Озонна діра над Арктикою
У 1985 р. фахівці з дослідження атмосфери з Британської антарктичної служби повідомили про зовсім несподіваний факт: весняний склад озону в атмосфері над станцією Халлі-Бей в Антарктиді зменшився за період з 1977 по 1984 р. на 40%. Незабаром цей висновок підтвердили й інші дослідники, що показали також, що область зниженого вмісту озону простирається за межі Антарктиди і по висоті охоплює шар від 12 до 24 км, тобто значну частину нижньої стратосфери. Фактично це означало, що в полярній атмосфері існує озонна «діра».
Це відкриття стривожило як учених, так і широку громадськість, оскільки з нього випливало, що шар озону, що оточує нашу планету, знаходиться в більшій небезпеці, чим пророкували моделі атмосфери. Стоншення цього шару могло б привести до серйозних наслідків для людства. Вміст озону в атмосфері не досягає й однієї мільйонної частки від вмісту інших газів, однак саме озон поглинає велику частину сонячної ультрафіолетової радіації, не даючи їй досягти земної поверхні. Ультрафіолет має достатню енергію, щоб руйнувати багато органічних молекул, включаючи ДНК. Він може викликати рак шкіри, катаракту й імунну недостатність, а також ушкоджувати посіви і морські екосистеми.
З огляду на настільки серйозний характер цих ефектів, багато вчених, включаючи автора і його колег з Національного управління по аеронавтиці і дослідженню космічного простору, поспішили почати дослідження з метою з'ясування природи озонної діри, що утворюється щовесни Південної півкулі в полярному вихрі – ізольованій повітряній масі, що циркулює навколо Південного полюса протягом більшої частини року. (Кількість озону у вихрі зменшується наприкінці серпня – початку вересня, стабілізується в жовтні і знову починає зростати в листопаді.) Доти поки ми не знайдемо причину утворення озонної діри, ми не зможемо встановити, чи має вона вплив у глобальних масштабах чи її «сфера впливу» обмежується Антарктикою, для якої характерні особливі метеорологічні умови.
Дослідження в цій області спиралися на виміри декількох типів. Одні прилади розміщалися на землі, інші встановлювалися на повітряних кулях-зондах і супутниках. Прилади на кулях-зондах призначаються для визначення хімічного складу повітря в тих шарах, крізь які рухається куля. Прилади, розташовувані на землі чи встановлювані на супутниках, здійснюють дистанційні виміри по визначенню товщини шару озону (точніше, висоти стовпа, який би утворився, якби весь озон, що розташовується в атмосфері над даною точкою, був приведений до стандартної температури і стандартного тиску). Для визначення товщини шару, що звичайно виражається в добсонах (одиниця, що позначає соту частку міліметра), вимірюють падаючу на землю радіацію на декількох довжинах хвиль, обираних таким чином, що на одних довжинах хвиль радіація сильно поглинається озоном, а на інших – слабко. (Прилади на супутниках реєструють світло, відбите від земної поверхні.) Якщо потік радіації на довжинах хвиль, де поглинання істотне, зріс стосовно радіації на інших довжинах хвиль, виходить, зміст озону зменшився; і навпаки, якщо потік радіації на довжинах хвиль, де відбувається поглинання, зменшився, виходить, вміст озону зріс.
Роботи в цій області спиралися на міжнародне співробітництво. У 1987 р., наприклад, близько 150 учених і технічних співробітників, що представляли 19 організацій і 4 країни, зустрілися в Пунта-Аренасі (Чилі), щоб провести найбільш докладне дослідження шару озону, яке коли-небудь запроваджувалось. Проект одержав назву «Літаковий антарктичний озонний експеримент». У ході експерименту, що показав, що в 1987 р. озонна діра була найбільшою, використовувалися не тільки наземні вимірювальні засоби і прилади, встановлювані на супутниках і кулях-зондах, але і літака-лабораторії. На переустаткованому пасажирському літаку DC-8 і висотному літаку ER-2 учені кілька разів проникали в область зниженого вмісту озону і зібрали детальні зведення про її розміри і хімічний склад повітря в ній.
Експеримент 1987 р., як і інші дослідження, проведені останнім часом, спирався на дві висловлені раніше гіпотези, що пояснюють існування озонної діри. Відповідно до однієї гіпотези, причиною діри є викид в атмосферу хімічних речовин антропогенної природи (поллютантів). Інша теорія покладає провину за утворення діри на природні зміни в циркуляції повітряних мас, що весною Південної півкулі переносять багате озоном повітря в полярну стратосферу.
Стурбованість наслідками викиду поллютантіввиникла до того, як були отримані перші свідчення про ці наслідки. У 1971 р., коли надзвукові лайнери, здавалося, от-от почнуть регулярні польоти, з'явилися побоювання, що викиди водяної пари й оксидів азоту (NOx) можуть зробити руйнівний вплив на атмосферу на великих висотах. Лабораторні дослідження показали, що обидва компоненти можуть впливати на шар озону. Надзвуковий повітряний транспорт так і не став реальністю, однак у наступні роки викидання в навколишнє середовище оксиду азоту (N2O) у результаті спалювання все в більших кількостях викопного палива і масового застосування азотних добрив привело до таких же результатів Але і ця небезпека відійшла на другий план, коли в 1974 р. М. Моліна і Ф. Роуленд із Каліфорнійського університету в Ірвіні забили тривогу з приводу зростаючого використання сполук, відомих за назвою хлорфторвуглеводів. Починаючи з цього часу так звана хлорфторвуглеводна проблема стала однією з основних у дослідженнях із забруднення атмосфери.
