Глава 24. ЗАЩИЩАЕТ ЛИ НАС ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ?

В последнее время много говорится и пишется об озоновом слое земной атмосферы. Особо драматизируется появление озоновых дыр над Антарктидой. Они однозначно рассматриваются как предвестники грядущего экологического кризиса, который может наступить в результате уменьшения толщины озонового слоя Земли, так как якобы только он защищает все живое на Земле от губительного коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. Отсюда и всевозрастающее беспокойство человечества за судьбу озонового слоя.

На мы уже знаем, что одно только беспокойство причиняет урон нашему здоровью, а если к этому добавится и реальная угроза от УФ излучения Солнца, которое может беспрепятственно дойти до поверхности Земли, то, по-видимому, эта проблема стоит того, чтобы ее рассмотреть в этой главе.

Впервые мысль о том, что озоновый слой защищает Землю от УФ излучения Солнца, появилась в начале двадцатых годов, когда стало известно, что в атмосфере, начиная с двадцати километров, происходит повышение температуры. Профессор Добсон, изобретатель спектрофотометра, высказал предположение, что это повышение температуры вызвано поглощением солнечного тепла в зоне озона. И это предположение постепенно стало красивой аксиомой — будто тонкая и легкоранимая пленка озона защищает все живое на Земле. Озоновый слой стал предметом исследований ученых многих стран. Было даже замечено снижение содержания озона над Антарктидой, только тогда это называли не озоновыми дырами, а "провалами озона". О снижении содержания озона над Антарктидой сообщалось и в семидесятых, и в начале восьмидесятых годов.

В 1984 году на симпозиуме в Греции об уменьшении озона докладывали японские учение. Но никакой сенсации эти сообщения не вызвали. Очевидно, для создания такой сенсации требуется автор. Им стал англичанин Джозеф Фарман, который на основе измерений на станции Халибей, где было зафиксировано снижение концентрации озона над Антарктидой на 40%, сумел убедить весь мир, что над Южным полюсом образовалась не просто озоновая дыра местного значения, а дыра - предвестница экологи ческой катастрофы для всего живого на Земле. Джозеф Фарман - че ловек мужественный. Он не только сделал четкое заявление о новом и неизвестном для него природном явлении, но и-указал его причину - загрязнение атмосферы фреонами.

С легкой руки Фармана началась борьба всего человечества против озоновых дыр. Стремясь предотвратить разрастание озоновой дыры над планетой (а, может быть, кто-то просто удачно воспользовался сложившейся ситуацией), ведущие страны — производители фреонов, заключили в 1985 году Венскую конвенцию об охране озонового слоя. А в 1987 году был принят Монреальский протокол об озоноразрушающих веществах, который подписало около 40 стран, в том числе и наша страна. В соответствии с этими международными документами предполагалось к 1998 году сократить вдвое производство фреонов. В идеале необходимо найти их заменители. А после этого организовать производство новых холодильников на новом хладоагенте. Затраты колоссальные и не каждой стране по карману. Надо сказать, что лидирует в мире по производству хлорфторуглеродов (фреонов или ХФУ} американская фирма Дюпон. И эта кампания уже израсходовала огромные средства на разработку и внедрение в производство новых заменителей ХФУ.

Люди так же легко поверили в версию о том, что озоновые дыры - это дело рук человеческих, как и в такую же бездоказательную версию, что только озоновый слой защищает все живое от УФ излучения. Если бы в образовании озоновых дыр был повинен человек, то в первую очередь эти дыры должны были бы появиться в Северном полушарии, где проживает наибольшее количество людей и где расположено наибольшее число промышленных предприятий. Но вопреки здравому смыслу озоновые дыры, как правило, появляются над Антарктидой.

