Maa atmosfäär sisaldab mitut erineval kõrgusel paiknevat kihti. Üks olulisemaid on osoonikiht, mis asub stratosfääris. Selleks, et teada saada, mis on osooniauk, peate mõistma selle kihi funktsiooni ja selle olemasolu tähtsust planeedi elu jaoks.

Kirjeldus

Osoonikihi kõrgus varieerub sõltuvalt konkreetse piirkonna temperatuurirežiimist, näiteks troopikas on see vahemikus 25–30 km ja poolustel 15–20 km. Osoon on gaas, mis tekib päikesekiirguse toimel hapniku molekulidele. Osooni dissotsiatsiooniprotsess viib enamiku Päikese poolt kiiratava ohtliku ultraviolettkiirguse neeldumiseni.
Kihi paksust mõõdetakse normaalse rõhu ja temperatuuri tingimustes tavaliselt Dobsoni ühikutes, millest igaüks on võrdne 10 mikromeetrise osoonikihiga. Minimaalne paksus, millest allpool kiht lakkab olemast, on 220 ühikut. Dobson. Osoonikihi olemasolu tegid 20. sajandi alguses spektroskoopilise analüüsi abil kindlaks prantsuse füüsikud Charles Fabry ja Henri Buisson.

Osooni augud

Selle kohta, mis täpselt kutsub esile planeedi osoonikihi hõrenemise, on palju versioone. Mõned teadlased süüdistavad selles antropogeenseid tegureid, teised aga peavad seda loomulikuks protsessiks. Osooni augud on antud gaasi vähenemine või täielik kadumine stratosfäärist. Esimest korda registreeriti see nähtus 1985. aastal, see asus Antarktika piirkonnas umbes tuhande ruutkilomeetri suurusel alal.
Selle augu välimus oli tsükliline, see tekkis augustis ja kadus detsembris. Samal ajal tekkis Arktika piirkonda veel üks veidi väiksem auk. Tehnoloogia arenguga on saanud võimalikuks osoonikihi purunemiste teket reaalajas fikseerida ja nüüd võivad teadlased kindlalt väita, et neid on planeedil mitusada. Suurimad asuvad poolustel.

Osooniaukude põhjused ja tagajärjed

On olemas teooria, et osooniaugud tekivad looduslikel põhjustel. Selle kohaselt, kuna hapniku muundumine osooniks toimub päikesekiirgusega kokkupuute tagajärjel, siis selle puudumisel polaartalvel seda gaasi ei teki. Juba tekkinud osoon laskub pika öö jooksul oma suure massi tõttu atmosfääri alumistesse kihtidesse, kus see rõhu toimel hävib. See versioon selgitab suurepäraselt aukude tekkimist pooluste kohal, kuid ei selgita nende suuremahuliste kolleegide moodustumist Kasahstani ja Venemaa territooriumil, kus polaarööd ei täheldata.
Hiljuti on teadusringkonnad nõustunud, et osoonikihi kahanemisel on nii looduslikke kui ka inimtegevusest tingitud põhjuseid. Antropogeenne tegur hõlmab teatud kontsentratsiooni suurenemist keemilised ained Maa atmosfääris. Osoon hävib reaktsioonides kloori, vesiniku, broomi, vesinikkloriidi, lämmastikmonooksiidi, metaaniga, aga ka freooni ja selle derivaatidega. Osooniaukude tekkepõhjused ja tagajärjed pole veel täielikult välja selgitatud, kuid peaaegu iga aasta toob selles valdkonnas uusi avastusi.

Miks on osooniaugud ohtlikud?

Osoon neelab üliohtlikku päikesekiirgust, takistades selle jõudmist planeedi pinnale. Kui selle gaasi kiht muutub õhemaks, puutub kõik Maal kokku tavalise radioaktiivse kiirgusega. See kutsub esile vähkkasvajate kasvu, mis paiknevad peamiselt nahal. Taimedele on kahjulik ka osooni kadumine, neis tekivad mitmesugused geneetilised mutatsioonid ja üldine elujõu langus. Viimastel aastatel on inimkond hakanud paremini mõistma, kui ohtlikud on osooniaugud elule Maal.

Järeldus

Mõistes osooni hävimise ohtu, on rahvusvaheline üldsus võtnud mitmeid meetmeid selle vähendamiseks negatiivne mõju atmosfäärile. 1987. aastal allkirjastati Montrealis protokoll, mis kohustab minimeerima freooni kasutamist tööstuses, kuna just see gaas kutsub esile aukude tekkimise väljaspool polaaralasid. Juba atmosfääri paisatud freooni lagunemiseks kulub aga umbes sada aastat, mistõttu osooniaukude arv Maa atmosfääris lähiajal tõenäoliselt ei vähene.

Osooni kontsentratsiooni langust püütakse selgitada palju hüpoteese. Selle Maa atmosfääri kõikumiste põhjused on seotud:

• · Maa atmosfääris toimuvate dünaamiliste protsessidega (sisemised gravitatsioonilained, Assooride antitsüklon jne);
• Päikese mõjul (tema aktiivsuse kõikumised);
• vulkanismiga geoloogiliste protsesside tagajärjel (osoonikihi hävitamisega seotud vulkaanide freoonide väljavool, variatsioonid magnetväli Maa jne)
• · Maa ülemistes kestades toimuvate looduslike protsessidega, sealhulgas lämmastikku tootvate mikroorganismide aktiivsusega, merehoovustega (El Niño nähtus), metsatulekahjudega jne;
• · inimese majandustegevusega seotud inimtekkelise teguriga, kui atmosfääri satub märkimisväärses koguses osoonikihti kahandavaid ühendeid.

IN viimastel aastakümnetel inimtekkeliste tegurite mõju on järsult suurenenud, mis tõi kaasa nn keskkonnaprobleemid mille inimesed ise ootamatult globaalseteks muutsid: kasvuhooneefekt, happevihmad, metsade hävitamine, territooriumide kõrbestumine, keskkonna saastamine kahjulike ainetega, planeedi bioloogilise mitmekesisuse vähenemine.

