного УФ-излучения или изменениями в характере циркуляции атмосферы, также были проверены и оказались несостоятельными. [138]
Между тем, анализ измерений озона с помощью всемирной сети наземных спектрофотометров Добсона привел международную группу экспертов к выводу, что озоновый слой фактически истощается на всех широтах за пределами тропиков. [30] Эти тенденции были подтверждены спутниковыми измерениями. Как следствие, основные страны-производители галогенуглеродов согласились поэтапно отказаться от производства ХФУ, галонов и родственных соединений, и этот 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 разрушения озона , основанных на спутниковых измерениях. Отчет 2007 года показал, что дыра в озоновом слое восстанавливается и является самой маленькой за последние десять лет. [139] В докладе 2010 года говорится: «За последнее десятилетие глобальный озон и озон в Арктике и Антарктике больше не уменьшается, но и не увеличивается. Прогнозируется, что озоновый слой за пределами полярных регионов восстановится до уровня, существовавшего до 1980 года. уровни где-то до середины этого столетия. Напротив, весенняя озоновая дыра над Антарктикой, как ожидается, восстановится гораздо позже». [140] В 2012 году НОАА и НАСА сообщили: «Повышение температуры воздуха высоко над Антарктикой привело к образованию второй по величине сезонной озоновой дыры за 20 лет, составившей в среднем 17,9 миллионов квадратных километров. Дыра достигла максимального размера за сезон 22 сентября, простираясь до 21,2 миллиона квадратных километров». [141] О постепенной тенденции к «исцелению» сообщалось в 2016 году [23] , а затем в 2017 году. [142] Сообщается, что сигнал восстановления очевиден даже на высотах насыщения потери озона. [143]
Дыра в озоновом слое Земли над Южным полюсом повлияла на циркуляцию атмосферы в Южном полушарии вплоть до экватора. [144] Озоновая дыра повлияла на циркуляцию атмосферы вплоть до тропиков и увеличила количество осадков в низких субтропических широтах Южного полушария. [145]
3 марта 2005 г. журнал Nature [146] опубликовал статью, связывающую необычно большую арктическую озоновую дыру 2004 г. с активностью солнечного ветра.
15 марта 2011 года наблюдалась рекордная потеря озонового слоя: около половины озона, присутствующего над Арктикой, было уничтожено. [147] [148] [149] Это изменение было объяснено все более холодными зимами в арктической стратосфере на высоте примерно 20 км (12 миль), изменением, связанным с глобальным потеплением, взаимосвязь которого все еще изучается. [148] К 25 марта потеря озона стала самой большой по сравнению с той, которая наблюдалась во все предыдущие зимы, с возможностью того, что она превратится в озоновую дыру. [150] Для этого потребуется, чтобы количество озона упало ниже 200 единиц Добсона по сравнению с 250, зафиксированными над Центральной Сибирью. [150] Прогнозируется, что истончение слоя затронет некоторые части Скандинавии и Восточной Европы 30–31 марта. [150]
2 октября 2011 года в журнале Nature было опубликовано исследование , в котором говорилось, что в период с декабря 2010 года по март 2011 года до 80 процентов озона в атмосфере на высоте около 20 километров (12 миль) над поверхностью было уничтожено. [151] Уровень разрушения озонового слоя был настолько серьезным, что ученые заявили, что его можно сравнить с озоновой дырой, которая образуется над Антарктидой каждую зиму. [151] Согласно исследованию, «впервые произошли значительные потери, которые можно с полным основанием назвать арктической озоновой дырой». [151] В ходе исследования были проанализированы данные со спутников Aura и CALIPSO и установлено, что большая, чем обычно, потеря озона была вызвана необычно длительным периодом холодной погоды в Арктике, примерно на 30 дней дольше обычного, что позволило будут созданы озоноразрушающие соединения хлора. [152] По словам Ламонта Пула, соавтора исследования, частицы облаков и аэрозолей, на которых обнаружены соединения хлора, «были в изобилии в Арктике до середины марта 2011 года — намного позже, чем обычно — со средними количествами на некоторых высотах, аналогичными к тем, которые наблюдаются в Антарктике, и значительно превышают почти нулевые значения, наблюдаемые в марте в большинство арктических зим». [152]
В 2013 году исследователи проанализировали данные и обнаружили, что арктическое событие 2010–2011 годов не достигло уровня разрушения озона, чтобы его можно было классифицировать как настоящую дыру. Озоновая дыра обычно классифицируется как 220 единиц Добсона или ниже; [153] Арктическая дыра не приближалась к такому низкому уровню. [154] [155] С тех пор его классифицировали как «мини-дырку». [156]
