стан

Дослідницька група

Озоновий шар - це область земної атмосфери, яка відіграє фундаментальну роль у здоров’ї людей, захищаючи нас від серйозних захворювань, спричинених сонячною радіацією. Однак озоновий шар також був предметом міжнародного занепокоєння, оскільки вчені наприкінці минулого століття показали, що він скорочується. Але що саме являє собою озоновий шар і від яких хвороб він нас захищає? Що спричинило його зменшення? Чи вдалося нам запобігти його подальшому занепаду? Далі ми вам це пояснюємо.

Резюме

- Озоновий шар - це область у стратосфері Землі, де концентрація озону вища, ніж в інших частинах атмосфери.

- Озоновий шар захищає нас від ультрафіолетового випромінювання сонця, яке є причиною таких захворювань, як рак або катаракта.

- Використання газових викидів, таких як ХФУ, пошкодило озоновий шар. В даний час ми викидаємо лише 1,6% від викидів у 1986 році.

- Через міжнародні зусилля, спрямовані на припинення виробництва та викидів цих газів, озоновий шар повільно відновлюється.

- Однак дослідження показали, що викиди цих газів знову з’явились у Східному Китаї, впливаючи на відновлення озонового шару.

Що таке озоновий шар?

Давайте розглянемо наступне зображення. На цьому зображенні показано положення озонового шару в атмосфері Землі. Земна атмосфера розділена на п’ять шарів. Для нашої теми найважливішими є тропосфера (див. Графік нижче), яка починається від землі висотою до 12 кілометрів, і стратосфера, яка перевищує висоту від 12 кілометрів до 50 кілометрів. Озоновий шар знаходиться в стратосфері.

Однак це зображення може також збити нас з пантелику: воно може змусити нас повірити, що озоновий шар є своєрідною однорідною сферою, яка оточує Землю. Насправді озоновий шар не є єдиною групою газів на планеті. Подивимось детальніше, з чого складається цей так званий озоновий шар.

Перше, що нам потрібно знати, це з чого він зроблений. Як випливає з назви, він складається з озону (O3). Що таке озон? Це молекула, що складається з трьох атомів кисню. Слід зазначити, що кисень, який нам потрібен для життя, - це інша молекула: молекула, що складається з двох атомів кисню (O2).

Зараз наша атмосфера складається з різних типів газів. Він приблизно на 78% складається з молекул азоту (N2) і 21% кисню (O2). Потім решта 0,91% складається з аргону та решти різних газів, серед них озон.

У цьому сенсі концентрація озону в нашій атмосфері дуже мала. Насправді, як заявило Національне управління з питань океанів і атмосфери США, в зоні озонового шару концентрація цього газу становить лише три молекули на кожні 10 мільйонів молекул повітря (сукупність інших газів, що складають нашу атмосферу). Однак ці кілька молекул озону виконують фундаментальну функцію для життя, як ми побачимо в наступному розділі.

Друге, що ми повинні знати, це те, що озон не тільки знаходиться в певному положенні атмосфери, але його концентрація змінюється залежно від висоти, на якій ми знаходимося. Давайте побачимо наступну графіку з проекту «Наш світ у даних», розробленого дослідниками з Оксфордського університету.

На графіку представлена ​​концентрація озону в залежності від висоти над рівнем моря. Рівень озону в тропосфері дуже низький. Однак поблизу землі ці рівні трохи вищі. Цей озон, який знаходиться поблизу землі, можна вважати забруднювачем. Чому? Оскільки при вдиху озон шкідливий для здоров’я людини, особливо для дітей, людей похилого віку та людей з проблемами дихання.

Від 10 кілометрів над землею до 35 або 50 кілометрів (залежно від положення Землі) озон міститься у високих концентраціях. За даними Британської енциклопедії, 90% озону міститься в цій ділянці атмосфери, яку ми називаємо стратосферою. Ми називаємо це високою концентрацією озону "озоновим шаром". Однак пам’ятаймо, що насправді кількість молекул озону порівняно з іншими молекулами повітря мінімальна.

Третє, що нам потрібно знати, це те, як утворюється озон на Землі. Коли певний тип ультрафіолетової енергії від Сонця потрапляє на молекули кисню (O2), він розділяє їх на два атоми кисню. Пам’ятайте, що молекула кисню (те, що нам потрібно дихати) складається з двох атомів. Цей особливий тип сонячного світла взаємодіє з цією молекулою та розділяє її на два простих атоми кисню. Потім ці прості атоми кисню групуються разом з іншими молекулами кисню (O2) і утворюють озон (O3). Нарешті, озон також може утворюватися в тропосфері, коли певні гази від людської діяльності взаємодіють з киснем.

