Dziury ozonowe, ich powstawanie i negatywne konsekwencje. Czym jest dziura ozonowa i jak może zagrażać. Lokalizacje otworów

Wszyscy wiedzą, że nasza planeta jest spowita dość gęstą warstwa ozonowa znajduje się na wysokości 12–50 km nad powierzchnią ziemi. Ta szczelina powietrzna jest niezawodną ochroną wszystkich żywych istot przed niebezpiecznym promieniowaniem ultrafioletowym i zapobiega szkodliwym skutkom promieniowania słonecznego.


To właśnie dzięki warstwie ozonowej mikroorganizmy zdołały kiedyś wydostać się z oceanów na ląd i przyczyniły się do powstania wysoko rozwiniętych form życia. Jednak od początku XX wieku warstwa ozonowa zaczęła się rozpadać, w wyniku czego w niektórych miejscach stratosfery zaczęły pojawiać się dziury ozonowe.

Czym są dziury ozonowe?

Wbrew powszechnemu przekonaniu, że dziura ozonowa jest dziurą na niebie, w rzeczywistości jest to miejsce znacznego spadku poziomu ozonu w stratosferze. W takich miejscach promienie ultrafioletowe łatwiej przenikają na powierzchnię planety i wywierają destrukcyjny wpływ na wszystko, co na niej żyje.

W przeciwieństwie do miejsc o normalnym stężeniu ozonu w otworach zawartość „niebieskiej” substancji wynosi tylko około 30%.

Gdzie znajdują się dziury ozonowe?

Pierwsza duża dziura ozonowa została odkryta nad Antarktydą w 1985 roku. Jego średnica wynosiła około 1000 km i pojawiała się co roku w sierpniu, a znikała na początku zimy. Następnie naukowcy ustalili, że stężenie ozonu nad lądem obniżyło się o 50%, a jego największy spadek odnotowano na wysokościach od 14 do 19 km.


Następnie nad Arktyką odkryto kolejną dużą dziurę (mniejszą), obecnie naukowcom znane są setki takich zjawisk, chociaż ta, która występuje nad Antarktydą, pozostaje największa.

Jak powstają dziury ozonowe?

Ponieważ na biegunach obserwuje się długie noce polarne, w tych miejscach następuje gwałtowny spadek temperatury i tworzą się chmury stratosferyczne zawierające kryształki lodu. W rezultacie w powietrzu gromadzi się chlor cząsteczkowy, którego wewnętrzne wiązania zostają zerwane wraz z nadejściem wiosny i pojawieniem się promieniowania słonecznego.

Łańcuch procesów chemicznych, które zachodzą, gdy atomy chloru wpadają do atmosfery, prowadzi do zniszczenia ozonu i powstania dziur ozonowych. Przy pełnej sile na słupy trafiają masy powietrza z nową porcją ozonu, dzięki czemu otwór jest zaciśnięty.

Dlaczego pojawiają się dziury ozonowe?

Przyczyn powstawania dziur ozonowych jest wiele, ale najważniejszą z nich jest zanieczyszczenie. środowisko naturalne facet. Oprócz atomów chloru cząsteczki ozonu niszczą wodór, tlen, brom i inne produkty spalania, które dostają się do atmosfery w wyniku emisji z fabryk, zakładów, elektrowni cieplnych spalin.


Nie mniejszy wpływ na warstwę ozonową mają testy jądrowe: wybuchy uwalniają ogromną ilość energii i tworzą tlenki azotu, które reagują z ozonem i niszczą jego cząsteczki. Szacuje się, że tylko w latach 1952-1971, z wybuchy nuklearne do atmosfery dostało się około 3 mln ton tej substancji.

Powstawaniu dziur ozonowych sprzyjają również samoloty odrzutowe, w których silnikach również tworzą się tlenki azotu. Im wyższa moc silnika turboodrzutowego, tym wyższa temperatura w jego komorach spalania i tym więcej tlenków azotu przedostaje się do atmosfery. Według badań roczna ilość azotu emitowanego do powietrza wynosi 1 mln ton, z czego jedna trzecia pochodzi z samolotów. Innym powodem niszczenia warstwy ozonowej są nawozy mineralne, które po nałożeniu na podłoże reagują z bakterie glebowe. W tym przypadku podtlenek azotu wchodzi do atmosfery, z której powstają tlenki.

Jakie konsekwencje dla ludzkości mogą prowadzić do dziur ozonowych?

Z powodu osłabienia warstwy ozonowej zwiększa się przepływ promieniowania słonecznego, co z kolei może prowadzić do śmierci roślin i zwierząt. Wpływ dziur ozonowych na człowieka wyraża się przede wszystkim wzrostem liczby nowotworów skóry. Naukowcy obliczyli, że jeśli stężenie ozonu w atmosferze spadnie o co najmniej 1%, to liczba chorych na raka wzrośnie o około 7000 osób rocznie.


