Озон: взгляд из космоса

Таким образом, вероятней всего, что именно в эти деньки специалисты в области космического контроля за озоносферой отмечают своеобразный «юбилей»…
Еще в древней «Илиаде» Гомера можно было найти упоминание о характерном запахе озона — свежего послегрозового воздуха. Каждый из нас знает, что молекула озона О3 представляет собой относительно устойчивое соединение, состоящее из трех атомов кислорода. Немецкий физик Кристиан Фридрих Шенбейн, с именем которого связывают открытие озона в 1840 году, за специфический «хлорный» запах дал новому веществу название «озон» (ozon — пахнущий).
Что мы знаем об озоне
Один из космических специалистов, изучающих озоносферу, профессор Ю.М.Трифонов:
«При обычных температурах озон — газ светло-голубого цвета, при пониженных температурах он превращается в жидкость индиго-голубого цвета с температурой кипения -111,9 ⁰С, в твердой фазе озон образует игольчатые кристаллы густого фиолетово-голубоватого цвета с температурой плавления -192,5 ⁰С. Способность озона (О3) и молекулярного кислорода (О2) сосуществовать в трех агрегатных состояниях является одной из исключительных особенностей. Чистый озон во всех трех агрегатных состояниях взрывчат. При высоких температурах озон разрушается. Физически молекула озона является стабильной, т.е. она самопроизвольно не разлагается. Однако при повышении температуры, увеличении добавок некоторых газов, при воздействии излучений и потоков частиц скорость разложения газообразного озона значительно увеличивается.
Нестабильность озона — одно из основных его химических свойств. Другое основное свойство — его сильная окислительная способность (уступает только F). Высокая активность озона как окислителя и способность его реагировать со многими соединениями нашли широкое практическое применение. Кроме того, он обладает рядом ценных свойств как дезинфектант и дезодорант. Наиболее важными областями использования озона можно считать очистку и обеззараживание питьевой и промышленной воды и стоков, обесцвечивание, нейтрализацию вредных ядовитых веществ, устранение неприятных запахов, дезодорацию и очистку промышленного воздуха, озонирование в системах кондиционирования воздуха, переработку и хранение пищевых продуктов и кормов, стерилизацию перевязочных материалов, терапию и медицинскую профилактику различных заболеваний.
В метеорологии широко используется понятие общего содержания озона. Суммарный озон Х — это количество озона в вертикальном столбе атмосферы, численно равное толщине слоя газообразного озона в этом столбе при нормальных условиях и выражающееся в атм-см. Еще в 1931 году английский исследователь Добсон создал один из первых оптических приборов для измерения суммарного озона. Необходимо подчеркнуть удивительно малое содержание озона в слоях атмосферы. Если бы весь озон атмосферы Земли сосредоточить в одном слое у земной поверхности, толщина такого слоя чистого озона составила бы всего лишь 3 миллиметра!».
Для завершения знакомства с основными свойствами такого экзотического объекта, как озон, упомянем о его токсикологическом (!) воздействии на человека, животных и растительные организмы. При определенных концентрациях наблюдается отравление человека озоном, гибель подопытных мышей, птиц при продолжительном воздействии, отрицательное действие на леса и растения даже при концентрациях, присутствующих в естественных условиях. Тем не менее в общепринятом смысле под озонированием понимают освежение, очищение.
Озон в атмосфере
Энергию молекулы озона можно представить как сумму трех частей — электронной, колебательной и вращательных энергий. Вот что думает один из специалистов в области квантовой физики и космического контроля за озонным слоем Ф.С.Ортенберг:
1. Молекулы озона поглощают свет в широком спектральном диапазоне от вакуумного ультрафиолетового до микроволнового участков спектра.
2. При поглощении света озоном как в ультрафиолетовой, так и в видимой областях спектра происходит фотохимическое разрушение озона с образованием молекул кислорода.
