Озоновый слой атмосферы¶
Озоновый слой — область стратосферы Земли, содержащая повышенную концентрацию озона (O₃), расположенная преимущественно на высотах 15—35 км. Максимум концентрации озона приходится на высоту 20—25 км, где объёмная доля озона достигает 8—10 млн⁻¹. Озоновый слой поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения Солнца в диапазоне 200—320 нм, защищая живые организмы от биологически опасных волн коротковолнового УФ-излучения.
¶Образование и разрушение озона
Озон в стратосфере образуется в результате фотохимических реакций, открытых французским физиком-математиком Анри Беккерелем и описанных в работах Сиднея Чапмена (1930). Молекулярный кислород O₂ под действием ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 240 нм диссоциирует на два атома, которые впоследствии присоединяются к другим молекулам O₂ с образованием O₃. Обратный процесс — разрушение озона ультрафиолетом и столкновениями с молекулами кислорода — поддерживает динамическое равновесие между образованием и распадом озона. Этот механизм называется циклом Чапмена.
Помимо цикла Чапмена, важную роль играют каталитические циклы с участием соединений азота (NO, NO₂), водорода (OH, HO₂), хлора и брома. Каждый атом хлора или брома способен разрушить десятки тысяч молекул озона, что определяет высокую эффективность разрушающих процессов.
¶Измерение и нормирование
Концентрацию озона принято выражать в добротонтах (dobson unit, DU): 1 DU соответствует слою озона толщиной 0,01 мм при нормальных условиях. Глобальная средняя толщина озонового слоя составляет около 300 DU. Измерения проводятся с помощью наземных спектрофотометров, а также со спутников (например, с аппаратов серии «Томсон» и «Аура»).
¶Образование озоновых дыр
В конце 1970-х годов британские учёные Джозеф Фарман, Брайан Гардинер и Джон Шанклин обнаружили резкое сезонное снижение концентрации озона над Антарктидой, названное «озоновой дырой». К 1985 году толщина озонового слоя над станцией «Халли» в октябре снизилась более чем на 40 % по сравнению с началом 1970-х годов. Причиной явления стало накопление хлорфторуглеродов (фреонов) и галонов — стабильных соединений, используемых в качестве хладагентов, пропеллентов и огнетушащих составов. В стратосфере под действием ультрафиолета эти вещества высвобождают атомы хлора и брома, катализирующие разрушение озона.
Озоновая дыра над Антарктидой достигает максимальных размеров в сентябре—ноябре, к 2000-м годам её площадь превышала 20 млн км². Сезонный характер явления связан с особенностями полярного стратосферного вихря и образованием полярных стратосферных облаков, на поверхности которых протекают гетерогенные реакции, приводящие к высвобождению активного хлора.
¶Монреальский протокол
Для решения проблемы разрушения озонового слоя в 1987 году был принят Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Документ предусматривал поэтапное сокращение производства и потребления хлорфторуглеродов, галонов, гидрохлорфторуглеродов и ряда других соединений. К настоящему времени протокол ратифицировали практически все государства мира, включая Россию (ратификация в 1992 году). Производство основных разрушающих озон веществ сокращено более чем на 98 %.
По оценкам ЮНЕП и Всемирной метеорологической организации, при соблюдении положений протокола озоновый слой восстановится к середине XXI века: над большинством территорий — примерно к 2050 году, над Антарктидой — к 2060—2080 годам.
¶Влияние на климат
Некоторые вещества, заменяющие фреоны, — гидрофторуглероды — не разрушают озон, но являются мощными парниковыми газами. Их регулирование было включено в Кигалийскую поправку к Монреальскому протоколу (2016), предусматривающую постепенный отказ от гидрофторуглеродов.
¶Озоновый слой и здоровье
Снижение концентрации озона увеличивает интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли, что связано с повышенным риском рака кожи (в том числе меланомы), катаракты, подавлением иммунитета и негативным воздействием на экосистемы, включая фитопланктон и сельскохозяйственные культуры. В России состояние озонового слоя контролируется Гидрометцентром и сетью актинометрических станций Росгидромета, а также участием в международных программах мониторинга.
¶Озон в тропосфере
Следует различать озоновый слой стратосферы и приземный (тропосферный) озон. Последний образуется при действии солнечного излучения на выбросы оксидов азота и летучих органических соединений и является компонентом фотохимического смога. Тропосферный озон — загрязнитель воздуха и парниковый газ, тогда как стратосферный озон защищает биосферу.
Источники:
- «Большая российская энциклопедия», статья «Озоновый слой»
- ЮНЕП, «Озоновый слой: 30 лет защиты» (отчёт к 30-летию Монреальского протокола)
- Farman J. C., Gardiner B. G., Shanklin J. D. «Large losses of total ozone in Antarctica» // Nature, 1985
- Чапмен С. «Озоновая теория стратосферы» // Monthly Weather Review, 1930
- Гидрометцентр России, материалы мониторинга состояния озонового слоя