Dlatego ekolodzy biją teraz na alarm i starają się podjąć wszelkie niezbędne środki w celu ochrony warstwy ozonowej, a projektanci opracowują mechanizmy przyjazne środowisku (samoloty, systemy rakietowe, pojazdy naziemne), które emitują mniej tlenków azotu do atmosfery.

Wstęp

Dziura ozonowa o średnicy ponad 1000 km została po raz pierwszy odkryta w 1985 roku na półkuli południowej przez grupę brytyjskich naukowców na Antarktydzie. Pojawiała się co roku w sierpniu, w grudniu lub styczniu przestała istnieć. Kolejna mniejsza dziura tworzyła się na półkuli północnej w Arktyce.

Dziura ozonowa- lokalny spadek stężenia ozonu w warstwie ozonowej Ziemi. Zgodnie z ogólnie przyjętą w środowisku naukowym teorią, w drugiej połowie XX wieku coraz większy wpływ czynnik antropogeniczny w postaci uwolnienia freonów zawierających chlor i brom doprowadziło do znacznego ścieńczenia warstwy ozonowej, patrz np. raport Światowej Organizacji Meteorologicznej:

Te i inne niedawne odkrycia naukowe potwierdziły wnioski z wcześniejszych ocen, że waga przemawiająca na korzyść dowodów naukowych sugeruje, że obserwowana utrata ozonu na średnich i wysokich szerokościach geograficznych jest spowodowana głównie antropogenicznymi związkami zawierającymi chlor i brom.

Według innej hipotezy proces powstawania „dziur ozonowych” może być w dużej mierze naturalny i nie jest związany wyłącznie ze szkodliwymi skutkami ludzkiej cywilizacji.

Mechanizm edukacji

Połączenie czynników prowadzi do zmniejszenia stężenia ozonu w atmosferze, z których głównym jest śmierć cząsteczek ozonu w reakcjach z różnymi substancjami pochodzenia antropogenicznego i naturalnego, brak promieniowania słonecznego podczas zimy polarnej, a zwłaszcza stabilny wir polarny, który zapobiega przenikaniu ozonu z subpolarnych szerokości geograficznych, oraz formacja polarnych chmur stratosferycznych (PSC), których cząsteczki powierzchniowe katalizują reakcje rozpadu ozonu. Czynniki te są szczególnie typowe dla Antarktyki, w Arktyce wir polarny jest znacznie słabszy ze względu na brak powierzchni kontynentalnej, temperatura jest o kilka stopni wyższa niż w Antarktyce, a PSO są mniej powszechne, a także mają tendencję do pękania się wczesną jesienią. Będąc reaktywnymi, cząsteczki ozonu mogą reagować z wieloma związkami nieorganicznymi i organicznymi. Głównymi substancjami przyczyniającymi się do niszczenia cząsteczek ozonu są proste substancje wodór, atomy tlenu bromu chloru, nieorganiczne (chlorowodorek tlenku azotu) oraz organiczne związki metanu, fluorochloru i fluorobromofreonów, które emitują atomy chloru i bromu). W przeciwieństwie na przykład do hydrofluorofreonów, które rozkładają się na atomy fluoru, które z kolei szybko reagują ze sklepieniem, tworząc stabilny fluorowodór. W ten sposób fluor nie uczestniczy w reakcjach rozpadu ozonu, a jod nie niszczy ozonu stratosferycznego, ponieważ substancje organiczne zawierające jod są prawie całkowicie zużywane nawet w troposferze. Główne reakcje, które przyczyniają się do niszczenia ozonu, podano w artykule warstwa proozonowa.

Efekty

Osłabienie warstwy ozonowej zwiększa dopływ promieniowania słonecznego do ziemi i powoduje wzrost liczby nowotworów skóry u ludzi. Rośliny i zwierzęta również cierpią z powodu zwiększonego poziomu promieniowania.

Odbudowa warstwy ozonowej

Chociaż ludzkość podjęła działania w celu ograniczenia emisji freonów zawierających chlor i brom, przechodząc na inne substancje, takie jak freony zawierające fluor , proces przywracania warstwy ozonowej potrwa kilkadziesiąt lat. Przede wszystkim wynika to z ogromnej ilości freonów już nagromadzonych w atmosferze, które mają żywotność dziesiątek, a nawet setek lat. Dlatego nie należy spodziewać się zwężenia dziury ozonowej przed 2048 rokiem.

Nieporozumienia dotyczące dziury ozonowej

Istnieje kilka rozpowszechnionych mitów na temat powstawania dziur ozonowych. Mimo swojej nienaukowej natury często pojawiają się w mediach – czasem z ignorancji, czasem wspierani przez zwolenników teorie spiskowe. Niektóre z nich wymieniono poniżej.

Freony są głównymi niszczycielami ozonu.

