Предыдущая часть. <<<
В предыдущих частях мы обсудили, каким именно образом озоновый слой защищает жизнь на нашей планете, и каковы физические обоснования таких свойств. На этот раз пришло время проговорить главный вопрос: так виновен ли человек в появлении озоновых дыр, и может ли это привести нас к экологической катастрофе?
Для полноценного понимания процессов, затрагивающих эту тему, критично осветить несколько ключевых аспектов. Прежде всего, следует подчеркнуть, что мы имеем дело с явлениями, происходящими в высоких слоях атмосферы. Это означает, что обыденные представления о воздухе требуют корректировки и переосмысления, ведь на высоте более 10 километров давление газов составляет лишь проценты или доли процентов от давления на уровне моря. Несмотря на значительную разреженность воздушных масс, в этих условиях непрерывно происходят интенсивные физические взаимодействия между солнечными лучами и газами атмосферы.
Обычный двухатомный кислород O₂ на этих высотах подвергается воздействию высокоэнергетических ультрафиолетовых фотонов с длиной волны примерно от 100 до 250 нанометров. В этом диапазоне O₂ не пропускает излучение, а поглощает его, что приводит к процессу фотолиза. Фотолиз, или фотодиссоциация — это расщепление молекул кислорода под действием света. Именно благодаря этому процессу и образуется озон O₃. Следует отметить, что эти преобразования происходят не всегда, и не со всеми молекулами одновременно, а лишь с определенным процентом частиц в каждый конкретный момент.
Эти процессы обуславливают постоянное "переформирование" атомов кислорода в озон, а затем и обратно в кислород. Озоновые частицы не удерживаются в атмосфере долгое время, поскольку они постоянно подвержены ультрафиолетовым лучам. Это отличается от того что мы видим в нижних слоях атмосферы, где кислород O₂ и азот N₂ стабильно остаются в воздухе практически неограниченно долго. Существование определенной концентрации озона в стратосфере поддерживается динамическим равновесием: озон формируется и разлагается с определенной скоростью, и эта система поддерживается в определенном балансе. Таким образом, хоть отдельные молекулы озона и не существуют на протяжении большого времени, но в естественных условиях его процентное соотношение к остальным газам остается очень стабильным. Непрерывное присутствие озона играет жизненно важную роль, защищая поверхность Земли от ультрафиолетового излучения определенных диапазонов, как было описано в предыдущих частях.
Еще раз прикрепим важный график, который позволяет понять, в каких диапазонах ультрафиолетового спектра образуется озон, и в каких диапазонах он способен нас защитить:
Второй важнейший аспект касается влияния определенных химических соединений на процесс формирования озона, включая их реакции с кислородом O₂ и озоном O₃. Распространено упрощенное мнение о том, что антропогенные газы, например фреон, разрушают некий стабильный слой газа в стратосфере. Однако, учитывая описанное динамическое равновесие системы, ситуация обстоит сложнее - посторонние вещества могут нарушать естественную скорость образования и разложения озона, что в конечном итоге может приводить к значительному изменению концентрации этого газа.
Давайте рассмотрим это подробнее. Речь идет о хлорфторуглеродах (ХФУ), в том числе о фреоне, который ранее широко использовался в холодильных системах благодаря своим уникальным свойствам, таким как низкая токсичность, химическая стабильность и эффективность в качестве хладагента. Но как возникла идея, что именно эти газы могут повреждать озоновый слой?
Сначала рассмотрим, способен ли фреон достигать верхних слоев атмосферы. Часто скептики утверждают, что фреон, будучи тяжелее атмосферного воздуха, вряд-ли может подняться до стратосферы. Однако, этот аргумент несостоятелен. Достаточно вспомнить о молекулярной массе более привычных составляющих атмосферы, кислорода и азота. Кислород O₂ тяжелее азота N₂, но на практике мы видим, что в воздухе эти элементы перемешиваются. Если следовать логике скептиков, кислород должен был бы оседать в нижних слоях, а азот — оставаться вверху, подобно слоям в алкогольном коктейле. Но на деле, свойства газов отличаются от жидкостей, и в газовых смесях не действует явное разделение по плотности - закон Архимеда здесь не играет большой роли.
Для простоты понимания: воздушный шар, наполненный чистым азотом, будет создавать небольшую подъемную силу, он немного легче окружающего воздуха, поскольку его плотность несколько ниже. Но если вы лопните этот шар, свободно перемешиваемые молекулы газов диффундируют и распределятся достаточно равномерно. Это происходит по нескольким причинам: прежде всего, сила Архимеда для отдельных молекул очень незначительна, поскольку молекулы газов постоянно сталкиваются друг с другом во всех направлениях, и для них сложно просто "утонуть" в окружающей среде. Другая часть причин связана с воздействием внешних факторов, таких как тепловые потоки с поверхности Земли и ветра - они перемешивают газы в атмосфере с гораздо большей скоростью, чем они были бы способны разделиться на слои тяжелых и легких веществ.
Таким же образом, даже тяжелые молекулы фреона могут достигать верхних слоев атмосферы, что и было подтверждено практическими исследованиями, о которых мы поговорим ниже.
Так каким образом фреон и другие ХФУ влияют на озоновый слой? Достигнув стратосферы, хлорфторуглероды участвуют в динамических процессах, аналогичных тем, что происходят с кислородом. Под воздействием ультрафиолетовых лучей с обозначенной длиной волны от 100 до 250 нанометров, фреон также подвергается фотолизу (разрушению), в результате которого высвобождаются атомы хлора. Эти атомы хлора, не вдаваясь в химические подробности, выступают как катализаторы: они разрушают существующие молекулы озона и одновременно препятствуют образованию новых.