Для чого призначений озоновий шар?

Перш ніж зрозуміти, для чого призначений озоновий шар, необхідно знати, що Сонце випромінює ультрафіолетову енергію. Ультрафіолетова енергія є формою електромагнітного випромінювання. Це звучить складно, але світло також є формою електромагнітного випромінювання. Насправді ми могли б зрозуміти ультрафіолетове випромінювання як форму світла, яку люди не можуть бачити. Однак деякі комахи можуть це побачити.

Давайте подивимося на графік вище. Електромагнітне випромінювання має різну довжину хвилі. Ми можемо побачити невелику частку електромагнітного випромінювання, яку наша система сприйняття інтерпретує як класичні кольори. Однак, залежно від довжини хвилі, ми маємо різні типи випромінювання: мікрохвилі, радіохвилі, рентгенівські промені, а також ультрафіолетові промені. Довжина хвилі, яка відповідає ультрафіолетовому випромінюванню, коливається від 10 нанометрів (нм) до 400 нм.

Захиститися від ультрафіолетового випромінювання важливо, оскільки це може спричинити такі проблеми зі здоров’ям, як рак. Тепер ультрафіолетове випромінювання можна розділити на різні типи залежно від довжини хвилі. Існує кілька видів ультрафіолетового (УФ) випромінювання. Однак найбільше нас турбують типи A, B і C. Ультрафіолетове випромінювання A (UVA) має довжину хвилі від 315 нм до 400. Тип B (UVB) від 280 до 315. І, нарешті, тип C ( UVC) від 100 до 280.

Озоновий шар відображає ультрафіолетове випромінювання в діапазоні від 315 до 280 нм. На попередньому зображенні ми бачимо, як озоновий шар фільтрує ультрафіолетове випромінювання. Він повністю блокує UVC-промені, майже весь UVB (від 97 до 99%) і частину UVA.

Слід зазначити, що вплив УФ-променів шкодить здоров’ю. Однак ризики різняться залежно від типу УФ-випромінювання, якому ми піддаємось. Найнебезпечнішим є УФХ, який, на щастя, повністю фільтрується озоновим шаром. З іншого боку, наступним найнебезпечнішим є UVB, який міцно пов’язаний із випадками раку шкіри, старіння шкіри та затримки засмаги. Нарешті, UVA-промені менш небезпечні. Вони пов’язані з засмагою, а також сприяють старінню шкіри. Так само це також було пов'язано з розвитком раку шкіри, але в меншій мірі, ніж UVB-промені.

Але як озоновий шар фільтрує ці промені? За даними NASA, озон реагує на ультрафіолетову енергію і розпадається на молекулу кисню (O2) і простий атом кисню. Ця реакція перетворює ультрафіолетове випромінювання в тепло і, таким чином, озон запобігає потраплянню ультрафіолетових променів у нижчі райони атмосфери. Потім прості атоми кисню, що залишились в атмосфері, з’єднуються з молекулами кисню (O2) і знову стають озоном.

Чому постраждав озоновий шар?

Як зазначає Енциклопедія Брітаніка, діяльність людини впливала на озоновий шар. Це підтвердили такі дослідження, як дослідження Майкла Б. Макелроя та Росса Дж. Салавіча, викладачів кафедри наук про Землю та планетарні науки Гарвардського університету. Людська діяльність спричиняла прогресивне виснаження озону в стратосфері, що почало спостерігатися в 1970 р. Це виснаження з роками збільшувалось, поки воно не створило, як вчені називають дірки в озоновому шарі; тобто місця, де знижується концентрація озону. Де ми можемо знайти діри в нашому озоновому шарі?

В даний час ми маємо одну з цих дір на антарктичному континенті. Чому саме в цьому місці? На жаль, кліматичні умови в цьому регіоні сприяють хімічним реакціям, що руйнують озон. Насправді не лише Антарктика (Південний полюс) відчуває подальше руйнування озонового шару, але й Арктика (Північний полюс). Однак проблема більша в першій. Звідки ми знаємо, що це сталося?

(На синій частині зображення зображена діра в озоновому шарі, розташованому в Антарктиді або на антарктичному континенті. Джерело: NASA)

Різні вимірювання концентрації озону із супутників, літаків та датчиків із Землі вказують на те, що озон в атмосфері зменшився приблизно на 5% між 1970-ми та серединою 1990-х рр. Також інші вимірювання показали, що зі зменшенням озону в атмосфері одночасно було також збільшенням ультрафіолетового випромінювання на поверхні Землі. Але чому сталося це руйнування озонового шару?