Mõned teadlased usuvad, et see on nii majanduslik tegevus inimkond suurendas oluliselt stratosfääriosooni halogeeni lagunemisraja osakaalu, mis kutsus esile osooniaukude tekke.

1987. aasta Montreali protokoll keelustas külmutusagensi tootmise, mis võimaldas viimase poole sajandi jooksul toitu säilitada ja muutis seeläbi mitte ainult inimeste elu mugavamaks, vaid päästis ka paljude miljonite toidupuuduse käes kannatavate inimeste elu. Kuna odavad külmutusagensid keelustati, ei saanud vähearenenud riigid kalleid külmikuid osta. Seetõttu ei saa nad oma põllumajandussaadusi ladustada. Kallid imporditud seadmed, mis on välja töötatud "osooniaukude vastase võitluse" algatajate riikides, toovad neile märkimisväärset tulu. Külmutusagensi keelamine aitas kaasa suremuse kasvule vaeseimates riikides.

Täna võime kindlalt väita, et kunstlikult loodud klorofluorosüsivesinike molekulide hävitava mõju kohta planeedi osoonikihile pole rangelt teaduslikult tõestatud tõendeid. Kuid teadusringkondades valitseb seisukoht, mille kohaselt on 20. sajandi teisel poolel osoonikihi paksuse vähenemise põhjuseks inimtekkeline tegur, mis eraldumise näol kloori ja broomi sisaldavatest freoonidest, põhjustas osoonikihi olulise hõrenemise.

Freoonid on fluori sisaldavad küllastunud süsivesinike (peamiselt metaan ja etaan) derivaadid, mida kasutatakse külmikutes külmutusagensina. Freooni molekulid sisaldavad lisaks fluoriaatomitele tavaliselt kloori, harvemini broomi aatomeid. Tuntakse üle 40 erineva freooni. Enamikku neist toodab tööstus.

Freon 22 (Freon 22) - viitab 4. ohuklassi ainetele. Üle 400°C temperatuuri mõjul võib see laguneda, moodustades väga mürgiseid tooteid: tetrafluoroetüleen (ohuklass 4), vesinikkloriid (2. ohuklass), vesinikfluoriid (1. ohuklass).

Seega tugevdasid saadud andmed paljude (kuid mitte kõigi!) teadlaste järeldust, et täheldatud osooni kadu keskmistel ja kõrgetel laiuskraadidel on peamiselt tingitud inimtekkeliste kloori- ja broomi sisaldavatest ühenditest.

Kuid teiste ideede kohaselt on "osooniaukude" teke suures osas loomulik, perioodiline protsess, mis ei ole seotud ainult inimtsivilisatsiooni kahjulike mõjudega. Paljud inimesed ei jaga seda seisukohta tänapäeval mitte ainult argumentide puudumise tõttu, vaid ka seetõttu, et „globaalsete utoopiate” taustal osutus seda tulusamaks järgida. Paljud teadlased rahaliste vahendite puudumisel Teaduslikud uuringud, on saanud ja on saamas toetuste ohvriteks, et põhjendada "globaalse keskkonnašovinismi" ideid ja progressi süüd selles.

Nagu märgib Venemaa juhtiv osoonispetsialist A. Khrgian G. Kruchenitsky, juhtis ta praktiliselt esimesena tähelepanu tõsiasjale, et osooniaukude teke ja kadumine põhjapoolkeral on korrelatsioonis atmosfääri-dünaamikaga, mitte aga keemilised protsessid. Osoonisisaldus võib kahe-kolme päeva jooksul muutuda mitukümmend protsenti. See tähendab, et asi pole osoonikihti kahandavates ainetes, vaid atmosfääri enda dünaamikas.

Atmosfääri uurimise valdkonna silmapaistev spetsialist E. Borisenkov tuvastas üheksa Lääne-Euroopa jaama kahekümne kolme aasta andmete töötlemise põhjal korrelatsiooni 11-aastaste tsüklite vahel. päikese aktiivsus ja osoonisisalduse muutused Maa atmosfääris.

Osooniaukude tekkepõhjused on enamasti seotud Maa atmosfääri stratosfäärikihti tungivate ühendite inimtekkeliste allikatega. Siiski on üks konks. See seisneb selles, et osoonikihti kahandavate ühendite peamised allikad ei asu polaarsetel (lõuna- ja põhjapoolsetel) laiuskraadidel, vaid on koondunud ekvaatorile lähemale ja asuvad peaaegu täielikult põhjapoolkeral. Kui osoonikihi hõrenemist (osooniaukude tegelikku tekkimist) täheldatakse kõige sagedamini Antarktikas (lõunapoolkeral) ja harvemini Arktika tsoonis.

See tähendab, et osoonikihti kahandavate ühendite allikad peavad Maa atmosfääris kiiresti ja hästi segunema. Samal ajal lahkuvad nad kiiresti atmosfääri alumistest kihtidest, kus tuleks jälgida ka nende reaktsioone osooni osalusel. Ausalt öeldes tuleb märkida, et troposfääris on palju vähem osooni kui stratosfääris. Lisaks võib nende ühendite "eluiga" ulatuda mitme aastani. Seetõttu võivad nad stratosfääri jõuda õhumasside ja kuumuse domineeriva vertikaalse liikumise tingimustes. Kuid siin tuleb raskus. Kuna peamised soojus- ja massiülekandega seotud liikumised (soojus + transporditav õhumass) viiakse läbi täpselt troposfääris. Ja kuna õhutemperatuur juba 11-10 km kõrgusel on püsiv ja on umbes -50?C, siis tuleks seda soojuse ja massi ülekannet troposfäärikihist stratosfääri pidurdada. Ja osoonikihti hävitavate inimtekkeliste allikate osalus ei pruugi olla nii märkimisväärne, kui seni arvatakse.

