12.12 Виснаження озонового шару стратосфери
Як вже було розглянуто у розділі 12.7, озон у тропосфері зазвичай є небезпечним екологічним чинником і відноситься до пріоритетних забруднювачів. З іншого боку, озон – є звичайним компонентом атмосферного повітря, що утворюється внаслідок фотохімічного перетворення двоатомного кисню під дією ультрафіолетового випромінювання сонця за оберненою реакцією Чепмена. Підвищення температури повітря у стратосфері зумовлено саме процесами поглинання сонячного ультрафіалету киснем та озоном. Найбільш активно ці процеси відбуваються в нижній стратосфері на висоті 20-30 км. Саме цей шар стратосфери, товщиною близько 10 км, містить основну частку озону і формує так званий "озоновий шар". Як можна бачити, товщина озонового шару відповідає товщині тропосфери! Максимальна концентрація озону в повітрі стратосфери не перевищує 10 ррm або 0,001%.
Розташування озонового шару у стратосфері та зміна температури повітря
У зв'язку зі складністю представлення таких малих величин, у 20-х роках 20 ст. британським дослідником Гордоном Добсоном було запропоновано виражати кількість стратосферного озону у міліметрах товщини шару чистого газу, якщо б його розташувати на рівні моря за нормального тиску та температури. Цю одиницю названо на честь дослідника одиницею Добсона (DU), величина якої дорівнює товщині шару озону у 10 мкм за нормальних умов. Середня величина кількості озону в стратосфері становить 300-330 DU, що відповідає шару озону у 3 мм. Величина менше 220 DU вважається критичною і свідчить про дефіцит цього газу.
Заслугою Гордона Добсона є розробка вдалої конструкції спектрофотометра, який здатний вимірювати загальний вміст озону в атмосфері шляхом порівняння спектральних характеристик прямого сонячного випромінювання та розсіяного випромінювання у зениті. Але головною його заслугою стала популяризація озонометричних досліджень, що згодом вилилося у створення міжнародної мережі станцій спостереження за вмістом озону, а у 1948 р. було сформовано Міжнародну комісію по озону. Таким чином, було закладено наукове підгрунтя для оцінки екологічного значення озону у біосфері та накопичено значну кількість даних для виявлення динамічних змін вмісту озону в атмосферному повітрі.
Багаторічні спостереження за стратосферним озоном виявили коливання вмісту озону в стратосфері, які були пов’язані зі змінами сонячної активності. Особливо стійкі зміни були характерні для полярних областей. Основним механізмом зменшення кількості озону в стратосфері є відсутність сонячного опромінення під час полярної ночі. В результаті, запаси озону поступово вичерпуються внаслідок його розпаду. Ситуацію ускладнює наявність циркумполярного стратосферного віхора, що не пропускає повітря з сусідніх ділянок атмосфери. Таким чином на момент закінчення полярної ночі вміст озону стає мінімальним. Збільшення тривалості світлового дня поступово призводить до накопичення озону. Прогрів повітря руйнує стратосферний віхор.
Описане явище добре піддавалося прогнозуванню. Проте, у 1970-х роках над Антарктидою було виявлено стійку тенденцію до зменшення концентрації стратосферного озону. Знадобилося ще десятиліття, для того, щоб довести наявність "озонової діри" як у південній, так і у північні півкулі. Якщо до 1980-х років на кінець полярної ночі концентрація озону знижувалася на 30%, то у 1980-х роках його концентрація знизилася у 2 рази і продовжувала щорічно падати. Історичний мінімум на Антарктидою був зафіксований у 2015 р.