Наблюдения за озоновым слоем на Крайнем Севере ведутся в Норвегии с 1935 года (наблюдения не проводились только с 1969 по 1984 год), и все это время озоновый слой держался стабильно, никаких дыр, подобных антарктическим, в этом регионе не наблюдалось. Но и этот неудобоваримый факт тоже стал находить свое научное фреоновое объяснение. Оказывается, в полярную ночь к Антарктиде стекаются фреоны отовсюду и ждут там своего часа, когда первые лучи солнечного света вызовут фотохимическое разложение фреонов до атомарного хлора, который и начинает беспощадно пожирать озон, выедая его почти полностью. И эта теория была верна до определенной поры, пока начало образования дыр приходилось на конец полярной ночи. Однако измерения последних лет показали, что дыра над Антарктидой начинает возникать несколько раньше восхода Солнца. Соответственно ослабли и позиции этой фреоновой теории. Позиции-то ослабли, но жупел фреона остался.

А как же в действительности зарождается, развивается и гибнет озоновый слой, как образуются и закрываются озоновые дыры?

Озон в атмосфере Земли генерируется УФ излучением Солнца. И происходит это следующим образом. Более энергонасыщенные УФ лучи (короче 100 нанометров) ионизируют молекулы кислорода, отрывая от них по одному электрону. Так в атмосфере появляются положительные ионы кислорода. А менее энергонасыщенные УФ лучи (не более 242,5 нм) способны лишь разъединить молекулу кислорода на два атома кислорода. К этим атомам кислорода присоединяются (а физики говорят прилипают) по одному свободному электрону, имеющемуся в атмосфере. Так возникают отрицательные ионы кислорода. И теперь под воздействием электрических сил эти разноименные ионы притягиваются друг к другу, образуя трехатомную нейтральную молекулу озона.

На сближение этих ионов (или на образование молекулы озона) расходуется около 1,5 эв (электроновольт). При разрушении молекулы озона выделяется ровно столько же энергии.

Химические соединения, образующиеся с поглощением энергии, называются эндотеримчными. Такие вещества всегда имеют склонность к распаду и тем большую, чем больше они эндотермичны. По этой же причине имеет склонность к распаду и озон.

Таким образом, мы видим, что озон производится УФ излучением Солнца. Не было бы УФ лучей, не было бы и озона в атмосфере. Точно так же хак стоит нам включить в комнате УФ лампу, как мы тотчас почувствуем запах озона. А так как на атмосферу Земли непрерывно воздействуют УФ лучи, то непрерывно образуется и озон. Мы могли бы уже давно утонуть в ядовитом море озона (он в 1,62 раза тяжелее воздуха и поэтому оседает на земную поверхность), если бы озон где-то и как-то не разрушался. Опускаясь, озон входит в более плотные и более теплые слои атмосферы и разрушается. Так в атмосфере Земли поддерживается динамическое равновесие между процессами образования и разрушения озона. На производство озона расходуется около 5% всей идущей к Земле солнечной энергии. Может ли сравниться с этой колоссальной природной машиной по производству и разрушению озона какое-либо производство, организованное человеком на Земле?

А теперь рассмотрим защитную роль озона. Ситуация интересная: озон и рождается УФ радиацией, и якобы защищает нас от нее. При рождении озона УФ лучи гасятся на молекулах кислорода, но никак не на молекулах озона. А каким же образом озон защищает нас от УФ лучей?

Он действительно поглощает УФ излучение, но только на небольшом участке спектра - в диапазоне от 200 до 320 нм с максимумом на волне в 255 нм.

Здесь может возникнуть закономерный вопрос: как же так, из обширного спектра УФ излучения (от 10 до 400 нм) озоновый слой эффективен только для сравнительно небольшого участка спектра, а что же нас тогда защищает от всего остального УФ излучения? Этот вопрос возникает потому, что информация об озоновом слое всегда подается в виде отработанного штампа — он нас защищает от коротковолновой УФ радиации Солнца. Это можно понимать и как защиту от всего УФ излучения, и как защиту только от его коротковолновой части, наиболее опасной. Но в действительности и не от того, и не от другого, а только от очень небольшого участка спектра - от 280 до 320 нм.