После истощения озона в 1997 и 2011 годах с помощью метеозондов над Арктикой в марте 2020 года было измерено снижение содержания озона на 90 %, поскольку обычно они регистрировали 3,5 частей на миллион озона по сравнению с лишь примерно 0,3 частей на миллион в последний раз из-за низкие температуры, когда-либо зарегистрированные с 1979 года, и сильный полярный вихрь , который позволил химическим веществам, включая хлор и бром, разъедать землю. [157]
Редкая дыра, возникшая в результате необычно низких температур в атмосфере над Северным полюсом, была изучена в 2020 году. [158] [159]
Поскольку более холодные зимы страдают больше, иногда над Тибетом возникает озоновая дыра. В 2006 году над Тибетом была обнаружена озоновая дыра площадью 2,5 миллиона квадратных километров . [160] Также в 2011 году озоновая дыра снова появилась над горными районами Тибета , Синьцзяна , Цинхая и Гиндукуша , а также беспрецедентная дыра над Арктикой, хотя тибетская дыра гораздо менее интенсивна, чем над Арктикой или Антарктикой. . [161]
Исследования 2012 года показали, что тот же процесс, который создает озоновую дыру над Антарктидой, происходит над летними грозовыми облаками в Соединенных Штатах и, следовательно, может разрушать озон и там. [162] [163]
Физик Цин-Бин Лу из Университета Ватерлоо заявил, что обнаружил большую всесезонную озоновую дыру в нижней стратосфере над тропиками в июле 2022 года. [164] Однако другие исследователи в этой области опровергли это утверждение, заявив, что что исследование было пронизано «серьезными ошибками и необоснованными утверждениями». [165] По словам д-ра Пола Янга, ведущего автора научной оценки разрушения озона ВМО/ЮНЕП 2022 года, «идентификация автора «тропической озоновой дыры» связана с тем, что он смотрит на процентные изменения в озоне, а не на абсолютные изменения. , причем последнее гораздо более важно для повреждения УФ-излучением, достигающим поверхности». В частности, работа Лу определяет «озоновую дыру» как «область с потерей O3 в процентах, превышающей 25%, по отношению к невозмущенному значению O3, когда в стратосфере не было значительных CFC (~ в 1960-х годах)» [166] вместо этого общего определения 220 единиц Добсона или ниже. Доктор Марта Абалос Альварес добавила: «В истощении озона в тропиках нет ничего нового, и оно происходит главным образом из-за ускорения циркуляции Брюера-Добсона».
Среди прочего, Роберт Уотсон сыграл роль в научной оценке и в усилиях по регулированию разрушения озонового слоя и глобального потепления . [53] До 1980-х годов ЕС, НАСА, НАН, ЮНЕП, ВМО и британское правительство имели несогласные научные отчеты, и Уотсон играл роль в процессе единых оценок. Основываясь на опыте по проблеме озона, МГЭИК начала работу над унифицированной отчетностью и научной оценкой [53] для достижения консенсуса и предоставления Резюме МГЭИК для политиков .
Существуют различные области связи между разрушением 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 ХФУ тяжелее воздуха (азота или кислорода), принято считать, что молекулы ХФУ не могут достичь стратосферы в значительных количествах. [170] Однако атмосферные газы не сортируются по весу; силы ветра могут полностью перемешать газы в атмосфере. Более легкие ХФУ равномерно распределяются по всей турсфере и достигают верхних слоев атмосферы [171] , хотя некоторые из более тяжелых ХФУ распределены неравномерно. [172]
Еще одно заблуждение заключается в том, что «общепринято считать, что естественные источники тропосферного хлора в четыре-пять раз больше, чем искусственные». Хотя это утверждение абсолютно верно, тропосферный хлор не имеет значения; именно стратосферный хлор влияет на разрушение озона. Хлор из океанских брызг растворим и поэтому смывается осадками, прежде чем достигнет стратосферы. ХФУ, напротив, нерастворимы и долговечны, что позволяет им достигать стратосферы. В нижних слоях атмосферы содержится гораздо больше хлора из ХФУ и родственных им галогеналканов , чем в HCl из соляных брызг, а в стратосфере преобладают галогенуглероды. [173] Только метилхлорид, который является одним из этих галогенуглеродов, имеет преимущественно природный источник, [174] и на его долю приходится около 20 процентов хлора в стратосфере; остальные 80 процентов происходят из искусственных источников.