Благодаря своим исключительным свойствам атмосферный озон является регулятором потока космической радиации, достигающей поверхности Земли. История его появления на Земле выглядит следующим образом. Преобразование компонентов первичной земной атмосферы — метана, воды и аммиака — в «бульон» из органических соединений, где впервые зародилась жизнь, происходило в присутствии интенсивного ультрафиолетового облучения. Однако ультрафиолетовая радиация очень опасна для чувствительного равновесия химических реакций в живых клетках, и по-видимому, первые организмы выжили только потому, что они развивались под слоем воды достаточно мощным, чтобы защитить их от ультрафиолета. В результате фотосинтетического разложения молекул воды земная атмосфера приобрела свободный кислород. Лишь с появлением кислорода, а затем и озона интенсивность ультрафиолетовой радиации на земной поверхности понизилась достаточно для того, чтобы живые организмы смогли уйти из-под защиты воды и начать заселение суши!
Продолжительное существование сухопутной жизни стало возможным благодаря озонному слою — защите, которая сама явилась продуктом жизни! В процессе эволюции основными компонентами атмосферы стали кислород и азот.
Когда говорят об озонном слое, то обычно понимают область его максимальной концентрации. Высота озонного слоя зависит от широты местности и сезона.
Поскольку образование озона происходит главным образом в результате фотохимических реакций в стратосфере, здесь сосредоточена его основная масса (около 85-89% атмосферного озона). Слой повышенной концентрации в стратосфере служит как бы экраном, не пропускающим к земной поверхности ультрафиолетовое «крыло» солнечного излучения.
ОСО (общее содержание озона) в столбе атмосферного воздуха очень сильно зависит от широты местности. Так, например, ОСО над полюсами Земли примерно в два раза больше, чем над экватором. Кроме того, ОСО в атмосфере испытывают суточные, сезонные, годовые, многолетние (связанные с цикличностью солнечной активности) изменения. Наблюдаемая в природе толщина слоя озона меняется в широких пределах от 70 до 76 единиц Добсона, а отклонение, например, концентрации озона в течение суток от своего среднего значения может составлять 25%.
Истощение слоя
Истощение слоя озона приводит к увеличению ультрафиолетовой радиации у поверхности Земли, а изменение вертикального распределения озона вызывает изменение нагревания атмосферы, а, следовательно, климата. Ультрафиолетовая радиация разлагает хроматин клеточного ядра, препятствует размножению клеток, повреждает молекулы ДНК. Избыток ультрафиолета, связанный с сокращением озонного слоя, может вызывать рост раковых заболеваний кожи и уменьшить эффективность иммунной системы человека. Даже небольшое уменьшение суммарной толщины озонного экрана (например, для жителей высокогорья) заметно увеличит вероятность этих заболеваний, а понижение толщины в два раза было бы чревато необратимыми процессами для земного генофонда!
Прямое воздействие повышенных доз ультрафиолетовой радиации на здоровье человека приводит к росту инфекционных заболеваний, поражению глаз (вызывая катаракту), увеличению вероятности заболеть раком кожи. Ультрафиолетовое излучение ограничивает рост некоторых растений, и повышенные дозы радиации могут привести к уменьшению продуктивности сельскохозяйственного производства. Отрицательно воздействует УФ-радиация на водные организмы, на фито- и зоопланктон, икру рыб. Действует радиация и на небиологические объекты — разрушаются многие виды пластмасс, ухудшаются последствия загрязнения воздуха в городских и промышленных районах. В то же время в нижних десяти километрах атмосферы в последнее время отмечается рост концентрации озона, наиболее отчетливо прослеживающийся в индустриальных районах (Европа, США), где ощущается токсикологическое воздействие на биосферу повышенного содержания озона. Негативное действие озона на человека наблюдается даже в стратосфере, где проходят полеты современных самолетов. На определенных высотах в салоны вместе с забортным стратосферным воздухом нагнетается значительная концентрация озона, вредного для здоровья экипажа и пассажиров.
Минус фреон
Чтобы оценить возможные масштабы природных искажений озоносферы, рассмотрим источники поступления веществ, катализирующих разрушение озона в атмосфере. Основным источником оксида азота (NO) служит оксид диазота, образующийся в бактериальных процессах на земной поверхности. Постепенно проникая в стратосферу, оксид диазота реагирует с атомарным кислородом. Другой источник оксидов азота в стратосфере — высотная авиация, но число летающих на этих высотах самолетов очень мало.