Järgmine fakt, mis võib vähendada inimtekkelise teguri rolli Maa osoonikihi hävitamisel, on osooniaukude tekkimine, enamasti kevadel või talvel. Kuid see on esiteks vastuolus oletusega osoonikihti kahandavate ühendite kiire segunemise võimaluse kohta Maa atmosfääris ja nende tungimise kohta kõrge osoonikontsentratsiooniga stratosfäärikihti. Teiseks on osoonikihti kahandavate ühendite antropogeenne allikas püsiv. Järelikult on kevadel ja talvel ning isegi polaarsetel laiuskraadidel osooniaukude tekke põhjust raske inimtekkelise põhjusega seletada. Teisest küljest selgitavad polaartalved ja päikesekiirguse loomulik vähenemine talvel rahuldavalt Antarktika ja Arktika kohal osooniaukude loomulikku põhjust. Näiteks osooni kontsentratsioon Maa atmosfääris varieerub suvel 0–0,07% ja talvel 0–0,02%.

Antarktikas ja Arktikas on osoonikihi kahanemise mehhanism põhimõtteliselt erinev kõrgematest laiuskraadidest. Siin toimub peamiselt halogeeni sisaldavate ainete mitteaktiivsete vormide muundamine oksiidideks. Reaktsioon toimub polaarsete stratosfääripilvede osakeste pinnal. Selle tulemusena hävib peaaegu kogu osoon reaktsioonides halogeenidega. Samal ajal moodustab kloor 40-50% ja broom umbes 20-40%.

Polaarsuve tulekuga osooni hulk suureneb ja saavutab taas oma varasema normi. See tähendab, et osooni kontsentratsiooni kõikumised Antarktika kohal on hooajalised. Kõik tunnistavad seda. Kui aga varasemad osoonikihti kahandavate ühendite inimtekkeliste allikate pooldajad kaldusid väitma, et aasta jooksul toimus osoonikontsentratsiooni pidev langus, siis hiljem osutus see dünaamika vastupidiseks. Osooniaugud hakkasid kahanema. Kuigi nende hinnangul peaks osoonikihi taastamine kestma mitu aastakümmet. Kuna usuti, et atmosfääri oli kogunenud tohutul hulgal inimtekkeliste allikate freoone, mille eluiga oli kümneid ja isegi sadu aastaid. Seetõttu ei tohiks osooniaugu tihenemist oodata enne 2048. aastat. Nagu näha, see ennustus ei täitunud. Teisest küljest muudeti kardinaalseks pingutused freooni tootmismahtude vähendamiseks.

organism ultraviolett-osoon mere

Osooniaugud - stratosfääri keeriste "lapsed".

Kuigi tänapäevases atmosfääris on osooni vähe – mitte rohkem kui kolm miljonit ülejäänud gaasidest –, on selle roll äärmiselt suur: see aeglustab kõva ultraviolettkiirgust (lühilaine osa päikese spekter), mis lagundab valke nukleiinhapped. Lisaks on stratosfääriosoon oluline klimaatiline tegur, mis määrab lühiajalised ja kohalikud ilmamuutused.

Osooni lagunemisreaktsioonide kiirus sõltub katalüsaatoritest, milleks võivad olla nii looduslikud atmosfäärioksiidid kui ka looduskatastroofide (näiteks võimsad vulkaanipursked) tagajärjel atmosfääri sattunud ained. Eelmise sajandi teisel poolel aga avastati, et tööstusliku päritoluga ained võivad olla ka osooni hävimisreaktsioonide katalüsaatorid ja inimkond oli tõsiselt mures ...

Osoon (O 3) on suhteliselt haruldane hapniku molekulaarne vorm, mis koosneb kolmest aatomist. Kuigi tänapäevases atmosfääris on osooni vähe – mitte rohkem kui üks kolm miljonit ülejäänud gaasidest –, on selle roll äärmiselt suur: see aeglustab kõva ultraviolettkiirgust (päikese spektri lühilaineline osa), mis hävitab valke ja nukleiinhapped. Seetõttu sai elu enne fotosünteesi – ja vastavalt ka vaba hapniku ja atmosfääri osoonikihi – tulekut eksisteerida ainult vees.

Lisaks on stratosfääriosoon oluline klimaatiline tegur, mis määrab lühiajalised ja kohalikud ilmamuutused. Neelates päikesekiirgust ja edastades energiat teistele gaasidele, soojendab osoon stratosfääri ja reguleerib seeläbi planeedi soojus- ja ringprotsesside olemust kogu atmosfääris.

Ebastabiilsed osoonimolekulid tekivad ja lagunevad looduslikult nende toimel erinevaid tegureid elus ja elutu loodus ning pika evolutsiooni käigus on see protsess jõudnud teatud dünaamilise tasakaaluni. Osooni lagunemisreaktsioonide kiirus sõltub katalüsaatoritest, milleks võivad olla nii looduslikud atmosfäärioksiidid kui ka looduskatastroofide (näiteks võimsad vulkaanipursked) tagajärjel atmosfääri sattunud ained.

Möödunud sajandi teisel poolel aga avastati, et ka tööstusliku päritoluga ained võivad olla osooni hävimisreaktsioonide katalüsaatorid, ja inimkond oli tõsiselt mures. Eriti avalik arvamus erutas nn osooni "augu" avastamine Antarktika kohal.

"Auk" Antarktika kohal

Osoonikihi märgatav vähenemine Antarktika kohal – osooniauk – avastati esmakordselt 1957. aastal, rahvusvahelisel geofüüsikaaastal. Tema tõeline lugu sai alguse 28 aastat hiljem ajakirja maikuu numbris ilmunud artiklist Loodus, kus väideti, et Antarktika kohal oleva TO anomaalse kevadise miinimumi põhjuseks on tööstuslik (sh freoonide) õhusaaste (Farman et al., 1985).