Конечно, ученые могли бы проводить тщательные теоретические изыскания для оценки того, снижает ли присутствие свободного хлора концентрацию озона. Однако, практические эксперименты и наблюдения иногда могут давать гораздо более полезные и убедительные результаты - так почему бы не воспользоваться практическим методом и в этом случае?
В 1970-х и 1980-х годах спектроскопические исследования атмосферы Земли выявили формирование озоновой дыры над Антарктидой — такими дырами называют участки стратосферы, где концентрация озона значительно снижена. Чтобы глубже изучить этот процесс, и возможное антропогенное влияние на него, были организованы экспедиции в Антарктику в 1986 и 1987 годах, под эгидой многих научных организаций, включая NOAA и NASA. Ученые использовали специальные метеозонды-аэростаты и высотные самолеты, такие как ER-2, для измерения концентрации газов. Эти исследования подтвердили наличие повышенной концентрации хлора в стратосфере и одновременное снижение уровня озона.
Откуда же взялся этот хлор, и не является ли он причиной уменьшения озонового слоя в этом регионе? Хотя полученные данные не являются прямым доказательством роли антропогенных ХФУ в формировании озоновой дыры, они крепко поддерживают эту гипотезу. Наблюдаемое сочетание факторов — наличие озоновой дыры, увеличенное содержание хлора в стратосфере и присутствие ХФУ в атмосфере — направляет нас к выводу о значительном влиянии этих веществ на озоновый слой.
Наш паблик VK:
NOAA — Национальное управление океанических и атмосферных исследований США. Это американское агентство, занимающееся изучением и мониторингом океанов, крупных водоемов и атмосферы. NOAA играет важную роль в прогнозировании погоды, исследовании климата, наблюдении за состоянием морей и океанов, а также в защите морской среды.
NASA — Национальное управление аэронавтики и космического пространства США. Это государственное агентство, ответственное за гражданскую космическую программу, а также за аэрокосмические исследования. NASA известно своими космическими миссиями, исследованиями космоса, запусками спутников и участием в международных космических проектах.
Собственно, почему вообще это явление, озоновую дыру, впервые пронаблюдали именно над Антарктидой? Несколько факторов объясняют эту особенность. Прежде всего, в полярных районах процесс образования озона и так замедлен из-за того, что солнечные лучи падают под большим углом и проходят через значительную толщу атмосферы. Это блокирует часть ультрафиолетового излучения в верхних слоях, снижая количество озона в более глубоких слоях. Кроме того, особенности годовой циркуляции атмосферных потоков на нашей планете, способствует накоплению ХФУ именно в этом регионе. В общем, Антарктическая озоновая дыра появилась по принципу "где тонко - там и рвется". Именно благодаря этому сочетанию нескольких факторов, и была обнаружена наиболее значительная и заметная озоновая дыра над Антарктидой. Это обстоятельство оказалось весьма удачным для человечества, поскольку дало возможность изучить это опасное явление до того, как оно проявилось в более заселенных регионах.
Здесь возникает главный вопрос: является ли антропогенный фактор реальной угрозой для озонового слоя и, как следствие, для всей биосферы Земли? Надеемся, наш анализ помог прояснить, что этот вопрос весьма сложен и многогранен. Невозможно указать на одну единственную причину возникновения такой неоднозначной ситуации. В системе, настолько сложной, как атмосфера Земли, на озоновый слой влияют множество факторов, включая природные процессы, такие как выбросы хлора в результате вулканической активности, или особенности поступающего солнечного излучения в полярные регионы. Однако, даже если влияние человеческой деятельности кажется на первый взгляд незначительным, стоит задуматься: не станет ли оно последней каплей, которая нарушит и без того хрупкое равновесие системы и спровоцирует цепную реакцию катастрофических событий?
С нашей точки зрения, предпочтительным кажется подход, основанный на предосторожности и превентивном предупреждении потенциальной угрозы, которую может представлять человеческая деятельность. Это важно, даже если не существует абсолютной уверенности во вредоносности такого влияния. Впрочем, наша позиция совпадает с общепринятым мнением стран-членов ООН, которые приняли Монреальский протокол. Данный документ, подписанный в 1987 году, нацелен на постепенное сокращение, и в конечном итоге, полное прекращение производства веществ, разрушающих озоновый слой, включая фреон. С момента его принятия многие страны прекратили выпуск этих химических соединений, полностью остановив их производство к началу XXI века.
Если мы доверяем результатам исследований об антропогенном влиянии, это решение можно сравнить с предотвращением глобальной катастрофы, аналогичной отражению астероида, направляющегося к Земле. Удивительно, что несмотря на важность этого события (подписания Монреальского протокола), оно не получило широкого общественного резонанса и часто воспринимается лишь как часть "экологической повестки", за которой, якобы, могут скрываться коммерческие интересы. Однако, на самом деле, такое соглашение демонстрирует потрясающую организованность и согласие разных стран по вопросам предотвращения серьезной экологической угрозы.
Может ли быть, что подавляющее большинство ученых все-же ошибаются, и неправильно оценивают вводные данные, или делают неправильные выводы? В целом, это не исключено. Наука всегда оставляет "запасной выход" - предполагает варианты, когда самые крепкие теории будут разбиты. Но что, если инициаторы Монреальского протокола были правы? Стоило бы человечеству рисковать и игнорировать их воззвания? Оставим раздумия над этим ответом Вам, дорогие читатели.
Как бывшие самолеты-шпионы помогают научным исследованиям?
