На месте ли озоновая дыра?

Сравнительно недавно слова «озоновая дыра», «озоновый щит Земли» не сходили со страниц ежедневных газет, о них кричали радио- и телепередачи, нас пугали статьями в Интернете и в научно-популярных журналах. Термины «дыра», «щит» были наглядны, понятны, о них судачили даже те, кто не знал, что такое озон. Правительства ведущих стран мира принимали законы с целью снизить вредное воздействие человека на озоновый слой в стратосфере. Но все как-то постепенно стихло, и сейчас на эту тему редко можно увидеть новые сообщения и аналитические статьи. Значит ли это, что проблема рассосалась сама собой? Или страшилки были преувеличением?

Озоновый слой (он же озоновый щит) расположен в стратосфере на высотах примерно от 10 до 50 км, где атмосферное давление в среднем составляет соответственно 220 и 0,76 мм рт. ст. И очень небольшую часть от количества молекул кислорода и азота в стратосфере составляют молекулы озона. Именно они поглощают жесткий солнечный ультрафиолет, защищая от него человека, животных, растения.

Механизм образования стратосферного озона предложил в 1930 году британский геофизик Сидни Чепмен (1888—1970). Жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца (длина волны около 255 нм, диапазон УФ-С) расщепляет молекулы кислорода на атомы:

O₂ + hν → 2O.

Атомы кислорода вступают с молекулами кислорода в темновую, то есть уже не требующую освещения, тримолекулярную реакцию:

О + О₂ + М → О₃ + М,

которая приводит к образованию молекул озона. Какая-нибудь «третья частица» М нужна для того, чтобы стабилизировать вновь образовавшуюся молекулу озона путем отвода от нее избытка энергии. Атомы кислорода участвуют не только в образовании молекул озона, но и в их разрушении:

О₃ + О → 2О₂.

Эта реакция требует преодоления энергетического барьера (энергия активации составляет примерно 13 кДж/моль). Этот факт означает, что на скорость такой реакции может влиять катализатор. Что и подтвердилось впоследствии.

В стратосфере озона намного больше, чем в тропосфере — нижнем слое атмосферы. Озон вреден для человека, он не менее ядовит, чем хлор, поскольку разрушает любые биологические ткани, с которыми соприкасается. Предельно допустимая среднесуточная концентрация озона в атмосферном воздухе населенных мест составляет 0,03 мг/м³. Озон — один из основных компонентов фотохимического смога, мнение, что озоном полезно дышать, — миф. В то же время убийственное действие озона на микроорганизмы помогает дезинфицировать воду, а заодно предотвращает образование в воде очень токсичных веществ, которые могут появиться при хлорировании, если она загрязнена органическими соединениями. Например, полифенолы не токсичны в той очень малой концентрации, в которой они могут оказаться в питьевой воде, но при хлорировании частично образуют диоксины, токсичность которых может быть в тысячи раз больше, чем у фенолов. Озон же не хлорирует, а разрушает органику.

Кстати, повышение содержания кислорода в воздухе тоже не привело бы ни к чему хорошему: пожары стали бы более интенсивными и опасными; недопустимо ускорились бы важные биохимические реакции в клетках организма. Последствия вдыхания больших количеств кислорода описал Жюль Верн в фантастической повести «Опыт доктора Окса», написанной в 1872 году. Доктор Окс с говорящей фамилией (от франц. oxygène — кислород) наполнил кислородом здания и улицы города, в котором проводил свой «эксперимент». И вот что из этого вышло.

«Этот газ, совершенно бесцветный, лишенный запаха, вдыхаемый в большом количестве, вызывает ряд серьезных нарушений в организме. Человек, живущий в атмосфере, перенасыщенной кислородом, приходит в крайнее возбуждение и быстро сгорает.

Но, вернувшись в обычную атмосферу, он снова приходит в норму, как это было с советником и бургомистром, когда они поднялись на башню, где им не приходилось вдыхать кислород, который остался в нижних слоях атмосферы.

Человек, постоянно вдыхающий этот газ, столь губительный для организма, быстро умирает, подобно тем безумцам, которые предаются всякого рода излишествам!»