В числе естественных источников поступления хлора в стратосферу можно назвать, помимо метилхлорида (который образуют водоросли), соляную кислоту в вулканических выбросах, хлориды в составе морских солей, в том числе антропогенных — перхлораты в составе твердого топлива ракет. Тем не менее, по сравнению с потоком хлорфторметанов, все эти источники дают относительно малый вклад.
В начале 70-х годов было установлено, что именно хлорфторметаны, используемые в аэрозольных упаковках и холодильных машинах, а также в кондиционерах, стали ощутимой составной частью атмосферы.
Действенный механизм разрушения этих высокостабильных веществ в нижней атмосфере отсутствует, и они переносятся в стратосферу. Важнейшие из хлорфторметанов — фреоны — поглощают ультрафиолетовое излучение, в результате чего идут фотохимические реакции с образованием хлора. Монреальский протокол, подписанный многими странами (в том числе и СССР), определил порядок сокращения производства и выбросов фреона в атмосферу. Но эта мера не является исчерпывающей.
Сюрпризы из космоса
Большие количества оксидов азота могут вноситься в атмосферу при прохождении Земли через метеорные потоки. Подсчитано, что при падении Тунгусского метеорита в Сибири в 1908 г. в атмосфере на высоте 10-100 км образовалось около 30 млн. тонн оксида азота, что примерно в 5 раз превышает содержание связанного азота по всей стратосфере. Такое громадное количество оксидов азота оказало влияние на озонный слой, подтвержденное снижением в ультрафиолетовой области прозрачности атмосферы, которая в течение 1909 — 1911 гг. медленно вернулась к исходному состоянию. Подобный эффект может создать также достаточно близкий к солнечной системе взрыв сверхновой звезды.
Специалист в области космического контроля озоносферы Ф.С. Ортенберг полагает также, что:
— Угрозу озонному слою представляют и ядерные взрывы. Незначительное снижение озона в начале 60-х гг. было связано с увеличением в стратосфере оксидов азота вследствие испытаний ядерного оружия.
Разумеется, исследования озона в атмосфере — результат многочисленных экспериментов на протяжении многих лет, начиная с 30-х годов, как на поверхности Земли, так и с помощью аппаратуры, устанавливаемой на высотных самолетах, исследовательских ракетах, баллонах.
Разработка аппаратуры и применение ее для исследований озона вылились в самостоятельную область научных знаний — озонометрию. Чтобы составить представление о масштабах проводимых работ по контролю озона, нужно отметить, что мировая сеть только наземных озонометрических станций насчитывает сегодня более сотни, из которых около половины расположены на территории СНГ. Измерения из космоса были начаты в августе 1967 года на спутнике и продолжаются до сих пор.
Резкое уменьшение общего содержания озона было впервые обнаружено в конце 1979 года в районе Антарктиды. Для специалистов по озону тогда это было неожиданностью. Однако последующие регулярные измерения содержания озона со спутников Земли и на наземной сети станций окончательно рассеяли сомнения в объективности этого факта.
Размер участка с аномально низкой концентрацией озона примерно эквивалентен участку, охваченному полярной ночью. Общее содержание озона в октябре (начиная с 1979 г.) уменьшалось, достигая в отдельных местах 50% своего номинального значения. Вместе с этим смещались и раздвигались границы озонной дыры за пределы континента в сторону населенных регионов Австралии, Южной Америки, Африки.
Размеры ее становились все больше, охватывая приполярные районы в несколько миллионов квадратных километров. В этот же период в отдельные годы наблюдалась отрицательная аномалия ОСО в Северном полушарии в конце зимних месяцев.
Экологическая ситуация с кратковременным обеднением озонного слоя в Антарктиде не была бы столь драматичной, если бы уровень наших знаний позволял понять закономерности образования и исчезновения озонной дыры и как следствие прогнозировать дальнейший ход событий.