Вченим вдалося пов’язати виснаження озону зі збільшенням певних хімічних речовин в атмосфері. Ці речовини є газами, що містять хлор і бром, які мають потенціал руйнування озону в атмосфері. Як пояснює "Наш світ у даних", існують різні речовини, які впливають на озоновий шар таким чином. У цій групі ми маємо знамениті ХФУ (хлорфторуглероди), з яких виготовляли холодоагенти, ізолятори та аерозольні паливні речовини, а також інші гази, такі як хлористий метил, галогени та бромід.

Різні дослідження пов’язували це зменшення зі збільшенням кількості таких речовин, як ХФУ. Це серйозна екологічна проблема, оскільки руйнування озонового шару збільшує кількість ультрафіолетового випромінювання, що досягає поверхні Землі. Чому це проблема? Оскільки УФ-випромінювання пов’язане не лише зі збільшенням рівня захворюваності на рак шкіри, а й з іншими захворюваннями, такими як катаракта. Крім того, це також пов’язано з генетичним ураженням імунної системи.

З цієї причини міжнародне співтовариство доклало великих зусиль для зменшення споживання та виробництва цих газів. Але яким є сучасний стан нашого озонового шару?

Чи відновлюється озоновий шар?

В останні роки ми пережили відновлення озонового шару. Як пояснює "Британська енциклопедія", визнання небезпеки хлору та брому в атмосфері спричинило міжнародні зусилля щодо обмеження виробництва ХФУ та інших хімічних речовин, які негативно впливають на цей шар.

У 1985 р. Віденську конвенцію підписали 28 країн. В рамках цієї Конвенції був Монреальський протокол, який був підписаний 27 країнами в 1987 році. Це має на меті зменшення світового виробництва та споживання численних речовин, що впливають на озоновий шар. Було встановлено, що глобальне споживання ХФУ має бути зменшено на 50% до 1998 року.

Згодом були внесені поправки щодо посилення цих заходів. Таким чином, до 2005 року країни, що підписали Конвенцію, зменшили споживання цих хімічних речовин на 90-95%, як показано на наступному графіку "Наш світ у даних". В даний час всі члени ООН ратифікували цей протокол.

На графіку вище ми бачимо, як споживання хімічних речовин, що впливають на озон, падало після підписання Протоколу. Зараз ми споживаємо лише 1,6% від того, що спожили в 1986 році. Як результат, вчені не тільки спостерігали збільшення концентрації озону з 2000 року, але й спостерігали, що діра в озоновому шарі над Антарктидою зменшується. Однак цей процес відновлення озонового шару відбувається повільно (як ми бачимо на графіку нижче), і очікується, що лише до середини цього століття значення повернуться до значень 1960-х років.

Нові викиди ХФУ

На жаль, за останні роки було встановлено, що швидкість зменшення викидів ХФУ-11 (загальноприйнятого типу ХФУ, що використовується як холодоагент) зменшилась на 50%. Чому так сталося?

По-перше, ми повинні знати, що, незважаючи на те, що країни різко скоротили споживання та виробництво ХФУ, багато продуктів, виготовлених у попередні десятиліття, все ще виділяють ці види хімічних речовин. Іншими словами, ці старі продукти навіть після виробництва продовжують виділяти ХФУ в навколишнє середовище. Таким чином вважалося, що з плином років викиди цих продуктів зменшуватимуться, оскільки очікувалося, що вони поступово зникнуть.

Однак у 2018 році група дослідників виявила, що це зменшення викидів відбувається повільніше, ніж очікувалося з 2012 року. На це вказувало дослідження, опубліковане в спеціалізованому журналі Nature. Вони знайшли докази, які настійно припускають, що це пов'язано зі збільшенням викидів ХФУ-11. Крім того, вони виявили, що це збільшення викидів відбулося зі Східної Азії. Нарешті, команда знайшла докази того, що це збільшення, здається, відбулося завдяки новому джерелу виробництва ХФУ, а не старим продуктам, які все ще виділяють хімічні речовини в навколишнє середовище.

Як результат, Агентство екологічних розслідувань НУО провело розслідування в Китаї і виявило, що більшість компаній, з якими вони контактували, використовували CFC-11 у більшості поліуретанової ізоляції, яку вони виробляли. Пізніше, 23 травня цього року (2019), ще одне дослідження, також опубліковане в Nature і написане спільно понад 30 вченими, показало, що це збільшення справді відбувалося у Східному Китаї.

Зіткнувшись із цими доказами, китайський уряд почав вживати рішучих заходів проти компаній, які використовують ці види хімічних речовин. Наприклад, у листопаді 2018 року кілька підозрюваних були заарештовані у володінні ХФУ.