Очень сильные извержения вулканов могут привести к выбросу HCl в стратосферу, но исследователи [175] показали, что этот вклад незначителен по сравнению с вкладом ХФУ. Аналогичное ошибочное утверждение состоит в том, что растворимые галогенные соединения из вулканического шлейфа горы Эребус на острове Росса в Антарктиде вносят основной вклад в образование антарктической озоновой дыры. [175]
Тем не менее исследование 2015 г. [176] показало, что роль вулкана Эребус в разрушении озонового слоя Антарктики, вероятно, недооценена. Основываясь на данных реанализа NCEP/NCAR за последние 35 лет и используя траекторную модель NOAA HYSPLIT , исследователи показали, что газовые выбросы вулкана Эреб (включая хлористый водород (HCl)) могут достигать стратосферы Антарктики через высокоширотные циклоны, а затем через высокоширотные циклоны. 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 Добсон упомянул, что когда весенние уровни озона в Антарктике над заливом Хэлли были впервые измерены в 1956 году, он был удивлен, обнаружив, что они составляли ~ 320 DU, или примерно на 150 DU ниже весеннего арктического уровня ~ 450 DU. На тот момент это были единственные известные доступные значения антарктического озона. То, что описывает Добсон, по сути, является базовой линией , от которой измеряется озоновая дыра: фактические значения озоновой дыры находятся в диапазоне 150–100 DU. [177]
Несоответствие между Арктикой и Антарктикой, отмеченное Добсоном, было в первую очередь вопросом времени: весной в Арктике уровни озона плавно повышались, достигая пика в апреле, тогда как в Антарктике они оставались примерно постоянными ранней весной, резко повышаясь в ноябре, когда полярный вихрь сломал.
Поведение, наблюдаемое в антарктической озоновой дыре, совершенно иное. Вместо того, чтобы оставаться постоянным, уровни озона ранней весной внезапно падают по сравнению с и без того низкими зимними значениями, на целых 50 процентов, и нормальные значения не достигаются снова до декабря. [178]
Некоторые считали, что озоновая дыра должна находиться над источниками ХФУ. Однако ХФУ хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере по всему миру . Причина возникновения озоновой дыры над Антарктидой не в том, что там сконцентрировано больше ХФУ, а в том, что низкие температуры способствуют образованию полярных стратосферных облаков. [179] Фактически, есть находки значительных и локализованных «озоновых дыр» над другими частями Земли, например, над Центральной Азией. [180]
В 1994 году Генеральная Ассамблея ООН проголосовала за провозглашение 16 сентября Международным днем охраны озонового слоя или «Всемирным днем озона». [181] Это обозначение связано с подписанием Монреальского протокола [182] в этот день в 1987 году. [183]
Таким образом, химия фтора не представляет собой значительного поглотителя стратосферного озона. Весь фтор, выделяющийся из исходных газов, попадает в виде HF, который накапливается в стратосфере (рис. 8). ... Высокая стабильность HF делает его эффективным индикатором поступления фтора в стратосферу из фторированных антропогенных газов.
Йод является компонентом нескольких газов, которые естественным образом выбрасываются из океанов. Хотя йод может участвовать в реакциях разрушения озона, эти йодсодержащие исходные газы обычно имеют очень короткий срок жизни, и в результате лишь очень небольшая часть достигает стратосферы. Существует большая неопределенность 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: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)4. Свободнорадикальные реакции удаления озона: Реакция 4.1.
{{cite journal}}: Внешняя ссылка |quote={{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (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)