Leiti, et osooniauk Antarktika kohal tekib tavaliselt kord kahe aasta jooksul, kestab umbes kolm kuud ja siis kaob. See ei ole läbiv auk, nagu võib tunduda, vaid süvend, seega on õigem rääkida "osoonikihi longusest". Kahjuks olid kõik edasised osooniaugu uuringud suunatud peamiselt selle inimtekkelise päritolu tõestamisele (Roan, 1989).

ÜKS MILLIMETER OSOONI Atmosfääriosoon on umbes 90 km paksune sfääriline kiht Maa pinnast kõrgemal ja osoon on selles ebaühtlaselt jaotunud. Suurem osa sellest gaasist on koondunud troopikas 26–27 km kõrgusele, keskmistel laiuskraadidel 20–21 km kõrgusel ja polaaraladel 15–17 km kõrgusel.
Osooni kogusisaldust (TOS), st osooni kogust atmosfäärisambas konkreetses punktis, mõõdetakse päikesekiirguse neeldumise ja emissiooniga. Mõõtühikuna kasutatakse nn Dobsoni ühikut (D.U.), mis vastab puhta osoonikihi paksusele normaalrõhul (760 mm Hg) ja temperatuuril 0 ° C. Sada Dobsoni ühikut vastab osoonikihi paksus 1 mm.
Osoonisisaldus atmosfääris kogeb igapäevaseid, hooajalisi, aastaseid ja pikaajalisi kõikumisi. Kui keskmine globaalne TO on 290 D.U., varieerub osoonikihi võimsus laias vahemikus - 90 kuni 760 D.U.
Osoonisisaldust atmosfääris jälgib ülemaailmne umbes saja viiekümnest maapealsest osonomeetrilisest jaamast koosnev võrk, mis on maapinnal väga ebaühtlaselt jaotunud. Selline võrk praktiliselt ei suuda registreerida anomaaliaid globaalses osooni jaotuses, isegi kui selliste anomaaliate lineaarne suurus ulatub tuhandete kilomeetriteni. Üksikasjalikumad andmed osooni kohta saadakse seadmesse installitud optiliste seadmete abil tehissatelliite Maa.
Tuleb märkida, et koguosooni (TO) mõningane vähenemine ei ole iseenesest katastroofiline, eriti keskmistel ja kõrgetel laiuskraadidel, sest pilved ja aerosoolid võivad absorbeerida ka ultraviolettkiirgust. Sealsamas Kesk-Siberis, kus pilviste päevade arv on suur, on isegi ultraviolettkiirguse defitsiit (umbes 45% meditsiinilisest normist).

Tänapäeval on osooniaukude tekke keemiliste ja dünaamiliste mehhanismide kohta erinevaid hüpoteese. Keemiline antropogeenne teooria aga eriti ei sobi teadaolevad faktid. Näiteks stratosfääri osooni kasv teatud geograafilistes piirkondades.

Siin on kõige "naiivsem" küsimus: miks tekib lõunapoolkeral auk, kuigi põhjas tekivad freoonid, hoolimata sellest, et pole teada, kas poolkerade vahel on sel ajal õhuside?

Osoonikihi märgatav vähenemine Antarktika kohal avastati esmakordselt 1957. aastal ja kolm aastakümmet hiljem süüdistati selles tööstust.

Ükski olemasolevatest teooriatest ei põhine laiaulatuslikel üksikasjalikel TO mõõtmistel ja stratosfääris toimuvate protsesside uuringutel. Antarktika kohal asuva polaarstratosfääri isolatsiooniastme ja mitmete muude osooniaukude moodustumise probleemiga seotud küsimuste vastamine oli võimalik ainult liikumise jälgimise uue meetodi abil. V. B. Kaškini välja pakutud õhuvooludest (Kashkin, Sukhinin, 2001; Kashkin et al., 2002).

Õhuvoogusid troposfääris (kuni 10 km kõrgusel) on pikka aega jälgitud pilvede translatsiooni- ja pöörlemisliikumise jälgimisega. Osoon on tegelikult ka tohutu "pilv" kogu Maa pinnal ja selle tiheduse muutuste põhjal saab hinnata õhumasside liikumist üle 10 km, nagu me teame tuule suunda vaadates. pilves taevas pilves päeval. Sel eesmärgil tuleks osoonitihedust mõõta ruumilise võre punktides teatud ajaintervalliga, näiteks iga 24 tunni järel. Jälgides, kuidas osooniväli on muutunud, on võimalik hinnata selle pöörlemisnurka ööpäevas, liikumise suunda ja kiirust.

FREON BAN – KES VÕIDAB? 1973. aastal avastasid ameeriklased S. Rowland ja M. Molina, et mõnest lenduvast tehiskemikaalist päikesekiirguse toimel eralduvad klooriaatomid võivad stratosfääri osooni hävitada. Nad omistasid selles protsessis juhtiva rolli nn freoonidele (klorofluorosüsivesinikud), mida sel ajal kasutati laialdaselt kodumajapidamiste külmikutes, kliimaseadmetes, aerosoolide raketikütusena jne. 1995. aastal leidsid need teadlased koos P. Krutzen said nende avastuse eest auhinna Nobeli preemia keemias.
Hakati kehtestama piiranguid klorofluorosüsivesinike ja muude osoonikihti kahandavate ainete tootmisele ja kasutamisele. Osoonikihti kahandavate ainete Montreali protokollile, mis kontrollib 95 ühendit, on nüüdseks alla kirjutanud enam kui 180 riiki. Seaduses Venemaa Föderatsioon keskkonnakaitse kohta looduskeskkond Selle kohta on ka spetsiaalne artikkel
Maa osoonikihi kaitse. Osoonikihti kahandavate ainete tootmise ja tarbimise keelustamisel olid tõsised majanduslikud ja poliitilised tagajärjed. Freoonidel on ju palju eeliseid: nad on teiste külmutusagensitega võrreldes vähetoksilised, keemiliselt stabiilsed, mittesüttivad ja ühilduvad paljude materjalidega. Seetõttu olid keemiatööstuse juhid, eriti USA-s, alguses keelu vastu. Hiljem liitus keeluga aga DuPonti kontsern, kes tegi ettepaneku kasutada freoonide alternatiivina osaliselt halogeenitud klorofluorosüsivesinikke ja fluorosüsivesinikke.
IN lääneriigid"buum" algas vanade külmikute ja konditsioneeride väljavahetamisest uutega, mis ei sisalda osoonikihti kahandavaid aineid, kuigi sellised tehnilised seadmed on vähem tõhusad, vähem töökindlad, tarbivad rohkem energiat ja on kallimad. Ettevõtted, kes alustasid uute külmutusagensite kasutamist, said sellest kasu ja teenisid tohutut kasumit. Ainuüksi USA-s maksavad CFC keelud kümneid, kui mitte rohkem, miljardeid dollareid. Oli arvamus, et nn osooni säästmise poliitikat võiksid inspireerida suurte keemiakorporatsioonide omanikud, et tugevdada oma monopoolset positsiooni maailmaturul.