To stwierdzenie dotyczy średnich i wysokich szerokości geograficznych. W pozostałej części cykl chloru odpowiada za jedynie 15-25% utraty ozonu w stratosferze. Należy zauważyć, że 80% chloru ma pochodzenie antropogeniczne. (więcej informacji na temat wkładu różnych cykli można znaleźć w art. warstwa ozonowa). Oznacza to, że interwencja człowieka znacznie zwiększa udział cyklu chloru. A biorąc pod uwagę tendencję do zwiększania produkcji freonów przed wejściem w życie Protokół Montrealski(10% rocznie) 30 do 50% całkowite straty ozon w 2050 r. byłby spowodowany narażeniem na CFC. Przed interwencją człowieka procesy tworzenia ozonu i jego niszczenia były w równowadze. Ale freony emitowane przez działalność człowieka przesunęły tę równowagę w kierunku zmniejszenia stężenia ozonu. Jeśli chodzi o polarne dziury ozonowe, sytuacja jest zupełnie inna. Mechanizm niszczenia ozonu zasadniczo różni się od wyższych szerokości geograficznych, kluczowym etapem jest konwersja nieaktywnych form substancji zawierających halogen do tlenków, która zachodzi na powierzchni cząstek polarnych chmur stratosferycznych. W rezultacie prawie cały ozon jest niszczony w reakcjach z halogenami, chlor odpowiada za 40-50%, a brom około 20-40%.

DuPont zainicjował zakaz starych i przejścia na nowe typy freonów, ponieważ ich patent wygasał

DuPont, po opublikowaniu danych dotyczących udziału freonów w niszczeniu ozonu stratosferycznego, przyjął tę teorię z wrogością i wydał miliony dolarów na kampanię prasową mającą na celu ochronę freonów. Przewodniczący DuPont napisał w artykule w Chemical Week z 16 lipca 1975 r., że teoria zubożenia warstwy ozonowej to science fiction, nonsens, który nie ma sensu. Oprócz DuPont, wiele firm na całym świecie wyprodukowało i produkuje różne typy freonów bez potrącania opłat licencyjnych.

Freony są zbyt ciężkie, aby dotrzeć do stratosfery

Czasami twierdzi się, że ponieważ cząsteczki freonu są znacznie cięższe niż azot i tlen, nie mogą dotrzeć do stratosfery w znacznych ilościach. Jednak gazy atmosferyczne są całkowicie wymieszane i nie są rozwarstwiane ani sortowane według wagi. Szacunki wymaganego czasu na dyfuzyjną separację gazów w atmosferze wymagają czasów rzędu tysięcy lat. Oczywiście nie jest to możliwe w dynamicznej atmosferze. Pionowe procesy przenoszenia masy, czyli konwekcji i turbulencji, znacznie szybciej mieszają atmosferę poniżej turbopauzy. Dlatego nawet tak ciężkie gazy jak obojętne freony są równomiernie rozprowadzane w atmosferze, docierając między innymi do stratosfery. Potwierdzają to eksperymentalne pomiary ich stężeń w atmosferze; Pomiary pokazują również, że gazy uwolnione na powierzchni Ziemi potrzebują około pięciu lat, aby dotrzeć do stratosfery, patrz drugi wykres po prawej. Gdyby gazy w atmosferze nie zmieszały się, to tak ciężkie gazy ze swojego składu, jak dwutlenek węgla, utworzyłyby na powierzchni Ziemi warstwę o grubości kilkudziesięciu metrów, przez co powierzchnia Ziemi byłaby niezdatna do zamieszkania. Na szczęście tak nie jest. Ikrypton o masie atomowej 84 i hel o masie atomowej 4 mają takie samo stężenie względne, które znajduje się przy powierzchni, czyli do 100 km wysokości. Oczywiście wszystko to dotyczy tylko gazów, które są stosunkowo stabilne, takich jak freony lub gazy obojętne. Substancje, które wchodzą w reakcje i podlegają różnym wpływom fizycznym, np. rozpuszczają się w wodzie, mają zależność stężenia od wysokości.

Główne źródła halogenów są naturalne, a nie antropogeniczne

Uważa się, że naturalne źródła halogenów, takie jak wulkany i oceany, mają większe znaczenie dla procesu niszczenia warstwy ozonowej niż te wytwarzane przez człowieka. Nie kwestionując udziału źródeł naturalnych w ogólnym bilansie halogenów, należy zauważyć, że generalnie nie docierają one do stratosfery ze względu na to, że są rozpuszczalne w wodzie (głównie jony chlorkowe i chlorowodór) i są wypłukiwane z Atmosfera padająca jak deszcz na ziemię. Ponadto naturalne związki są mniej stabilne niż freony, na przykład chlorek metylu ma żywotność w atmosferze tylko około roku, w porównaniu z dziesiątkami i setkami lat dla freonów. Dlatego ich wkład w niszczenie ozonu stratosferycznego jest raczej niewielki. Nawet rzadka erupcja wulkanu Pinatubo w czerwcu 1991 r. spowodowała spadek poziomu ozonu nie z powodu uwolnionych halogenów, ale z powodu powstania dużej masy aerozoli kwasu siarkowego, których powierzchnia katalizowała reakcje niszczenia ozonu. Na szczęście po trzech latach prawie cała masa aerozoli wulkanicznych została usunięta z atmosfery. Erupcje wulkaniczne są zatem stosunkowo krótkotrwałymi czynnikami wpływającymi na warstwę ozonową, w przeciwieństwie do freonów, których czas życia wynosi dziesiątki i setki lat.

