Озоновият слой и озоновите дупки

Озонът като вещество съществува в три агрегатни състояния. В газообразно той е газ със светлосин цвят и остра миризма. Самото му име означава- „миришещ”. Негов откривател е немският химик Кристиан  Фридрих Шенбейн, който определил мириса му на свеж въздух след дъжд. При ниски температури озонът се превръща в течност с индигово-син цвят.  В твърдо състояние е във вид на кристалчета с игловидна форма. Озонът е нестабилно химически вещество и е много силен окислител. И в трите си агрегатни състояния той е взривоопасен. Използва се за обеззаразяване на питейни води, убива микроорганизмите, но в по-голяма концентрация е отровен за хората.

Озонът формира озоновия слой на планетата Земя и е изключително важен за климата и безопасността ѝ. Появата му се дължи на фотохимични механизми, открити от британския физик Сидни Чапман през 1930г. Озонът се създава под въздействието на  ултравиолетовите лъчи, които превръщат обикновени кислородни молекули, състоящи се от два атома кислород (O2) на отделни кислородни атоми, наричани атомарен кислород. Те, от своя страна, след това се свързват с обикновените  кислородни молекули, създавайки озон- O3. Озоновата молекула също е нестабилна, въпреки че в стратосферата може да издържи дълго време, и отново под въздействието на ултравиолетовите лъчи  се разделя на кислороден атом и обикновена двуатомна молекула. Така се получава озоно-кислороден цикъл. В резултат на този процес се образува слой в стратосферата, който е с повишено съдържание на кислород, и се намира на 10-15 км височина над земната повърхност. Около 90% от озона се съдържа именно в стратосферата. Най-висока е концентрацията му на височина около 25 км, където тя се изменя между 2 и 8 милионни части. Най-тънък е озоновият слой над тропическия пояс (около Екватора) и е с най- голяма плътност над полюсите, като се измерва в Добсънови единици. Типично тя е  260 DU над тропиците и с по-висока стойност навсякъде другаде, като варира сезонно. Едва десет процента се съдържат в най-ниската част- тропосферата. Съществуват два източника за тропосферния озон- от една страна, той се спуска от стратосферата, а останалата част се произвежда на място в различни количества чрез различни механизми. Ако целият озон в атмосферата се сгъсти до въздушното налягане на морското ниво, би образувал слой, дебел само 3мм.

Озоновият слой е онази част от земната атмосфера, която съдържа относително висока концентрация на озон (O3). Открит е през 1913г. от френските учени Шарл Фабри и Анри Бюсон. Свойствата му са подробно изучени от британския метеоролог Гордън Добсън, който разработва прост спектро фотометър, позволяващ измерването на озона от Земята в стратосферата. Между 1928г. и 1958г. ученият изгражда световна мрежа от станции за наблюдаване нивото на озона, която продължава да работи и до днес. Единицат „Добсън”, наречена в негова чест, се използва за измерване количеството на озона във вертикална посока.

Защо озона е толкова важен за Земята и живите организми, които я населяват- растения, животни и хора?

Отговора е че той играе ролята на филтър за UV-лъчите. Негова основна задача е да поглъща вредното ултравиолетово лъчение с неговите три типа-A, B и C. В противен случай тези от типа B могат да станат причина за слънчевите изгаряния, за рак на кожата и за увреждане ретината на окото. Озонът е естествен биологичен щит.

 Изтъняване на озоновия слой

Първите сведения за изтъняване на озоновия слой са от 1958г., но никой не обръща сериозно внимание на тези съобщения. Драматичната загуба на жизненоважното вещество е забелязано от изследователска група на Британското Антарктическо Проучване (БАП), която наблюдава атмосферата над Антарктика от станция на Земята през 1970г. Когато получават първите стойности, спадът на нивото на озона се оказва толкова голям, че се налага да повторят изследването, за да се уверят, че инструментите им не грешат. През 1974г. група американски учени откриват взаимовръзката между окисите на хлора в унищожаването на озоновия слой. През същата година за първи път е съобщено за  намаляването на стратосферния озон.  В резултат на това започва да се говори за наличието на Озонова дупка.

