Толщина озонового слоя: измерения, изменения и ее значение

Озоновый слой — одна из самых интересных и актуальных тем в современной науке об окружающей среде. Хотя на первый взгляд может показаться, что это вопрос, доступный только ученым и метеорологам, его толщина, его изменения и важность его сохранения иметь прямые последствия для повседневной жизни каждого из нас. От защиты от ультрафиолетового излучения до его воздействия на здоровье человека и экосистемы, понимание озонового слоя имеет решающее значение для оценки рисков для планеты и решений, которые мы можем реализовать.

Далее вы погрузитесь в комплексный обзор, охватывающий физическую природу озонового слоя, способы его измерения и мониторинга, основные угрозы его целостности, историческую эволюцию его состояния, а также достижения и сохраняющиеся проблемы в его защите. Помимо обзора научных основ, вы узнаете, как происходят изменения во времени и пространстве, какие приборы используются для их измерения и, прежде всего, почему необходимо сохранять этот газообразный слой. имеет решающее значение для непрерывности жизни на Земле.

Что такое озоновый слой и почему он так важен?

Озоновый слой — область атмосферы Земли, расположенная в основном в стратосфере, где сосредоточена большая часть атмосферного озона. Этот газ, химическая формула которого O₃, состоит из трех атомов кислорода и обладает уникальными свойствами, которые отличают его от обычного кислорода (O₂).

Он простирается примерно на 15–40 километров над поверхностью Земли, достигая максимальной концентрации на высоте около 25 километров. Однако если бы весь озон в стратосфере сжать до давления окружающей среды, он образовал бы очень тонкий слой толщиной от 2 до 3 миллиметров, что является удивительным фактом, учитывая его важную защитную роль.

Основная функция озонового слоя — фильтрация и поглощение большей части ультрафиолетового излучения (УФ-В и УФ-С), исходящего от Солнца. Без этого естественного барьера вредная радиация беспрепятственно достигала бы поверхности Земли, вызывая разрушительные последствия: рост таких заболеваний, как рак кожи и катаракта, ущерб урожаю, вред морской флоре и фауне, а также нарушения наземных и водных экосистем.

Само существование жизни на Земле, какой мы ее знаем, зависит от этого деликатного газового щита. Поэтому любое существенное изменение его толщины или состава оказывает прямое влияние на окружающую среду и здоровье человека.

Образование и разрушение стратосферного озона

Образование и разрушение озона в стратосфере — это динамический процесс, являющийся результатом сложных химических и физических балансов, обусловленных в первую очередь солнечным ультрафиолетовым излучением.

Озон образуется, когда ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче 240 нм сталкивается с молекулами кислорода (O₂). Эта энергия «разрывает» молекулы, разделяя атомы, которые затем соединяются с другими молекулами кислорода, образуя озон (O₃). Этот механизм был описан Сиднеем Чепменом в 1930 году и известен как цикл Чепмена.

Основная реакция может быть обобщена следующим образом: солнечный свет расщепляет молекулярный кислород на отдельные атомы, и эти атомы впоследствии рекомбинируют с O₂ для генерации озона (O₃). Озон, в свою очередь, может быть разрушен ультрафиолетовым излучением меньшей специфичности, высвобождая молекулярный кислород и атомы кислорода. Эта реакция туда и обратно поддерживает естественный баланс озонового слоя, при условии отсутствия внешних помех.

Другие факторы, такие как присутствие галогенированных соединений (например, хлорфторуглеродов, ХФУ и галонов) или повышенное содержание оксидов азота (NOx), могут стимулировать каталитические реакции, ускоряющие разрушение озона.

В полярных регионах, особенно во время антарктической весны, возникает явление, известное нам как «озоновая дыра». В этих районах такие факторы, как низкие температуры, образование полярных стратосферных облаков и накопление галогенированных соединений, способствуют массовому сезонному разрушению слоя.