Dziura ozonowa musi znajdować się nad źródłami freonu

Wielu nie rozumie, dlaczego dziura ozonowa powstaje na Antarktydzie, kiedy główne emisje freonów występują na półkuli północnej. Faktem jest, że freony są dobrze wymieszane w troposferze i stratosferze. Ze względu na niską reaktywność praktycznie nie są zużywane w niższych warstwach atmosfery i mają żywotność kilku lat, a nawet dziesięcioleci. Dlatego łatwo docierają do wyższych warstw atmosfery. Antarktyczna „dziura ozonowa” nie istnieje na stałe. Pojawia się późną zimą - wczesną wiosną. Powody powstawania dziury ozonowej na Antarktydzie są związane z lokalnym klimatem. Niskie temperatury antarktycznej zimy prowadzą do powstania wiru polarnego. Powietrze wewnątrz tego wiru porusza się głównie po zamkniętych ścieżkach wokół bieguna południowego. W tym czasie region polarny nie jest oświetlony przez Słońce, a ozon tam nie występuje. Wraz z nadejściem lata ilość ozonu wzrasta i ponownie osiąga swoją poprzednią normę. Oznacza to, że wahania stężenia ozonu nad Antarktydą są sezonowe. Jeśli jednak prześledzimy dynamikę zmian stężenia ozonu i wielkość dziury ozonowej uśrednioną w ciągu roku na przestrzeni ostatnich dziesięcioleci, to istnieje ściśle określona tendencja w kierunku spadku stężenia ozonu Prace kontrolne >> Ekologia ozon dziury w atmosferze ze względu na... Systematyczne obserwacje: i) stanu ozon warstwa (zmienność przestrzenna i czasowa...

20 grudnia 2014

Dziura ozonowa jest uważana za lokalny spadek stężenia ozonu w warstwie ozonowej Ziemi. Początkowo eksperci zakładali, że stężenie ozonu ma tendencję do zmiany z powodu cząstek emitowanych podczas każdej eksplozji atomowej.

Przez długi czas samoloty i statki kosmiczne na dużych wysokościach były uważane za winowajców pojawienia się dziur ozonowych w ziemskiej atmosferze.

Jednak w trakcie licznych badań i eksperymentów udowodniono, że zawartość ozonu może zmieniać się jakościowo ze względu na pewne naturalne zanieczyszczenia powietrza zawierające azot.

Główne przyczyny pojawienia się dziur ozonowych

Od dawna ustalono, że główna ilość naturalnego ozonu znajduje się na wysokości od 15 do 50 kilometrów nad powierzchnią Ziemi - w stratosferze. Ozon przynosi największe korzyści poprzez pochłanianie znacznej ilości ultrafioletowego promieniowania słonecznego, które w przeciwnym razie byłoby szkodliwe dla organizmów żywych na naszej planecie. Spadek stężenia ozonu w określonym miejscu może wynikać z dwóch rodzajów zanieczyszczenia powietrza. Obejmują one:

1. Naturalne procesy, w wyniku których dochodzi do zanieczyszczenia powietrza.
2. Antropogeniczne zanieczyszczenie atmosfery ziemskiej.

W płaszczu Ziemi nieustannie zachodzą procesy odgazowania, w wyniku których związki organiczne. Wulkany błotne i źródła hydrotermalne mogą generować tego typu gazy.

Ponadto w skorupie ziemskiej znajdują się niektóre gazy, które są w stanie wolnym. Niektóre z nich są w stanie dotrzeć do powierzchni ziemi i przedostać się do atmosfery przez pęknięcia w skorupie ziemskiej. Dlatego powietrze powierzchniowe nad basenami naftowymi i gazowymi często zawiera: podwyższony poziom metan. Tego typu zanieczyszczenia można przypisać naturalnym – występującym w związku ze zjawiskami naturalnymi.

Antropogeniczne zanieczyszczenie powietrza może być spowodowane startami rakiet kosmicznych i lotami naddźwiękowych samolotów odrzutowych. Ponadto podczas wydobywania i przetwarzania licznych minerałów z wnętrzności ziemi do atmosfery uwalniana jest duża liczba różnych związków chemicznych.

Duże miasta przemysłowe, będące swego rodzaju źródłami antropogenicznymi, również odgrywają istotną rolę w zanieczyszczaniu atmosfery. Masy powietrza na takich obszarach są zanieczyszczone przez rozległy przepływ transportu drogowego, a także przez emisje z różnych przedsiębiorstw przemysłowych.