Uut meetodit kasutades uuriti osoonikihi dünaamikat 2000. aastal, mil Antarktika kohal täheldati rekordilist osooniauku (Kashkin et al., 2002). Selleks kasutati satelliidi andmeid osooni tiheduse kohta kogu lõunapoolkeral ekvaatorist pooluseni. Selle tulemusena leiti, et pooluse kohale tekkinud nn tsirkumpolaarse keerise lehtri keskosas on osoonisisaldus minimaalne, millest me allpool üksikasjalikult räägime. Nende andmete põhjal püstitati hüpotees osooni "aukude" tekke loomulikust mehhanismist.

Stratosfääri globaalne dünaamika: hüpotees

Tsirkumpolaarsed keerised tekivad stratosfääri õhumasside liikumisel meridionaal- ja laiussuunas. Kuidas see juhtub? Stratosfäär asub soojal ekvaatoril kõrgemal ja külmal poolusel madalamal. Õhuvood (koos osooniga) veerevad künka kujul stratosfäärist alla ja liiguvad üha kiiremini ekvaatorilt poolusele. Liikumine läänest itta toimub Coriolise jõu mõjul, mis on seotud Maa pöörlemisega. Selle tulemusena tunduvad õhuvoolud olevat lõuna- ja põhjapoolkeral keritud nagu niidid spindlile.

Õhumasside "spindel" pöörleb aastaringselt mõlemal poolkeral, kuid on tugevam hilistalvel ja varakevadel, kuna stratosfääri kõrgus ekvaatoril peaaegu ei muutu aastaringselt ja poolustel on see kõrgem. suvel ja madalamal talvel, kui on eriti külm.

Osoonikiht keskmistel laiuskraadidel tekib ekvaatorilt võimsa sissevoolu tõttu, samuti kohas toimuvate fotokeemiliste reaktsioonide tulemusena. Kuid pooluse piirkonnas olev osoon on tekkinud peamiselt ekvaatorilt ja keskmistelt laiuskraadidelt tuleva voolu tõttu ning selle sisaldus on seal üsna madal. Fotokeemilised reaktsioonid poolusel, kus Päikesekiired kukkuda väikese nurga all, liikuda aeglaselt ja märkimisväärne osa ekvaatorilt tulevast osoonist õnnestub teel hävitada.

Osoonitiheduse satelliidiandmete põhjal püstitati hüpotees osooniaukude tekke loomuliku mehhanismi kohta.

Kuid õhumassid ei liigu alati nii. Kõige külmematel talvedel, kui pooluse kohal olev stratosfäär langeb Maa pinnast väga madalale ja "mägi" muutub eriti järsuks, olukord muutub. Stratosfääri hoovused veerevad alla nii kiiresti, et mõju on tuttav kõigile, kes on vaadanud, kuidas vesi läbi vanni augu alla voolab. Pärast teatud kiiruse saavutamist hakkab vesi kiiresti pöörlema ​​ja augu ümber moodustub iseloomulik lehter, mis tekib tsentrifugaaljõu toimel.

Midagi sarnast juhtub stratosfääri voogude globaalses dünaamikas. Kui stratosfääri õhuvoolud saavutavad piisavalt suure kiiruse, tsentrifugaaljõud hakkab neid poolusest eemale tõrjuma keskmiste laiuskraadide suunas. Selle tulemusena liiguvad õhumassid ekvaatorilt ja pooluselt üksteise poole, mis viib keskmistel laiuskraadidel kiiresti pöörleva keerise "võlli" tekkeni.

Õhuvahetus ekvaatori- ja polaaralade vahel lakkab ning ekvaatorilt ja keskmistelt laiuskraadidelt tulev osoon poolusele ei jõua. Lisaks pressitakse poolusele jääv osoon, nagu tsentrifuugis, tsentrifugaaljõu toimel välja keskmistele laiuskraadidele, kuna see on õhust raskem. Selle tulemusena langeb osooni kontsentratsioon lehtri sees järsult - pooluse kohale moodustub osooni "auk" ja keskmistel laiuskraadidel - kõrge osoonisisaldusega ala, mis vastab tsirkumpolaarse keerise "võllile".

Kevadel Antarktika stratosfäär soojeneb ja tõuseb kõrgemale – lehter kaob. Taastub õhuside keskmiste ja kõrgete laiuskraadide vahel, samuti kiirenevad osooni moodustumise fotokeemilised reaktsioonid. Osooniauk kaob enne järjekordset eriti külma talve lõunapoolusel.

Aga Arktikas?

Kuigi stratosfääri voolude ja vastavalt ka osoonikihi dünaamika põhja- ja lõunapoolkeral on üldiselt sarnane, tekib osooniauk vaid aeg-ajalt lõunapooluse kohal. Eespool põhjapoolus osooniaugud puuduvad, sest talved on pehmemad ja stratosfäär ei lange kunagi piisavalt madalale, et õhuvoolud saaksid üles võtta lehtri moodustamiseks vajaliku kiiruse.