К сожалению, надо признать, что ежегодное появление весеннего антарктического озонного минимума пока не получило однозначного объяснения.
Следы ракет-носителей
Надо сказать, что к нежелательным локальным последствиям в районе старта ракет-носителей могут привести выбросы хлористого водорода и окислов алюминия, содержащиеся в продуктах сгорания некоторых носителей, в частности, «Шаттла».
Эти выбросы могут вызвать выпадение кислотных дождей, увеличение содержания в воздухе взвешенных частиц, токсичное загрязнение облачного покрова, изменение погодных условий на прилегающих к стартовой площадке территориях. Однако отмеченные эффекты кратковременны, поскольку турбулентные течения в приземной атмосфере приводят к быстрому перемешиванию выброшенных химических компонентов и снижению их концентрации до безопасного уровня. Следует отметить, что эти составляющие выбросов образуются при сгорании твердых ракетных топлив и не содержатся в продуктах сгорания российских РН.
И с Байконура тоже?
Тем не менее, при полете любой ракеты-носителя в озонном слое возникает «окно», которое со временем затягивается. Эволюция следа РН происходит под влиянием атмосферной циркуляции и химических реакций между продуктами сгорания и воздухом.
Озон разрушается в результате воздействия водяных паров, содержащихся в значительных количествах в продуктах сгорания всех жидкостных ракетных двигателей, а также окислов азота, образующихся из азота и кислорода под воздействием высоких температур в факелах ракетных двигателей.
На территории Казахстана только жители близлежащих к Байконуру населенных пунктов могут похвастать, что видели хотя бы раз в жизни факел от стартовавшей в небо ракеты. Сила человеческой мысли устремлена в космос. Однако проблема «озоновых окон» касается всех обитателей нашей планеты. И тех, кто не летает, а просто живет на Земле, не расставаясь с ней ни на минуту.
Размеры таких «окон» возрастают, если в составе РН используются ракетные двигатели на твердом топливе. Кроме аналогичного образования окислов азота (из воздуха), в их реактивных струях содержится большое количество хлористого водорода, который отнесен Венской конвенцией об охране озонного слоя (еще март 1985г.) к особо активным озоноразрушающим веществам. Каждый атом хлора разлагает в тысячи раз больше молекул озона, чем одна молекула окисла азота. Поэтому с экологической точки зрения для реализации больших грузопотоков в космос целесообразно использовать ракеты-носители на базе жидкостных ракетных двигателей типа РН «Энергия», «Зенит», «Атлас-Центавр».
Оценка влияния пусков ракет-носителей на озонный слой проводилась для одиночных пусков и для программы ежемесячных пусков РН «Энергия» в течение неограниченного времени.
Динамика разрушения озонного слоя при одиночном пуске РН «Энергия» протекает следующим образом. В следе ракеты диаметром несколько сотен метров озон разрушается полностью на всех высотах практически мгновенно. Под влиянием макротурбулентной диффузии выброшенные вещества перемешиваются в столбе диаметром несколько километров за несколько часов. Содержание озона в этом столбе на высотах 16 — 24 км уменьшается на 15 — 20% через 2 часа, а затем происходит постепенное затягивание образовавшегося «туннеля».
Облако ракетных выбросов в стратосфере через неделю достигает размера нескольких сотен километров. Максимальное разрушение озона в облаке происходит на высотах 24-30 км примерно через 24 дня после старта. Одновременно в тропосфере и верхней стратосфере происходит образование озона. С учетом компенсирующего положительного эффекта общее содержание озона в районе пуска РН «Энергия» (в пределах вертикального столба диаметром 550 км!) снизится через 24 дня на 1,7% или в массовом отношении уменьшится на 27 тысяч тонн. Для сравнения при пуске носителя «Шаттл» — на 2% или 32 тысячи тонн. Таким образом, одиночные пуски РН «Энергия» не оказывают заметного влияния на озонный слой в масштабе полушария. По некоторым оценкам экспертов, озона в атмосфере земли стало меньше на 8%, а скорость убыли достигла 0,5% в год.