Почему же защитная роль озонового слоя сводится к столь незначительному участку спектра? А вот почему. Наиболее коротковолновая часть УФ излучения (длина волны не более 100 нм) задерживается всем составом газов атмосферы, в том числе и кислородом, на очень больших высотах (50 - 80 км) в результате ионизации этих газов. Здесь надо отметить, что озоновый слой простирается от 10 до 50 км с максимальной концентрацией на высоте 20 — 25 км. Другая часть УФ излучения с длиной волны не более 242,5 нм поглощается молекулярным кислородом и поэтому тоже не может достигнуть поверхности Земли. Кроме того, наряду с поглощением УФ излучения происходит еще и молекулярное рассеивание его. В результате такого суммарного действия атмосферы на УФ излучение мы не обнаруживаем на высоте 34 км лучей с длиной волны короче 280 нм. И теперь нам становится ясно, почему озону отведена защитная функция только для столь небольшого участка спектра — от 280 до 320 нм. А все потому, что в зоне его действия имеется только излучение с длиной волны не менее 280 нм, а на длине волны в 320 нм заканчивается его поглощающая способность.

Но, может быть, озон является тем единственным щитом, который препятствует похождению УФ излучения даже на столь небольшом участке спектра? Оказывается, что нет. На этом участке наряду с озоном действует и уже известное нам молекулярное рассеивание. А так как о нем мы никогда не говорим, то и создается впечатление, что только озон и является нашим спасителем от оставшейся доли УФ излучения.

Но, может быть, озон более эффективно препятствует прохождению лучей этого небольшого участка УФ излучения, чем простое молекулярное рассеивание?

Сравним и посмотрим. Коэффициент ослабления УФ излучения за счет молекулярного рассеивания на указанном выше участке спектра в среднем сравним с коэффициентом поглощения озона, а для более коротких длин волн растет и коэффициент молекулярного рассеивания, и коэффициент поглощения озона, но последний растет быстрее. Так, при переходе от длины волны 300 нм к волне 280 нм коэффициент молекулярного рассеивания возрастает в полтора раза, а коэффициент поглощения озона - в десять раз. Отсюда легко сделать поспешный вывод, что поглощающая роль озона в атмосфере Земли несравненно более эффективна, чем молекулярное рассеивание. Но такой вывод будет ошибочным, потому что он исключает из рассмотрения величину самих объектов, участвующих в отфильтровывании УФ радиации. А если учесть и эту самую величину объектов, то наш взгляд на защитную роль озона резко изменится. Несмотря на то, что озоносфера простирается от 10 до 50 км в высоту, но весь озон, сосредоточенный в этой озоносфере, можно собрать в тонкий слой толщиной всего 3 мм при нормальном атмосферном давлении. Толщина же слоя атмосферы, где происходит молекулярное рассеивание УФ излучения, измеряется уже несколькими километрами (при нормальном атмосферном давлении), а это уже, по крайней мере, на шесть порядков выше толщины озонового слоя. Отсюда мы можем сделать простой вывод, что эффективность молекулярного рассеивания УФ излучения на участке спектра от 280 до 320 нм почти в сто тысяч раз выше, чем поглощение этого же излучения озоновым слоем.

А теперь рассмотрим еще некоторые факты, связанные с поглощением озоном УФ излучения. Мы уже знаем, что с высоты 34 км к Земле идет только излучение с длиной волны от 280 нм и больше. А на пути этого излучения находится основная масса озона (на высоте 20 - 25 км), то есть основной озоновый щит, если таковым озоновый слой является. И что же мы видим - до поверхности Земли доходит излучение не короче 293 нм, то есть фактически весь тот спектр, который мы наблюдали и на высоте 34 км. Снизилась только интенсивность излучения. Если сравнить это с эффективностью и избирательностью отфильтровывания излучения молекулярным кислородом для волн с длиной короче 242,5 нм, то оно будет не в пользу озонового слоя. А снижение интенсивности УФ излучения на отрезке пути с высоты 34 км (на этой высоте получены спектры при запуске ракет) и до поверхности Земли происходит практически только за счет молекулярного рассеивания.