Динаміка мінімального вмісту озону у стратосферному повітрі над Антарктикою
Основною причиною такого падіння вмісту озону стали стійкі галогенорганічні сполуки, перш за все фторовані хлорвуглеводні по типу трихлортрифлуороетану - одного з найпоширеніших промислових фреонів. Природні галогенвмісні газоподібні сполуки характеризуються високою реакційною здатністю і тому швидко зникають з тропосфери. В результаті, вони практично не потрапляють до стратосфери. Промислові фреони є надзвичайно стійкими речовинами, що практично не реагують з іншими речовинами, не горять, є малотоксичними (їх, наприклад, використовують для гасіння пожеж у закритих приміщеннях, коли важкий фреон витісняє кисень і припиняє горіння). Завдяки цьому фторовані хлорвуглеводні можуть знаходитися в тропосфері протягом багатьох місяців. За цей час вони долають тропопаузу та проникають до стратосфери. Озон, як надзвичайно сильний окислювач, реагує з фреонами. За умов відсутності синтезу озону під час полярної ночі, його запас швидко вичерпується. В інших широтах вплив антропогенних галогенвуглеводнів на вміст стратосферного озону є значно меншим (за найпесимістичнішими прогнозами оцінюється у 5-10%), оскільки за умов сонячного випромінювання його концентрація відновлюється.
Виснаження запасів озону у полярній стратосфері отримало популярну назву "озонова діра". Фактично, це перша глобальна екологічна проблема, яка отримала визнання суспільством всіх країн (приблизно у 1985 р.). І хоча безпосередня екологічна проблематика знаходиться далеко за межами окремої особистості (наприклад, збільшення ризику захворювання на рак шкіри є простою "страшилкою"), вміле маніпулювання свідомістю призвело у багатьох випадках до добровільної відмови від використання промислових фреонів (США заборонили застосування фреонів у 1978 р., коли закінчилася дія патенту фірми ДюПонт). Як наслідок, Монреальський протокол до Віденської конвенції було розроблено у 1985 р. і підписано більшістю розвинутих країн у 1987 р. - задовго до досягнення наукового консенсусу щодо причин виснаження озонового шару (2000-ні роки). Міжнародні зусилля призвели до значного зменшення емісії стійких галогенвуглеводнів, що протягом ближчих десятиліть відобразиться на концентрації озону у стратосфері. На даний момент вважається, що його вміст стабілізувався і очікується збільшення на 5-10% до 2020 р. (див. докладніше).
Прогноз відновлення вмісту озону в атмосфері над Антарктикою
Екологічні наслідки
Оскільки озоновий шар поглинає основну частку середнього діапазону ультрафіолетового випромінювання Сонця (UV-B), дефіцит озону у стратосфері збільшує його інтенсивність на земній поверхні. Основну небезпеку від збільшення інтенсивності ультрафіолетового випромінювання очікують для океанічного фітопланктону, оскільки він не має ефективних механізмів захисту, на відміну від наземних рослин. Також, вважають, що виявлено достовірний негативний вплив для китоподібних (див. докладніше). Проте, найбільш небезпечним глобальним екологічним наслідком виснаження озонового шару, як це не дивно звучить, є зростання вмісту озону у тропосфері. Посилення ультрафіолетового випромінювання також збільшує частоту виникнення та негативні наслідки фотохімічного смогу.
Вплив на здоров'я людини
Зростання інтенсивності ультрафіолетового випромінювання Cонця на земній поверхні очікувано повинно було викликати збільшення частоти захворювань на рак шкіри та катаракту (Frank R. de Gruijl, 1995). Проте, навіть за умов інструментально підтвердженого збільшення інтенсивності випромінювання на тлі зменшення стратосферного озону, достовірних фактів значимого збільшення частоти захворювань не виявлено. Це повязано з тим, що основними чинниками появи таких патологій є різні діапазони ультрафіолетового випромінювання, які в різній ступені затримуються озоновим шаром. На даний час підтверджено збільшення частоти захворювань на різні види раку шкіри в Австралії та Новій Зеландії, проте, як можна бачити, цей рівень суттєво не відрізняється від інших регіонів, що віддалені від районів утворення "озонових дір".
Порівняльна характеристика частоти випадків раку шкіри в Австралії
та її часова динаміка