Kuigi tsirkumpolaarne keeris tekib ka põhjapoolkeral, pole seal lõunapoolkeraga võrreldes pehmemate talvede tõttu osooniauke täheldatud.

On veel üks oluline erinevus. Lõunapoolkeral pöörleb tsirkumpolaarne keeris peaaegu kaks korda kiiremini kui põhjapoolkeral. Ja see pole üllatav: Antarktikat ümbritsevad mered ja selle ümber on ringpolaarne merevool – sisuliselt pöörlevad koos hiiglaslikud vee- ja õhumassid. Põhjapoolkeral on pilt erinev: keskmistel laiuskraadidel on mandrid koos mäeahelikud, ja õhumassi hõõrdumine umbes maa pind ei lase tsirkumpolaarsel keerisel saavutada piisavalt suurt kiirust.

Põhjapoolkera keskmistel laiuskraadidel tekivad aga mõnikord väikesed erineva päritoluga osooni "augud". Kust nad tulevad? Õhu liikumine mägise põhjapoolkera keskmise laiuskraadi stratosfääris meenutab vee liikumist madalas kivise põhjaga ojas, mil veepinnale tekib arvukalt keerise. Põhjapoolkera keskmistel laiuskraadidel mängivad põhjapinna reljeefi rolli temperatuuride erinevused mandrite ja ookeanide, mäeahelike ja tasandike piiril.

Temperatuuri järsk muutus Maa pinnal põhjustab troposfääris vertikaalsete voolude teket. Nende hoovustega põrkuvad stratosfäärituuled tekitavad pööriseid, mis võivad võrdse tõenäosusega pöörata mõlemas suunas. Nende sees tekivad madala osoonisisaldusega alad, st osooniaugud, mis on palju väiksemad kui lõunapoolusel. Ja tuleb märkida, et sellised erineva pöörlemissuunaga keerised avastati esimesel katsel.

Seega võimaldab stratosfääri õhuvoolude dünaamika, mida jälgisime osoonipilve jälgides, anda usutava seletuse Antarktika kohal asuva osooniaugu tekkemehhanismile. Ilmselt toimusid sellised muutused osoonikihis stratosfääri aerodünaamiliste nähtuste tõttu ammu enne inimese ilmumist.

Kõik eelnev ei tähenda sugugi seda, et freoonid ja muud tööstusliku päritoluga gaasid ei mõjuks osoonikihile hävitavalt. Teadlased peavad aga veel välja selgitama, milline on osooniaukude teket mõjutavate looduslike ja inimtekkeliste tegurite suhe – nii olulistes küsimustes on lubamatu teha rutakaid järeldusi.

Hapnikust ultraviolettkiirte mõjul. Maa atmosfääris on umbes 25 kilomeetri kõrgusel osoonikiht: selle gaasi kiht ümbritseb meie planeeti tihedalt, kaitstes seda ultraviolettkiirguse kõrge kontsentratsiooni eest. Kui mitte seda gaasi, võib intensiivne kiirgus tappa kogu elu Maal.

Osoonikiht on üsna õhuke, see ei suuda planeeti täielikult kaitsta kiirguse läbitungimise eest, mis mõjub riigile halvasti ja põhjustab haigusi. Kuid pikka aega piisas Maa kaitsmiseks ohu eest.

1980. aastatel avastati, et osoonikihis on piirkondi, kus selle gaasi sisaldus on oluliselt vähenenud – nn osooniaugud. Esimese augu avastasid Antarktika kohal Briti teadlased, neid hämmastas nähtuse ulatus – enam kui tuhandekilomeetrise läbimõõduga lõigul kaitsekiht peaaegu puudus ja see allus tugevamale ultraviolettkiirgusele.

Hiljem leiti ka teisi osooniauke, väiksemaid, kuid mitte vähem ohtlikke.

Osooniaukude tekke põhjused

Maa atmosfääri osoonikihi moodustumise mehhanism on üsna keeruline ja selle rikkumiseni võivad viia erinevad põhjused. Alguses pakkusid teadlased palju versioone: ja selle käigus tekkinud osakeste mõju aatomiplahvatused, ja El Chiconi vulkaanipurske mõju, avaldati isegi arvamusi tulnukate tegevuse kohta.

Osoonikihi kahanemise põhjused võivad olla päikesekiirguse puudumine, kihtsajupilvede teke, polaarpöörised, kuid enamasti langeb selle gaasi kontsentratsioon erinevate ainetega toimuvate reaktsioonide tõttu, mis võivad olla nii looduslikud kui ka antropogeenne iseloom. Molekulid hävivad vesiniku, hapniku, kloori mõjul, orgaanilised ühendid. Teadlased ei oska seni üheselt öelda, kas osooniaukude teke on peamiselt põhjustatud inimtegevusest või on see loomulik.

On tõestatud, et paljude seadmete töö käigus eralduvad freoonid põhjustavad kesk- ja kõrgetel laiuskraadidel osoonikadusid, kuid need ei mõjuta polaarsete osooniaukude teket.

Tõenäoliselt viis osooniaukude tekkeni paljude, nii inim- kui ka looduslike tegurite koosmõju. Ühelt poolt on suurenenud vulkaaniline aktiivsus, teisalt on inimesed hakanud loodust tõsiselt mõjutama - osoonikiht ei saa olla ainult freooni vabanemisest, vaid ka kokkupõrkest ebaõnnestunud satelliitidega. Seoses 20. sajandi lõpust purskavate vulkaanide arvu vähenemisega ja freoonide kasutamise piiramisega on olukord hakanud veidi paranema: teadlased fikseerisid hiljuti Antarktika kohal väikese augu. Osoonikihi kahanemise üksikasjalikum uurimine võimaldab vältida nende alade tekkimist.