Historia odkrycia dziur ozonowych w atmosferze

Dziura ozonowa została po raz pierwszy odkryta w 1985 roku przez grupę brytyjskich naukowców kierowanych przez Joe Farmana. Średnica dziury wynosiła ponad 1000 kilometrów i znajdowała się nad Antarktydą - na półkuli południowej. Ta dziura ozonowa, występująca corocznie w sierpniu, znikała od grudnia do stycznia.

Rok 1992 dla naukowców oznaczał fakt, że już nad półkulą północną na Antarktydzie utworzyła się kolejna dziura ozonowa, o znacznie mniejszej średnicy. A w 2008 roku średnica pierwszego zjawiska ozonu odkrytego na Antarktydzie osiągnęła swój rekordowy rozmiar - 27 milionów kilometrów kwadratowych.

Możliwe konsekwencje rozszerzania się dziur ozonowych

Ponieważ warstwa ozonowa ma za zadanie chronić powierzchnię naszej planety przed nadmiarem ultrafioletowego promieniowania słonecznego, dziury ozonowe można uznać za zjawisko naprawdę niebezpieczne dla organizmów żywych. Spadek warstwy ozonowej znacznie zwiększa przepływ promieniowania słonecznego, co może wpływać na gwałtowny wzrost liczby nowotworów skóry. Nie mniej szkodliwe jest pojawienie się na Ziemi dziur ozonowych dla roślin i zwierząt.

Dzięki opinii publicznej Konwencja wiedeńska o ochronie warstwy ozonowej została przyjęta w 1985 roku. Potem był tak zwany Protokół Montrealski, przyjęty w 1987 roku i określający listę najniebezpieczniejszych chlorofluorowęglowodorów. Jednocześnie kraje produkujące te zanieczyszczenia atmosferyczne zobowiązały się do ograniczenia ich uwalniania, a do roku 2000 do całkowitego zaprzestania ich uwalniania.

Hipotezy o naturalnym pochodzeniu dziury ozonowej

Ale rosyjscy naukowcy opublikowali potwierdzenie hipotezy o naturalnym pochodzeniu antarktycznej dziury ozonowej. W 1999 roku NPO Typhoon opublikował pracę naukową na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym, w której według obliczeń geofizyków A.P. Kapitsa i AA Gavrilova, antarktyczna dziura ozonowa istniała, zanim została odkryta bezpośrednio metody eksperymentalne w 1982 roku, co według rosyjskich naukowców potwierdza hipotezę o naturalnym pochodzeniu dziury ozonowej nad Antarktydą.

Autorzy tego Praca naukowa byli A.P. Kapitsa (członek-korespondent Rosyjskiej Akademii Nauk) b A.A. Gavrilov (Moskwa Uniwersytet stanowy). Dwóm naukowcom udało się ustalić, że liczba faktów przeczących antropogenicznej hipotezie o powstaniu antarktycznej dziury ozonowej stale rośnie, a po udowodnieniu, że dane o nienormalnie niskich wartościach całkowitego ozonu na Antarktydzie w latach 1957-1959 są poprawnie, stało się jasne, że przyczyna dziur ozonowych jest inna niż antropogeniczna.

Wyniki badań Kapitsy i Gavrilova zostały opublikowane w Dokladach Akademii Nauk, 1999, t. 366, nr 4, s. 543-546

Dziury ozonowe - "dzieci" wirów stratosferycznych

Chociaż we współczesnej atmosferze nie ma dużo ozonu - nie więcej niż jedna trzymilionowa pozostałych gazów - jego rola jest niezwykle duża: opóźnia twarde promieniowanie ultrafioletowe (krótkofalowa część widma słonecznego), które niszczy białka oraz kwasy nukleinowe. Ponadto ważny jest ozon stratosferyczny czynnik klimatyczny, który determinuje krótkotrwałe i lokalne zmiany pogody.

Szybkość reakcji niszczenia ozonu zależy od katalizatorów, którymi mogą być zarówno naturalne tlenki atmosferyczne, jak i substancje uwalniane do atmosfery w wyniku klęski żywiołowe(na przykład potężne erupcje wulkanów). Jednak w drugiej połowie ubiegłego wieku odkryto, że substancje pochodzenia przemysłowego mogą również służyć jako katalizatory reakcji niszczenia warstwy ozonowej, a ludzkość była poważnie zaniepokojona ...

Ozon (O 3) to stosunkowo rzadka cząsteczkowa forma tlenu, składająca się z trzech atomów. Chociaż we współczesnej atmosferze jest mało ozonu - nie więcej niż jedna trzymilionowa pozostałych gazów - jego rola jest niezwykle duża: opóźnia twarde promieniowanie ultrafioletowe (krótkofalowa część widma słonecznego), które niszczy białka i kwasy nukleinowe. Dlatego przed nadejściem fotosyntezy - a zatem wolnego tlenu i warstwy ozonowej w atmosferze - życie mogło istnieć tylko w wodzie.