Озон образуется в воздухе из кислорода не только под действием ультрафиолета, этому способствуют также электрические разряды, о чем упоминает Томас Манн в философском романе «Волшебная гора»:

— Но чем это здесь так пахнет?
— Кислородом, — ответил гофрат. — То, что вы ощущаете в здешнем воздухе, — это кислород. Атмосферический продукт комнатной грозы, понимаете ли...

Конечно, гофрат — главный врач санатория доктор Беренс (а с ним и знаменитый немецкий писатель) — ошибаются: кислород не имеет запаха. Запахом, причем неприятным, обладает озон, само название которого происходит от греческого óζων — пахнущий; так его назвал открывший озон швейцарский химик Кристиан Фридрих Шёнбейн (1799—1868).

Сравнение озонового слоя со «щитом» хромает: он похож не на щит, а на редко сплетенную сеточку. Метеорологи измеряют толщину озонового слоя в так называемых единицах Добсона (англ. DU), названных в честь британского физика и метеоролога Гордона Добсона (1889—1976). Одна единица Добсона соответствует слою озона толщиной 0,01 мм при стандартных давлении и температуре. Нормой считается концентрация озона в атмосфере в пределах 200—300 единиц; на уровне моря весь этот озон образовал бы при нормальных условиях слой толщиной всего 2—3 мм.

В начале 1970-х годов ученые обнаружили, что содержание озона в атмосфере постепенно снижается. И распространились утверждения о том, что снижается «толщина озонового слоя», что «образовалась озоновая дыра». Но это вовсе не означает, что уменьшился 40-километровый атмосферный слой, в котором образуется озон, и тем более — что в некоем «щите» появилось отверстие. На самом деле снизилось содержание озона в этом слое атмосферы, то есть озоновая сеточка стала более разреженной. При этом корректно было говорить только о среднегодовом снижении, поскольку оно существенно зависело от времени года. В среднем это снижение впоследствии, по-видимому, вообще прекратилось. Что касается локальных значений, то снижение концентрации озона в воздухе сильнее выражено над полюсами, в марте — апреле над Северным полюсом, в сентябре — октябре над Южным. Над Северным полюсом максимальное снижение концентрации озона может достигать 30%, над Южным полюсом — 70%.

Содержание озона над полярными шапками: измеренное разными приборами и рассчитанное по климатической модели E39CA. Видно, что в конце 90-х содержание достигло минимума, а теперь должно расти ESA/DLR/Eumetsat/NASA/WMO/GAW

Причины, по которым могло снизиться содержание озона в полярных областях, а также процессы образования и разрушения озонового слоя были тщательно изучены нидерландским химиком Паулем Крутценом (р. 1933), американским химиком мексиканского происхождения Марио Молиной (р. 1943) и американским химиком Шервудом Роулендом (1927—2012). Все трое за исследования атмосферного озона в 1995 году были удостоены Нобелевской премии по химии. Основная вина была возложена на рукотворные фторхлоруглеводороды — фреоны. Их широко использовали в качестве хладагентов в холодильной технике, для заполнения огромного количества аэрозольных баллончиков с различными лаками и парфюмерией. Будучи химически инертными, фреоны десятилетиями могут оставаться в атмосфере, диффундируя в ее верхние слои. Там они разрушаются под действием солнечного ультрафиолета; образующиеся атомы хлора каталитически способствуют превращению озона в кислород:

Cl + O₃ → ClO + O₂

ClO + O → Cl + O₂

_________________

О₃ + О → 2О₂

С января 1989 года вступил в силу Монреальский протокол к Венской конвенции об охране озонового слоя. Протокол, который подписали 196 стран, ограничивал использование фреонов. И озоновая дыра действительно начала довольно быстро уменьшаться. Самая большая «дыра» была зафиксирована над Антарктидой в сентябре 2006 года. А спустя шесть лет она стала намного меньше.

Содержание озона в единицах Добсона https://wordlesstech.com/antarctic-ozone-hole-shrinks-to-new-records/

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 6/2018) на с. 32 — 33.