Экологическое и медицинское значение

Роль озонового слоя в сохранении жизни существенна и незаменима. Поглощая более 97% УФ-В-излучения и почти все УФ-С-излучение, предотвращает попадание смертельных доз солнечной радиации на поверхность Земли. Таким образом, слой защищает живые существа от:

• Рак кожи: Воздействие нефильтрованного УФ-излучения увеличивает риск возникновения меланомы и других опухолей кожи.
• Катаракта и повреждения глаз: Ультрафиолетовое излучение может вызвать серьезные заболевания глаз, вплоть до слепоты.
• Иммуносупрессия: Имеются данные о том, что повышенное воздействие УФ-В-излучения снижает эффективность иммунной системы у людей и животных.
• Изменения в экосистемах: Уменьшение слоя может повлиять на фотосинтез и изменить пищевые цепи в морях, озерах, реках и лесах.
• Воздействие на сельское хозяйство: Повышенная радиация отрицательно влияет на урожайность и качество сельскохозяйственных культур.

Озоновый слой также играет важную роль в динамике климата, поскольку поглощая УФ-излучение, способствует потеплению стратосферы и регулирует глобальную температуру атмосферы.

Как измеряется толщина и концентрация озонового слоя?

«Толщина» озонового слоя выражается не как прямая физическая толщина, а как мера количества озона, присутствующего вдоль вертикального столба атмосферы. Стандартной формой является единица Добсона (ЕД), которая представляет собой количество озона, которое при сжатии в нормальных условиях давления и температуры образует слой толщиной 0,01 мм.

Среднее мировое значение содержания озона в атмосфере оценивается примерно в 300 ЕД, хотя существуют различия в зависимости от географического положения и времени года.. Например, на полюсах (особенно весной в Антарктиде) значения могут опускаться ниже 150–220 ЕД во время эпизодов образования озоновой дыры.

Измерение проводится с помощью специальных приборов:

• Спектрофотометры Добсона и Брюэра: Это оптические приборы, измеряющие ультрафиолетовое излучение Солнца до и после прохождения через атмосферу. Таким образом, рассчитывается общая концентрация озона в колонне.
• Озоновые зонды: Это метеозонды, оснащенные датчиками, которые по мере подъема регистрируют данные о концентрации озона в зависимости от высоты.
• Метеорологические спутники: Оснащенные современными датчиками, они позволяют проводить глобальное картографирование и исторический анализ распределения и эволюции озонового слоя.

Метеорологические и научно-исследовательские центры, такие как Государственное метеорологическое агентство (AEMET) в Испании или обсерватория Изанья на Канарских островах, являются международными эталонами в области мониторинга атмосферного озона.. Эти учреждения работают в сети, обмениваясь данными по всему миру и облегчая оценку состояния слоя в режиме реального времени.

Изменения толщины: естественные и антропогенные причины

Толщина и концентрация озонового слоя естественным образом изменяются в течение года в разных регионах, а также под воздействием антропогенных факторов.

К естественным причинам относятся:

• Широта и время года: В полярных регионах весной часто регистрируются более низкие значения из-за специфических фотохимических процессов. В экваториальных регионах, получающих больше ультрафиолетового излучения, наблюдается повышенная выработка озона.
• Солнечная активность: Изменения солнечной радиации, солнечных циклов и извержений временно влияют на образование и разрушение озона.
• Метеорологические процессы: Планетарные волны, полярные вихри и другие явления атмосферной циркуляции влияют на распределение и перенос стратосферного озона.
• Извержения вулканов: Выброс частиц и газов может постепенно уменьшать содержание озона несколькими химическими путями.

Основная угроза балансу озонового слоя исходит от деятельности человека.. Продолжающееся с середины 20-го века использование и выбросы галогенированных химикатов, особенно ХФУ и галонов, Они ответственны за ускоренную потерю озонового слоя в больших регионах планеты..