Об эффективности молекулярного рассеивания говорят и такие факты. На высоте 2300 м УФ излучение в полтора раза, а на высоте 4000м почти в два раза интенсивнее, чем на уровне моря. А озона на этих высотах уже практически нет.

О том, что озоновый слой нисколько не защищает нас от УФ излучения говорит и такой любопытный факт. Озон может защитить нас от УФ излучения только в том случае, если поглотит это излучение. Но, поглотив определенную порцию УФ излучения, молекула озона должна разрушиться с выделением тепла. И естественно, что озоновый слой при этом должен был бы разогреваться. Но такого разогрева не происходит. Более того, основная концентрация озона находится в зоне самой низкой температуры атмосферы - минус 50°С. Не говорит ли это нам о том, что озоновый слой просто бездействует и лишь сам сохраняется в самых благоприятных для него условиях низкой температуры?

Приведенные факты позволяют нам сделать вывод, что защитная роль озона безмерно преувеличена. Он хотя и мог бы, в принципе, задерживать определенную часть УФ излучения, но по причине его мизерного количества в атмосфере Земли, он не вносит практически никакого ощутимого вклада в отфильтровывание УФ излучения Солнца.

А теперь посмотрим, как образуются озоновые дыры над полюсами планеты, хотя сами по себе эти дыры нас уже не должны никак беспокоить, но природу этого явления все же интересно будет выяснить.

Начнем с того, что химические соединения, образующиеся с поглощением энергии, всегда имеют тенденцию к распаду. Распадается и озон. Он распадается при всех условиях, но очень медленно при низкой температуре, медленно при комнатной и очень быстро при всего лишь несколько большей, чем комнатная, температуре. Таким образом, очень низкая температура в месте наибольшей концентрации атмосферного озона способствует продлению жизни озона в атмосфере и дает нам ключ к разгадке причины образования озоновых дыр над полюсами.

Если исходить только из факта, что озон образуется в результате ультрафиолетового облучения атмосферы, но не учитывать время жизни озона, то нам трудно будет оценивать фактор стабильности озонового слоя. Например, если бы время жизни озона в атмосфере исчислялось всего двумя-тремя часами, то уже в ночное время в теневой от Солнца части атмосферы не было бы озона, а была бы сплошная озоновая дыра. Аналогичным примером может служить очень быстрое исчезновение запаха озона в комнате, стоит нам выключить источник генерации озона - УФ лампу, так как при комнатной температуре время жизни озона исчисляется минутами. А в ночном небе озоновый слой не исчезает. Не наблюдается и изменение толщины озонового слоя в течение суток. Следовательно, время жизни озона в озоновом слое значительно больше суток. А теперь удлиним обычную ночь до продолжительности полярной ночи, когда над полюсом (безразлично каким) длительное время нет УФ лучей. А если нет этих лучей, то не образуется и озон. Долго ли не образуется? Можно сказать, что почти полгода - от одного до другого равноденствия. В Антарктиде, например, с конца марта и до конца сентября. В это время над Антарктидой и не должно было быть озона. И полгода над Антарктидой держалась бы озоновая дыра. Но такого не наблюдается, потому что над Антарктидой остается и продолжает жить ранее образовавшийся над ней озон. И если время его жизни больше времени, в течение которого он не образуется над полюсом, то озоновой дыры не будет, а если меньше, то образуется дыра, и будет она существовать до тех пор, пока над полюсом не покажутся УФ лучи и не начнут генерировать новые порции озона.