Озонови дупки

Според повечето твърдения, тя не трябва да се разбира като липса на озон. Прави се терминологично уточнение, като се говори за изтъняване на озоновия слой. Приема се, че този процес има сезонен характер. Озоновата дупка се появява всяка пролет над Антарктика. Големината ѝ се е увеличила през последните две десетилетия и сега заема площ от около 25 млн.кв.км. Промяната е в зависимост от слънчевата активност: при максимума на 21-я слънчев цикъл тя се смалява, а при минимума на слънчевата активност се уголемява. При следващия максимум на 22-я слънчев цикъл обаче тя отново е голяма.

Според данните за периода 2000-2005г., публикувани в Интернет, най-голямата, която някога се е появявала, е Озоновата дупка от 2000г., когато е максимумът на слънчевата активност. След тази дата и активността, и дупката се смаляват. Изключение правят годините 2003г. и 2005г., когато се наблюдава увеличение спрямо предходните години, но все пак размерите не достигат тези от 2000г.

Как се формира озоновата дупка?

С началото на зимата, която в Антарктика започва през март, атмосферата изстива и ветровете, които се намират на голяма височина, започват да циркулират около континента, като създават бариера за въздуха от северните ширини, пречейки му да се смеси с този от южните. В резултат се образуват облаци в стратосферата, съдържащи озон и вещества, отделяни от човешката дейност. Когато южната пролет настъпи и атмосферата започне да се затопля от слънчевата енергия, между тях настъпва химична реакция, която формира изтъняването. Облаците са чувствителни към химикалите, отделяни от човека, и водят до разрушаване на озоновите молекули. Щом настъпи арктическото лято, ветровете затихват и богатият на озон въздух от север се връща обратно от другата страна на Антарктика, за да запълни изчерпания озонов пласт. Така дупката изчезва обикновено през ноември или декември.
Една или няколко?

През 1997г. нова озонова дупка привлича вниманието на изследователите- тази над Арктика, с големината на щата Тексас, както и много други, траещи няколко седмици или няколко дни.

Причини за изтъняването на озоновия слой и последствията от това

Предполага се, че причинители на т.нар. изтъняване на озоновия слой са отделяните в резултат от човешката дейност разрушаващи озона вещества фреони и халони От първостепенно значение за изтъняване на озоновия слой са хлор-флуор-карбонатите (хлор-флуор-въглеводороди) или фреоните. Открити са през 1930г. от американския химик Томас Мидгли. Те са производни на два газа- метана и етана и обединяват над 40 различни химични съединения на хлора, флуора и въглерода. Масово се използват в производството на пластмаси, аерозолни опаковки, хладилни и климатични инсталации, автомобилни радиатори. Дълго време са смятани за безвредни, но се открива, че, попадайки във въздуха, те се смесват с други газове и проникват в атмосферата. Техните пари не се окисляват от кислорода в долните ѝ части. Атакувани от ултравиолетовите лъчи в стратосферата, се превръщат в свободни хлорни атоми, които влизат в реакция с озона многократно. Изчисленията показват, че един хлор може да предизвика разпадането на 100 000 молекули озон. Това е причината фреоните R12 ида бъдат забранени, а R22 да бъде заменен от R410А или R407. В България вносът на R22  е забранен от 1.01.2008г., в съответствие с Европейското законодателство. Сред причинителите на разпадането на озоновия слой  са и директните емисии от азотен окис от самолетите.

Халоните или така наречените пожарогасителни агенти също са считани за съдържащи хлор и бром. За не съдържащ и не предизвикващ изтъняване на озона се приема единствено FM-200.

Пестицидите, използващи се за производство на изолационни и опаковъчни материали, както и почистващи препарати, са вредни в същата степен.

Едно различно становище за последствията от изтъняването на озоновия слой

Прието е и се твърди, че въглеродният диоксид, сулфатните аерозоли, прахообразните частици, които могат да бъдат добавени към вече изброените озон разрушаващи вещества, са причината за „парников ефект”, който води до повишаване на температурите, до глобално затопляне на климата на Земята и топенето на ледените шапки. Това се превърна в основна догма на учените климатолози.