Склад хлорфторвуглеводів ясний з їхньої назви. Використовувані вже 60 років ці гази служать холодоагентами в холодильниках і кондиціонерах, розпилювачами для аерозольних сумішей, пінотворчими агентами й очисниками для електронних приладів. Колись вони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки вони дуже стабільні і неактивні, а виходить, нетоксичні. Як це не парадоксально, але саме інертність цих сполук робить їхній «ворогами» стратосферного озону.
Інертні гази не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, що простирається від поверхні Землі до висоти 10 км) і зрештою проникають у стратосферу, верхня границя якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули цих речовин піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетової радіації, що не проникає на менші висоти через дію озону, що блокує. Ультрафіолет руйнує стійкі в звичайних умовах молекули (у тому числі хлорфторвуглеводи), що розпадаються на компоненти, що володіють високою реактивною здатністю (до них відноситься атомний хлор).
Лабораторні дослідження показали, що хлор швидко руйнує озон. Оскільки в атмосферу викидаються мільйони тон хлорфторвуглеводів, дослідники прийшли до висновку, що цей процес, якщо він буде продовжуватися, приведе до нагромадження хлорфторвуглеводів у стратосфері в концентрації, достатньої для серйозних ушкоджень озонового «екрану». Більш того, навіть якщо ми негайно припинимо викид хлорфторвуглеводів, руйнування озону, швидше всього, буде продовжуватися й у наступному сторіччі, оскільки хлорфторвуглеводи, що уже потрапили в атмосферу, залишаться в ній на десятиліття. Два основні різновиди цих речовин – Ф-11 (CFCl3) і Ф-12 (CF2Cl2) – «живуть» в атмосфері відповідно протягом 75 і 100 років.
Під тиском цих аргументів у США з 1978 р. заборонене використання хлорфторвуглеводів в аерозолях, таких, як деякі дезодоранти і лаки для волосся. Однак спроби установити контроль над застосуванням хлорфторвуглеводів в інших областях ні до чого не привели; частково це пояснюється появою нових даних про хімічні процеси, що відбуваються в стратосфері. Наприклад, хоча було відоме, що такі речовини, як оксиди азоту і водяна пара, руйнують озон, нові розрахунки показали, що оксиди азоту можуть з'єднуватися з хлором і фактично нейтралізовуватируйнівнудію останнього стосовно озону.
У ту пору і з'явилося повідомлення англійських учених про те, що жовтневий зміст озону над їхньою станцією в Антарктиді зменшився з типового значення 300 добсонів, що утримувалося в 1970-х роках, до 180 добсонів у 1984 р. Це відкриття відродило інтерес громадськості до озонового шару. У той же час, оскільки викиди хлорфторвуглеводів продовжували рости, політики виявилися задіяними в дебати по питанню встановлення міжнародного контролю за виробництвом цих речовин. Дискусії привели до того, що у вересні минулого року 23 країни (включаючи США) підписали в Монреалі конвенцію, що зобов'язує їх знизити споживання зазначених речовин. Відповідно до досягнутої домовленості (конвенція повинна бути ратифікована 11 країнами, перш ніж вона набере сили на початку 1989 р.), розвинуті країни повинні до середини 1990-х років заморозити споживання хлорфторвуглеводів на рівні 1986 р., а до 1999 р. наполовину знизити цей показник.
Сутність хлорфторвуглеводної проблеми полягає в тому, що невелика кількість хлору досить для руйнування значної кількості озону. Молекула озону (О3), що складається з трьох атомів кисню (О), утвориться з молекул звичайного кисню (O2) під впливом ультрафіолетової радіації. Фотон розщеплює молекулу кисню на два атоми кисню, що мають високу реакційну здатність, кожний з який швидко з'єднується з іншою, цілою молекулою кисню, утворити молекулу озону (О3). Останній легко поглинає ультрафіолет і розпадається на первісні компоненти – O2 і О. Атом кисню, що звільнився, знову з'єднується з молекулою кисню й утворить молекулу озону. У такий спосіб молекула озону утвориться і розпадається багато разів, поки зрештою не з'єднається з вільним атомом кисню і не утворить двох молекул кисню. При незмінних умовах озон знаходиться в динамічній рівновазі, тобто швидкість його утворення дорівнює швидкості розпаду.
Хлор зрушує цюрівновагу вбік зменшення вмісту озону в стратосфері, тому що в його присутності підвищується імовірність утворення двох молекул кисню. Ще важливіше те, що хлор (так само як оксиди азоту і водяна пара) діє подібно каталізатору в ході хімічного процесу його кількість не зменшується Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100000 молекул озону, перш ніж буде дезактивований чи повернеться в тропосферу, звідкіля буде вилучений разом з опадами чи іншим шляхом.