Sissejuhatus

Üle 1000 km läbimõõduga osooniaugu avastas esmakordselt 1985. aastal lõunapoolkeral rühm Briti teadlasi Antarktikas. Igal augustil ilmus see, detsembriks või jaanuariks lakkas see olemast. Veel üks väiksem auk tekkis Arktikas põhjapoolkera kohale.

Osooni auk- osooni kontsentratsiooni lokaalne langus Maa osoonikihis. Teadusringkondades üldtunnustatud teooria kohaselt oli 20. sajandi teisel poolel üha kasvav mõju. antropogeenne tegur kloori ja broomi sisaldavate freoonide vabanemise näol põhjustas osoonikihi märkimisväärne õhenemine, vt näiteks Maailma Meteoroloogiaorganisatsiooni aruannet:

Need ja teised hiljutised teaduslikud avastused kinnitasid varasemate hinnangute järeldust, et teaduslike tõendite kasuks viitab, et täheldatud osooni kadu keskmistel ja kõrgetel laiuskraadidel on peamiselt tingitud inimtekkeliste kloori ja broomi sisaldavatest ühenditest.

Teise hüpoteesi kohaselt võib "osooniaukude" tekkeprotsess olla suures osas loomulik ega ole seotud ainult inimtsivilisatsiooni kahjulike mõjudega.

Hariduse mehhanism

Erinevate tegurite kombinatsioon põhjustab osooni kontsentratsiooni langust atmosfääris, millest peamine on osoonimolekulide surm reaktsioonides erinevate inimtekkelise ja loodusliku päritoluga ainetega, päikesekiirguse puudumine polaartalvel, eriti stabiilne polaarpeeris, mis takistab osooni läbitungimist subpolaarsetelt laiuskraadidelt, ja polaarsete stratosfääripilvede (PSC) teket, mille pinnaosakesed katalüüsivad osooni lagunemisreaktsioone. Need tegurid on eriti tüüpilised Antarktikale, Arktikas on mandripinna puudumise tõttu polaarkeeris palju nõrgem, temperatuur on mitu kraadi kõrgem kui Antarktikas ja PSO-d on vähem levinud, samuti kipuvad need purunema. varasügisel üles. Olles reaktiivsed, võivad osoonimolekulid reageerida paljude anorgaaniliste ja orgaaniliste ühenditega. Peamised osoonimolekulide hävitamisele kaasaaitavad ained on lihtained vesinik, broomikloor hapnikuaatomid, anorgaanilised (vesinikkloriid-lämmastikmonooksiid) ja orgaanilised metaani ühendid, fluorokloori ja fluorobromofreoonid, mis eraldavad kloori ja broomi aatomeid). Erinevalt näiteks hüdrofluorofreoonidest, mis lagunevad fluori aatomiteks, mis omakorda reageerivad kiiresti võlviga, moodustades stabiilse vesinikfluoriidi. Seega ei osale fluor osooni lagunemisreaktsioonides, samuti ei hävita jood stratosfääri osooni, kuna joodi sisaldavad orgaanilised ained kuluvad peaaegu täielikult ära isegi troposfääris. Peamised reaktsioonid, mis aitavad kaasa osooni hävimisele, on toodud artiklis Proosoonikiht.

Tagajärjed

Osoonikihi nõrgenemine suurendab päikesekiirguse voolu maapinnale ja põhjustab inimeste nahavähkide arvu suurenemist. Taimed ja loomad kannatavad ka suurenenud kiirgustaseme all.

Osoonikihi taastamine

Kuigi inimkond on võtnud meetmeid kloori ja broomi sisaldavate freoonide emissiooni piiramiseks, võttes kasutusele muud ained, näiteks fluori sisaldavad freoonid. , võtab osoonikihi taastamise protsess aega mitu aastakümmet. Esiteks on selle põhjuseks juba atmosfääri kogunenud tohutu hulk freoone, mille eluiga on kümneid ja isegi sadu aastaid. Seetõttu ei tohiks osooniaugu tihenemist oodata enne 2048. aastat.

Valed arusaamad osooniaugust

Osooniaukude tekke kohta on laialt levinud mitu müüti. Vaatamata oma ebateaduslikkusele ilmuvad nad sageli meedias – mõnikord teadmatusest, mõnikord toetajate poolt Vandenõuteooriad. Mõned neist on loetletud allpool.

Freoonid on peamised osooni hävitajad.

See väide kehtib keskmiste ja kõrgete laiuskraadide kohta. Ülejäänud osas põhjustab klooritsükkel vaid 15–25% osoonikadu stratosfääris. Tuleb märkida, et 80% kloorist on antropogeenset päritolu. (erinevate tsüklite panuse kohta lisateabe saamiseks vaadake artiklit. osoonikiht). See tähendab, et inimese sekkumine suurendab oluliselt klooritsükli panust. Ja arvestades tendentsi suurendada freoonide tootmist enne jõustumist Montreali protokoll(10% aastas) 30–50% kogu osoonikadudest 2050. aastal tuleneks CFC-ga kokkupuutest. Enne inimese sekkumist olid osooni moodustumise ja selle hävimise protsessid tasakaalus. Kuid inimtegevusest eralduvad freoonid on selle tasakaalu nihutanud osoonikontsentratsiooni vähenemise suunas. Polaarosooniaukude osas on olukord hoopis teine. Osooni hävitamise mehhanism erineb põhimõtteliselt kõrgematest laiuskraadidest, võtmeetapp on halogeeni sisaldavate ainete mitteaktiivsete vormide muundamine oksiidideks, mis toimub polaarsete stratosfääripilvede osakeste pinnal. Selle tulemusena hävib peaaegu kogu osoon reaktsioonides halogeenidega, kloor moodustab 40–50% ja broom umbes 20–40%.