Ponadto ozon stratosferyczny jest ważnym czynnikiem klimatycznym, który determinuje krótkoterminowe i lokalne zmiany pogody. Pochłaniając promieniowanie słoneczne i przenosząc energię do innych gazów, ozon ogrzewa stratosferę, a tym samym reguluje charakter planetarnych procesów termicznych i cyrkulacyjnych w atmosferze.

Niestabilne cząsteczki ozonu w warunkach naturalnych tworzą się i rozkładają pod wpływem różnych czynników żyjących i przyroda nieożywiona i w trakcie długiej ewolucji proces ten doszedł do pewnej dynamicznej równowagi. Szybkość reakcji niszczenia ozonu zależy od katalizatorów, którymi mogą być zarówno naturalne tlenki atmosferyczne, jak i substancje uwalniane do atmosfery w wyniku klęsk żywiołowych (np. potężnych erupcji wulkanicznych).

Jednak w drugiej połowie ubiegłego wieku odkryto, że substancje pochodzenia przemysłowego mogą również służyć jako katalizatory reakcji niszczenia warstwy ozonowej i ludzkość była poważnie zaniepokojona. Opinia publiczna była szczególnie podekscytowana odkryciem nad Antarktydą tzw. „dziury ozonowej”.

„Dziura” nad Antarktydą

Zauważalny spadek warstwy ozonowej nad Antarktydą - dziurę ozonową - odkryto po raz pierwszy w 1957 r., podczas Międzynarodowego Roku Geofizycznego. Jej prawdziwa historia zaczęła się 28 lat później od artykułu w majowym numerze magazynu Natura, gdzie sugerowano, że przyczyną anomalnego wiosennego minimum TO nad Antarktydą jest przemysłowe (w tym freonowe) zanieczyszczenie atmosfery (Farman i in., 1985).

Stwierdzono, że dziura ozonowa nad Antarktydą pojawia się zwykle raz na dwa lata, trwa około trzech miesięcy, a następnie zanika. Nie jest to otwór przelotowy, jak mogłoby się wydawać, ale wgłębienie, więc bardziej słusznie jest mówić o „opadaniu warstwy ozonowej”. Niestety wszystkie dalsze badania dziury ozonowej miały na celu przede wszystkim udowodnienie jej antropogenicznego pochodzenia (Roan, 1989).

Obecnie istnieją różne hipotezy dotyczące chemicznych i dynamicznych mechanizmów powstawania dziur ozonowych. Jednak chemiczna teoria antropogeniczna nie pasuje zbytnio znane fakty. Na przykład wzrost ozonu stratosferycznego w niektórych regionach geograficznych.

Oto najbardziej „naiwne” pytanie: dlaczego na półkuli południowej powstaje dziura, chociaż freony są produkowane na północy, mimo że nie wiadomo, czy w tym czasie istnieje komunikacja powietrzna między półkulami?

Żadna z istniejących teorii nie opiera się na wielkoskalowych szczegółowych pomiarach TO i badaniach procesów zachodzących w stratosferze. Aby odpowiedzieć na pytanie o stopień izolacji stratosfery polarnej nad Antarktydą, a także na szereg innych pytań związanych z problemem powstawania dziur ozonowych, było to możliwe tylko za pomocą nowej metody śledzenia ruchów przepływów powietrza zaproponowanych przez V. B. Kashkina (Kashkin, Sukhinin, 2001; Kashkin i in., 2002).

Przepływy powietrza w troposferze (do wysokości 10 km) były od dawna śledzone, obserwując ruchy translacyjne i obrotowe chmur. Ozon w rzeczywistości jest też ogromną „chmurą” na całej powierzchni Ziemi, a zmiany jego gęstości można wykorzystać do oceny ruchu mas powietrza powyżej 10 km, tak jak znamy kierunek wiatru patrząc na zachmurzonym niebie w pochmurny dzień. W tym celu gęstość ozonu powinna być mierzona w punktach sieci przestrzennej w określonym przedziale czasowym, np. co 24 godziny. Śledząc, jak zmieniało się pole ozonu, można oszacować kąt jego rotacji na dzień, kierunek i prędkość ruchu.

Przy użyciu nowej metody zbadano dynamikę warstwy ozonowej w 2000 roku, kiedy to nad Antarktydą zaobserwowano rekordową dziurę ozonową (Kashkin i in., 2002). W tym celu wykorzystano dane satelitarne dotyczące gęstości ozonu na całej półkuli południowej, od równika do bieguna. W rezultacie stwierdzono, że zawartość ozonu jest minimalna w centrum lejka tzw. wiru okołobiegunowego, który utworzył się nad biegunem, co szczegółowo omówimy poniżej. Na podstawie tych danych wysunięto hipotezę o naturalnym mechanizmie powstawania „dziur” ozonowych.