Мнение эколога
Известный казахстанский эколог, кандидат географических наук Н.В.Попов:
— «В ходе 5-й независимой встречи Азиатско-Тихоокеанского форума по экологии и устойчивому развитию в 2004 году в Астане была изложена позиция Министерства охраны окружающей среды. Отмечалось, что, придавая большое значение глобальной проблеме охраны озонового слоя, республика присоединилась к соответствующим международным соглашениям по этому вопросу. Казахстаном ратифицированы Рамочная конвенция ООН по изменению климата, Венская конвенция об охране озонового слоя и Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, подписан известный Киотский протокол.
На встрече отмечено, что в настоящее время в республике проводятся работы по сокращению использования озоноразрушающих веществ и изъятию их из обращения, а также работы по внедрению новых технологий с применением веществ, не разрушающих озоновый слой. Подчеркивалось, что в случае вступления в силу Киотского протокола, Казахстан возлагает на себя «количественные обязательства по сокращению выбросов парниковых газов». В течение этого года намечено провести исследование «возможного влияния этих обязательств на экономику».
Даже при беглом знакомстве с изложенными фактами само собой напрашиваются вопросы: почему не были выполнены подобные исследования влияния международных обязательств на экономику страны до того, как были подписаны и ратифицированы эти международные соглашения? Какие именно результаты научных исследований, выполненных в нашей стране (если они вообще проводились), стали основанием для принятия решений о присоединении Казахстана к конвенциям? Ведь вполне может оказаться, что за наукообразными глобальными проектами стоят какие-то неизвестные нам интересы, а наших то выгод в этих соглашениях и нет вовсе.
Автор хотела бы напомнить один только эпизод из «истории озоновых проблем», всем известные факты. В середине 70-х годов прошлого века ученые выдвинули предположение, что окисел азота, остающийся в атмосфере после полета сверхзвукового самолета, очень вреден для озонового слоя. Это было прелюдией к появлению на авиационном рынке новых серий самолетов конкурирующих фирм «Конкорд» и «Ту». Испытания подходили к моменту завершения, и те, кто не был заинтересован, чтобы в небе США летали и работали самолеты французские и российские (советские тогда), сделали все, чтобы общественное мнение отвергало всякую возможность появления в американском небе каких-либо других самолетов, кроме как фирмы «Боинг». Помните слова из оперы «Фауст»: «миром правит капитал»?
Итак, новая серия сверхзвуковых пассажирских самолетов «Конкорд», а также «Ту-144» грозят захватить весьма доходный рынок трансатлантических пассажирских перевозок. Тогда (немедленно) Конгресс США принимает закон, запрещающий полеты сверхзвуковой пассажирской авиации над США в целях «охраны озонового слоя». В результате весь рынок захватывает «Боинг — 747». В то же время полеты военных самолетов в стратосфере никто не ограничивал. К сегодняшнему моменту «аппетиты» американские не уменьшились…
Следует добавить ко всему сказанному слова профессора А.П.Капицы:
«Фреоны действительно могут нанести вред озоновому слою, но опыт показывает, что они в гораздо больших количествах извергаются вулканами, чем человеком. Я берусь показать это — не раз показывал — с цифрами в руках, на примере камчатских вулканов или вулканов Индонезии».
Как подтверждение этому — находки ученых в пробах антарктического льда тысячелетнего возраста, где обнаружены, представьте себе, следы фреона, это задолго до промышленной революции, до появления самолетов вообще!
Мир, в котором мы живем, требует внимания к себе, более тщательного изучения. Научные исследования в такой огромной, богатой стране, как Казахстан, готовят нам массу удивительных, ценных открытий, и не только в области археологии. Но, чтобы эти исследования делать, необходима заинтересованность государства, необходимо серьезное отношение к науке вообще. У нас немало толковых специалистов, талантливых ученых, патриотов своей страны.
Они готовы выполнить любой заказ государства, работать над любым исследованием. Впереди еще масса научных открытий…
А что касается Киотского протокола, то подпишут ли его все «сверхдержавы»?..