Но безозоновое положение над полюсом может быть исправлено и другим путем — путем переноса озона в надполюсное пространство из ближайших районов, где озон имеется и где он образуется. И в атмосфере Земли такие циркуляционные процессы протекают постоянно. Они и разносят озон из одних мест в другие, предотвращая, таким образом, образование озоновых дыр в местах, где они уже могли бы образоваться, если бы в этих местах какое-то время не производился бы озон. Благодаря таким циркуляционным процессам мы не наблюдаем озоновых дыр над Арктикой, хотя теоретически они должны быть идентичны антарктическим озоновым дырам. Но над Антарктидой (полюсом холода Земли) в полярную ночь часто создается восходящая циркуляция, которая препятствует переносу в надполярную область новых порций озона, и постепенно имеющийся здесь озон исчезает (заканчивается время его жизни) и образуется озоновая дыра.

На продолжительности жизни озона сказывается и такой фактор, как его плотность. Мы знаем, что он в 1,62 раза тяжелее воздуха и поэтому он постепенно опускается в нижние слои атмосферы и разрушается. Ниже 10 км его практически уже нет. И нет не потому, что он зависает на этой высоте, а потому, что он входит в более плотные и более теплые слои атмосферы и разрушается. Практически весь озон, рожденный УФ излучением в верхних слоях атмосферы, разрушается в нижних слоях. И хорошо, что разрушается.

И в заключение следует уточнить всего лишь одну деталь - почему озоновая дыра над Антарктидой появляется не в положенное для этого время, когда над полюсом нет УФ лучей, а несколько позже, в октябре, когда УФ лучи над полюсом уже есть?

Происходит так потому, что лишь к концу полярной ночи кончается время жизни имевшегося над полюсом озона, а новый озон еще в течение месяца не образуется и по причине слабой эффективности УФ лучей, падающих под малым углом, и из-за некоторой протяженности во времени самого механизма образования озона в атмосфере. Но само образование озоновых дыр происходит по описанной выше схеме. Таким образом, озоновые дыры - это природное явление, никак не зависящее от антропогенных факторов. И каждый год к концу октября озоновая дыра над Антарктидой закрывается озоном. Как видим, дыра закрывается не в каком-то случайном месяце, а сразу после полярной ночи. И каждый год это будет повторяться.

Озоновые дыры можно было бы наблюдать и миллионы лет назад, если бы только было кому это делать. Поэтому и на озоновый слой следует смотреть не как на случайный щит, предохраняющий все живое на Земле от губительного УФ излучения Солнца, а как на уникальное природное явление, не имеющее никакого отношения к возникновению и сохранению жизни на нашей планете.

Впервые этот материал был опубликован мною в 1989 году в журнале "Химия и жизнь" (№10) под тем же названием, что и эта глава, а затем еще в нескольких газетах. Это было время наиболее жарких выступлений в защиту озонового слоя. Доходило до того, что каждый ожег кожи при неумеренном загаре рассматривался как результат прорыва УФ лучей сквозь озоновые дыры. Но все это далеко от истины. Да, до поверхности Земли доходит еще достаточно много УФ лучей, в том числе и рассеянных, но нельзя их считать только вредными лучами. По физиологическому действию на растения УФ часть спектра подразделяется на три области: область А (320 - 400 нм), область В (280 - 320 нм) и область С (200 - 280 нм).

Область А повышает продуктивность растений.

Область В вызывает ускоренное развитие растений и это особенно заметно в высокогорье.

А область С не достигает поверхности Земли, а поэтому и не стоит о ней говорить.

Человеку УФ лучи необходимы для выработки в кожном покрове витамина Д. Но для этого не обязательно подвергать себя воздействию этих лучей в течение многих часов - об этом более подробно говорится в 8-ой и в 25-ой главах. Избыточное воздействие УФ излучения на кожу человека может привести и к раковым заболеваниям кожи. Поэтому шоколадный цвет кожи, полученный при интенсивном загаре — это памятный знак нам о том, что в угоду внешней красе мы не побоялись пожертвовать своим здоровьем.

Из всего сказанного в этой главе можно сделать вывод, что нам не стоит беспокоиться по поводу озоновых дыр, а тем более не стоит прилагать много усилий на латание этих дыр (таких предложений было немало), а следует воспитывать в себе умеренность в потреблении льющегося на нас с небес УФ излучения.