Эти вещества, выброшенные в атмосферу, могут годами достигать стратосферы, где ультрафиолетовое излучение разрушает их, высвобождая чрезвычайно активные атомы хлора и брома. Эти атомы Они разрушают озон посредством каталитических реакций, в ходе которых одна молекула может уничтожить до 100.000 XNUMX молекул O.₃ перед нейтрализацией.

Процесс разрушения озона галогенированными соединениями

Каталитическое разрушение озона хлорированными и бромированными соединениями является наиболее значимым путем истощения озонового слоя за последние десятилетия. Основными молекулами, вызывающими этот эффект, являются хлорфторуглероды (ХФУ), гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), галоны, четыреххлористый углерод и метилхлороформ.

Основной механизм заключается в том, что после попадания в стратосферу эти вещества подвергаются фотолизу под воздействием УФ-излучения, высвобождая атомы хлора или брома. В дальнейшем они участвуют в циклических реакциях с озоном:

• Атом хлора реагирует с молекулой озона, образуя оксид хлора (ClO) и молекулярный кислород.
• Окись хлора реагирует с атомом кислорода, снова выделяя хлор и замыкая цикл.

Аналогичным образом бромированные соединения, такие как галоны и бромистый метил, следуют схожим путям и, по сути, еще более эффективно разрушают озоновый слой. Один атом брома может быть в 45 раз эффективнее одного атома хлора.

Реакции усиливаются в полярных регионах зимой и весной из-за наличия полярных стратосферных облаков. Эти облака предоставляют поверхности, на которых обычно неактивные соединения преобразуются в высокоактивные виды, готовые разрушить озоновый слой, когда в конце зимы вернется солнечное излучение.

Феномен озоновой дыры

«Озоновая дыра» относится к региону — в основном над Антарктидой — где общее содержание озона падает ниже 220 ЕД в течение южной весны (с августа по ноябрь).

Это явление было впервые обнаружено в 70-х и 80-х годах с помощью полевых и спутниковых наблюдений. Его появление и эволюция связаны с:

• Атмосферная изоляция от полярного вихря: Во время зимы в Южном полушарии струйное течение отделяет воздух Антарктиды от остальной части планеты, что позволяет накапливаться низким температурам и формировать полярные стратосферные облака.
• Наличие галогенированных соединений: На поверхности полярных облаков они трансформируются в высокореакционные формы, которые начинают интенсивное разрушение, как только появляется солнечный свет.

Площадь озоновой дыры в отдельные годы достигала более 25–29 миллионов квадратных километров, что более чем в два раза превышает площадь поверхности Антарктического континента. Хотя это явление наиболее интенсивно над Антарктидой, менее выраженные эпизоды наблюдались и в Арктике.

Последствия этого явления особенно тревожны в южных регионах, таких как Аргентина и Чили, где повышенное ультрафиолетовое излучение стало причиной угроз здоровью, нанесло ущерб урожаю и нанесло вред дикой природе.

Историческая эволюция, наблюдение и восстановление

С момента появления первых признаков ускоренного разрушения в 70-х годах международное научное сообщество, правительственные учреждения и многосторонние организации усилили мониторинг и изучение состояния озонового слоя.

Мониторинг осуществляется посредством:

• Сети спектрофотометров и озоновых зондов: Они распределены по всему миру, собирают данные в режиме реального времени и являются частью международных консорциумов, таких как Всемирный центр данных по озону и УФ-излучению (WOUDC).
• Метеорологические спутники: Они позволяют осуществлять глобальный и подробный мониторинг слоя, выявлять тенденции, сезонные аномалии и эволюцию озоновых дыр.
• Региональные исследовательские центры: Как, например, обсерватория Изанья (Испания), которая проводит кампании по калибровке и внедряет передовые технологии в области измерения озона.

Испания выделяется в Европе своей сетью инструментов и инициатив, таких как соруководство сетью EUBREWNET, призванной предоставлять последовательные, высококачественные данные об озоне и УФ-излучении. Кроме того, имеется более двадцати пяти измерительных станций и система прогнозирования ультрафиолетового индекса для всех муниципалитетов страны.