Globalna dynamika stratosfery: hipoteza

Wiry okołobiegunowe powstają podczas ruchu stratosferycznych mas powietrza w kierunku południkowym i równoleżnikowym. Jak to się stało? Stratosfera jest wyższa na ciepłym równiku i niższa na biegunie zimnym. Strumienie powietrza (wraz z ozonem) spływają ze stratosfery jak wzgórze i coraz szybciej przemieszczają się z równika na biegun. Ruch z zachodu na wschód następuje pod wpływem siły Coriolisa związanej z obrotem Ziemi. W efekcie na półkuli południowej i północnej przepływy powietrza wydają się być nawinięte jak nici na wrzecionie.

„Wrzeciono” mas powietrza wiruje przez cały rok na obu półkulach, ale jest bardziej wyraźne późną zimą i wczesną wiosną, ponieważ wysokość stratosfery na równiku prawie nie zmienia się w ciągu roku, a na biegunach jest wyższa latem i niżej zimą, kiedy jest szczególnie zimno.

Warstwa ozonowa w środkowych szerokościach geograficznych powstaje w wyniku silnego napływu z równika, a także w wyniku zachodzących tam reakcji fotochemicznych. Ale ozon w rejonie bieguna zawdzięcza swoje pochodzenie głównie przepływowi z równika i ze średnich szerokości geograficznych, a jego zawartość jest tam dość niska. Reakcje fotochemiczne na biegunie, gdzie promienie słoneczne spadają pod niewielkim kątem, idą powoli, a znaczna część ozonu pochodzącego z równika ulega zniszczeniu po drodze.

Ale masy powietrza nie zawsze tak się poruszają. W najzimniejsze zimy, kiedy stratosfera nad biegunem opada bardzo nisko nad powierzchnią Ziemi, a „wzgórze” staje się szczególnie strome, sytuacja się zmienia. Prądy stratosferyczne spływają tak szybko, że każdy, kto widział, jak woda spływa przez dziurę w wannie, jest znany z efektu. Po osiągnięciu określonej prędkości woda zaczyna się szybko obracać, a wokół otworu tworzy się charakterystyczny lejek, utworzony przez siła odśrodkowa.

Coś podobnego dzieje się w globalnej dynamice przepływów stratosferycznych. Kiedy prądy powietrza stratosferycznego osiągają wystarczająco dużą prędkość, siła odśrodkowa zaczyna je odpychać od bieguna w kierunku środkowych szerokości geograficznych. W efekcie masy powietrza przemieszczają się od równika i od bieguna ku sobie, co prowadzi do powstania szybko obracającego się „wału” wiru w środkowych szerokościach geograficznych.

Wymiana powietrza między regionami równikowymi i polarnymi ustaje, a ozon z równika i ze środkowych szerokości geograficznych nie dociera do bieguna. Ponadto ozon pozostający na biegunie, jak w wirówce, jest wyciskany do środkowych szerokości geograficznych siłą odśrodkową, ponieważ jest cięższy od powietrza. W rezultacie stężenie ozonu w lejku gwałtownie spada - nad biegunem tworzy się „dziura” ozonu, a na środkowych szerokościach geograficznych - obszar o wysokiej zawartości ozonu, odpowiadający „wałowi” wiru okołobiegunowego.

Wiosną stratosfera Antarktydy rozgrzewa się i wznosi wyżej - lejek znika. Przywracana jest komunikacja powietrzna między średnimi i wysokimi szerokościami geograficznymi, a fotochemiczne reakcje powstawania ozonu również ulegają przyspieszeniu. Dziura ozonowa znika przed kolejną szczególnie mroźną zimą na biegunie południowym.

A co w Arktyce?

Chociaż dynamika przepływów stratosferycznych i odpowiednio warstwy ozonowej na półkuli północnej i południowej jest ogólnie podobna, dziura ozonowa występuje tylko od czasu do czasu nad biegunem południowym. Nad biegunem północnym nie ma dziur ozonowych, ponieważ zimy są łagodniejsze, a stratosfera nigdy nie opada na tyle nisko, by prądy powietrza nabrały prędkości potrzebnej do utworzenia lejka.

Jest jeszcze jedna ważna różnica. Na półkuli południowej wir okołobiegunowy obraca się prawie dwa razy szybciej niż na północy. I nie jest to zaskakujące: Antarktyda jest otoczona morzami i wokół niej otacza prąd morski - w istocie gigantyczne masy wody i powietrza krążą razem. Na półkuli północnej obraz jest inny: na środkowych szerokościach geograficznych znajdują się kontynenty z pasmami górskimi, a tarcie masy powietrza o powierzchnię ziemi nie pozwala wirowi okołobiegunowemu osiągnąć wystarczająco dużej prędkości.

Jednak na środkowych szerokościach geograficznych półkuli północnej czasami pojawiają się małe „dziury” ozonowe o innym pochodzeniu. Skąd oni pochodzą? Ruch powietrza w stratosferze średnich szerokości geograficznych górskiej półkuli północnej przypomina ruch wody w płytkim strumieniu o kamienistym dnie, gdy na powierzchni wody tworzą się liczne wiry. W środkowych szerokościach geograficznych półkuli północnej rolę rzeźby powierzchni dna odgrywają różnice temperatur na granicy kontynentów i oceanów, łańcuchów górskich i równin.