Съществуват, разбира се, и противоположни мнения, които считат този проблем за открит и изтъкват доказателства, оборващи тезата. Такова е, например, твърдението, че сулфатните аерозоли водят до понижаване на температурата в Северното полукълбо, където промишлеността е най-силно развита и, съответно, парниковият ефект- най-силен. Доказано е също така, че в глобалния кръговрат на въглеродния двуокис липсват 2 млрд. тона годишно, което води изследователите до подозрението, че този дефицит се поема от растенията. Не по-малко любопитен е фактът, че през 2009г. учените установяват увеличаване на площта на ледниците на Антарктика, за сметка на намаляващите в Арктика. Те правят извод, че този процес се стимулира от Озоновата дупка през последните десетилетия. Авторите са убедени, че преди появата ѝ те са намалявали. Учените смятат, че предвид мерките срещу изтъняването на озоновия слой,  в близките години плаващите антарктически ледове ще започнат да се топят.

Все повече учени се усъмняват в основателността на хипотезата за парниковия ефект. Астрономи и изследователи на Слънцето съобщават за фрапиращи  съответствия между слънчевата активност и климата на Земята. Карин Лабицке- климатолог в Свободния университет в Берлин, открива, че въздушните течения над Северното полукълбо влияят върху възникването на полярни вихри над Арктика и върху изтъняването на озоновия слой. Атмосферните колебания следват активността на Слънцето, твърди тя. Такова е мнението и на двама датски физици- Ейгил Фрис-Кристенсен и Кнуд Ласен, дали своите доказателства през 1991г.

Моделите на учените, с които те работят, невинаги ги застраховат от грешки. Затова не бива да се пренебрегва дадено твърдение за сметка на друго.

НОРМАТИВНИ АКТОВЕ И МЕРКИ, ПРЕДОТВРАТЯВАЩИ ПО-НАТАТЪШНОТО ИЗТЪНЯВАНЕ НА ОЗОНОВИЯ СЛОЙ

Установявайки вредата от емисиите парникови газове, са предприети мерки за ограничаване на изтъняването на озоновия слой. През 1992г. в Рио де Жанейро се провежда Световна среща за Земята. На нея са поети ангажименти за намаляване на емисиите от парникови газове и е подписана Рамкова конвенция на ООН за изменението на климата. Първите мерки са съгласувани през 1985г. във Виена с подписването на Виенска конвенция за защита на озоновия слой.  Две години по-късно, на 16 септември 1987г., е подписан Монреалски Протокол за защита на озоновия слой. В него са идентифицирани главните веществата, които го нарушават и поставя ограничения за тяхното производство.

Конвенцията обвързва страните с ангажимент да защитават човешкото здраве и околната среда от ефекта на озоновото изчерпване и постановява участващите държави да си сътрудничат в изследванията, наблюденията и информационния обмен.

На 19 декември 1994г. Генералната асамблея на Програмата за околна среда на ООН обявява 16 септември за Международен ден за защита на озоновия слой.

Ключов нормативен акт е и Протокол от Киото, подписан на 11 декември 1997г.

ВЪЗМОЖНИ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ОТ СТРАНА НА ЧОВЕЧЕСТВОТО

Какво можем да направим ние- хората, за да не задълбочаваме проблема? Налице са няколко стратегии:

Ефективност и опазване на природата чрез подобряване икономията на гориво на 2 млрд. автомобили и намаляване на годишния им пробег. Използване на алтернативни транспортни средства- велосипеди и обществен транспорт. Необходимо е да се повиши ефективността на отоплението, охлаждането, осветлението и домакинските уреди с 25%, както и тази на електроцентралите с въглища.

Улавяне и съхраняване на въглерода чрез въвеждане на системи за съхраняването му под земята от 800 електроцентрали на въглища или 1600 електроцентрали на природен газ. Пречиствателни системи в използващите въглища водородни заводи, произвеждащи гориво за милиард автомобили. Пречиствателни системи в използващите въглища заводи за синтетично гориво.

Използване на горива с ниско съдържание на въглерод- замяна на електроцентралите на въглища с такива на природен газ и повишаване капацитета на използване на ядрената енергия.

Възобновяеми горива и био съхранение чрез увеличаване енергията от ветрогенератори и слънчеви панели. Използване на енергията от ветрогенераторите за производство на водород за автомобили с горивни клетки. Увеличаване на био горивото от етанол. Спиране на всяко обезлесяване и екологично обработване на всички земеделски земи (оранта освобождава от почвата въглеродния диоксид и не му позволява да се натрупа в почвата).