DuPont algatas vanade freoonide keelustamise ja ülemineku uut tüüpi freoonidele, kuna nende patent oli aegumas

DuPont võttis pärast andmete avaldamist freoonide osalemise kohta stratosfääri osooni hävitamisel selle teooria vastu vaenulikult ja kulutas miljoneid dollareid pressikampaaniale freoonide kaitsmiseks. DuPonti esimees kirjutas 16. juulil 1975 ajakirjas Chemical Week ilmunud artiklis, et osoonikihi kahanemise teooria on ulme, jama, millel pole mõtet. Välja arvatud DuPont terve rida ettevõtted üle kogu maailma toodavad ja toodavad erinevat tüüpi freoone ilma autoritasude mahaarvamiseta

Freoonid on stratosfääri jõudmiseks liiga rasked

Mõnikord väidetakse, et kuna freooni molekulid on palju raskemad kui lämmastik ja hapnik, ei saa nad märkimisväärses koguses stratosfääri jõuda. Atmosfäärigaasid segunevad aga täielikult ning neid ei kihistu ega sorteerita massi järgi. Gaaside difusiooniliseks eraldumiseks atmosfääris kuluva aja prognoosimiseks on vaja aega tuhandete aastate suurusjärgus. Dünaamilises õhkkonnas pole see muidugi võimalik. Konvektsiooni ja turbulentsi vertikaalsed massiülekande protsessid segavad turbopausi all oleva atmosfääri palju kiiremini. Seetõttu on isegi sellised rasked gaasid nagu inertsed freoonid atmosfääris ühtlaselt jaotunud, jõudes muuhulgas ka stratosfääri. Nende kontsentratsioonide eksperimentaalsed mõõtmised atmosfääris kinnitavad seda; Mõõtmised näitavad ka, et Maa pinnale eralduvate gaaside stratosfääri jõudmiseks kulub umbes viis aastat, vaata teist graafikut paremal. Kui gaasid atmosfääris ei seguneks, siis moodustaksid selle koostisest sellised rasked gaasid nagu süsihappegaas Maa pinnale mitmekümne meetri paksuse kihi, mis muudaks Maa pinna elamiskõlbmatuks. Õnneks see nii ei ole. Ikryptoni aatommassiga 84 ja heeliumil aatommassiga 4 on sama suhteline kontsentratsioon, mis asub kuni 100 km kõrguse pinna lähedal. Loomulikult kehtib kõik ülaltoodu ainult suhteliselt stabiilsete gaaside kohta, nagu freoonid või inertgaasid. Ained, mis reageerivad ja alluvad ka erinevatele füüsikalistele mõjudele, näiteks lahustuvad vees, sõltuvad kontsentratsioonist kõrgusest.

Halogeenide peamised allikad on looduslikud, mitte inimtekkelised

Arvatakse, et looduslikud halogeenide allikad, nagu vulkaanid ja ookeanid, on osoonikihi kahanemise protsessi jaoks olulisemad kui inimese tekitatud. Ilma kahtluse alla seadmata looduslike allikate panust halogeenide üldisesse tasakaalu, tuleb märkida, et nad üldiselt ei jõua stratosfääri, kuna need on vees lahustuvad (peamiselt kloriidioonid ja vesinikkloriid) ja pestakse välja atmosfäär, mis langeb vihmana maapinnale. Samuti on looduslikud ühendid vähem stabiilsed kui freoonid, näiteks metüülkloriidi eluiga atmosfääris on vaid umbes aasta, võrreldes freoonide kümnete ja sadade aastatega. Seetõttu on nende panus stratosfääri osooni hävimisse üsna väike. Isegi Pinatubo vulkaani haruldane purse 1991. aasta juunis põhjustas osoonitaseme languse mitte eraldunud halogeenide, vaid suure massilise väävelhappeaerosoolide moodustumise tõttu, mille pind katalüüsis osooni lagunemise reaktsioone. Õnneks eemaldati kolme aasta pärast atmosfäärist peaaegu kogu vulkaaniliste aerosoolide mass. Seega on vulkaanipursked suhteliselt lühiajalised osoonikihti mõjutavad tegurid, erinevalt freoonidest, mille eluiga on kümneid ja sadu aastaid.

Osooniauk peab olema freooniallikate kohal

Paljud ei saa aru, miks osooniauk tekib Antarktikas, kui põhilised freoonide heitkogused tekivad põhjapoolkeral. Fakt on see, et freoonid on troposfääris ja stratosfääris hästi segunenud. Arvestades nende madalat reaktsioonivõimet, atmosfääri madalamates kihtides neid praktiliselt ei tarbita ja nende eluiga on mitu aastat või isegi aastakümneid. Seetõttu jõuavad nad kergesti ülemistesse atmosfäärikihtidesse. Antarktika "osooniauk" ei eksisteeri püsivalt. See ilmub talve lõpus - varakevadel. Põhjused, miks Antarktikas osooniauk tekib, on seotud kohaliku kliimaga. Antarktika talve madalad temperatuurid viivad polaarpöörise tekkeni. Õhk selles keerises liigub peamiselt suletud radadel ümber lõunapooluse. Sel ajal Päike polaarala ei valgusta ja osooni seal ei esine. Suve tulekuga suureneb osooni hulk ja saavutab taas oma varasema normi. See tähendab, et osooni kontsentratsiooni kõikumised Antarktika kohal on hooajalised. Kui aga jälgida osoonikontsentratsiooni muutuste dünaamikat ja osooniaugu suuruse keskmist aasta jooksul viimastel aastakümnetel, siis on osoonisisalduse vähenemise suunas selgelt määratletud trend.

Osoon kahaneb ainult Antarktika kohal

Osoonikihi areng Arosa kohal Šveitsis

See pole tõsi, osoonitase langeb ka kogu atmosfääris. Seda näitavad osoonikontsentratsiooni pikaajaliste mõõtmiste tulemused planeedi eri osades. Saate vaadata paremal olevat osooni graafikut Arosa kohal Šveitsis.