Gwałtowna zmiana temperatury na powierzchni Ziemi prowadzi do powstania pionowych przepływów w troposferze. Wiatry stratosferyczne zderzające się z tymi prądami tworzą wiry, które mogą obracać się w obu kierunkach z równym prawdopodobieństwem. W ich obrębie pojawiają się obszary o niskiej zawartości ozonu, czyli dziury ozonowe znacznie mniejsze niż na biegunie południowym. I należy zauważyć, że takie wiry o różnych kierunkach rotacji zostały odkryte już przy pierwszej próbie.

Tak więc dynamika stratosferycznych prądów powietrza, którą prześledziliśmy obserwując chmurę ozonową, pozwala nam przedstawić wiarygodne wyjaśnienie mechanizmu powstawania dziury ozonowej nad Antarktydą. Podobno takie zmiany w warstwie ozonowej, spowodowane zjawiskami aerodynamicznymi w stratosferze, miały miejsce na długo przed pojawieniem się człowieka.

Wszystko to wcale nie oznacza, że ​​freony i inne gazy pochodzenia przemysłowego nie mają niszczącego wpływu na warstwę ozonową. Jednak naukowcy muszą jeszcze dowiedzieć się, jaki jest stosunek czynników naturalnych i antropogenicznych wpływających na powstawanie dziur ozonowych – niedopuszczalne jest wyciąganie pochopnych wniosków w tak ważnych kwestiach.

Warstwa ozonowa została po raz pierwszy zbadana przez naukowców z Brytyjskich Stacji Antarktycznych w 1957 roku. Ozon został uznany za możliwy wskaźnik długoterminowych zmian w atmosferze. W 1985 roku w czasopiśmie Nature ogłoszono roczne zubożenie warstwy ozonowej i powstawanie dziur ozonowych.

Czym jest dziura ozonowa i dlaczego się pojawia?

Ozon jest produkowany w dużych ilościach w stratosferze nad tropikami, gdzie promieniowanie UV jest najsilniejsze. Następnie krąży w atmosferze ziemskiej w kierunku biegunów. Ilość ozonu zmienia się w zależności od lokalizacji, pory roku i dobowych warunków klimatycznych. Spadek stężenia ozonu w atmosferze, który obserwuje się na biegunach Ziemi, nazywa się dziurą ozonową.

Im cieńsza staje się warstwa ozonowa, tym większe są dziury ozonowe. Istnieją 3 główne powody ich powstania:

• Naturalna redystrybucja stężenia ozonu w atmosferze. Maksymalna ilość ozon zawarty jest w pobliżu równika, opadając w kierunku biegunów, tworząc obszary o obniżonej koncentracji tego pierwiastka.
• Czynnik technologiczny . CFC zawarte w puszkach aerozolowych i czynnikach chłodniczych są emitowane do atmosfery w wyniku działalności człowieka. Powstałe reakcje chemiczne w atmosferze niszczą cząsteczki ozonu. To rozrzedza warstwę ozonową i zmniejsza jej zdolność do pochłaniania światła ultrafioletowego.
• Globalne ocieplenie klimatu. Temperatura na powierzchni Ziemi stale rośnie, podczas gdy górne warstwy stratosfery ochładzają się. Towarzyszy temu powstawanie chmur masy perłowej, w których zachodzą reakcje niszczenia warstwy ozonowej.

Konsekwencje rozszerzania się dziur ozonowych

Istnienie życia na Ziemi jest możliwe tylko dzięki obecności warstwy ozonowej. Skutecznie chroni planetę przed wnikaniem szkodliwego promieniowania UV, które jest wysoce reaktywne.

• Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego DNA ulega uszkodzeniu. Może to prowadzić do niepożądanych mutacji w żywych organizmach.
• Promienie UV przenikają nawet przez wodę i powodują śmierć komórek roślinnych i mikroorganizmów, które służą jako pokarm dla bardziej rozwiniętych zwierząt. W rezultacie ich liczba maleje.
• U ludzi nadmierne promieniowanie UV może powodować raka skóry. (Spadek ozonu o 1% zwiększa zachorowalność na raka skóry o 5%).
• Bezpośredni kontakt światła ultrafioletowego z siatkówką oka wywołuje powstawanie zaćmy. Wpływa to na jakość widzenia i może powodować ślepotę.

W 1987 r. sporządzono międzynarodowe porozumienie - Protokół Montrealski - regulujące emisję szkodliwych gazów do atmosfery, które niszczą cząsteczki ozonu. Przestrzeganie protokołu pomaga stopniowo zmniejszać zubożenie warstwy ozonowej w atmosferze i zapobiegać rozszerzaniu się dziur ozonowych.