Насамперед слід усвідомити: озонова діра, всупереч своїй назві, — це не пролом в атмосфері. Молекула озону відрізняється від звичайної молекули кисню тим, що не з двох, та якщо з трьох атомів кисню, з'єднаних друг з одним. В атмосфері озон сконцентрований у так званому озоновому шарі, на висоті приблизно 30 км у межах стратосфери. У цьому шарі відбувається поглинання ультрафіолетових променів, що випромінюються Сонцем, — інакше сонячна радіація могла б завдати великої шкоди життю на поверхні Землі. Тому будь-яка загроза озоновому шару заслуговує на найсерйозніші стосунки. У 1985 році британські вчені, які працювали на Південний полюс, виявили, що під час антарктичної весни рівень озону в атмосфері там значно нижчий за норму. Щорічно в той самий час кількість озону зменшувалася — іноді більшою мірою, іноді меншою. Подібні, але не настільки яскраво виражені озонові дірки з'являлися також над Північним полюсом- Під час арктичної весни.

У наступні роки вчені з'ясували, чому з'являється озонова дірка. Коли сонце ховається і починається довга Полярна нічвідбувається різке падіння температури, і утворюються високі стратосферні хмари, що містять кристалики льоду. Поява цих кристаликів викликає серію складних хімічних реакцій, які призводять до накопичення молекулярного хлору (молекула хлору і двох з'єднаних атомів хлору). Коли з'являється сонце і починається антарктична весна, під впливом ультрафіолетових променів відбувається розрив внутрішньомолекулярних зв'язків, й у атмосферу спрямовується потік атомів хлору. Ці атоми виступають у ролі каталізаторів реакцій перетворення озону на простий кисень, що протікають за наступною подвійною схемою:

Cl + O 3 -> ClO + O 2 і ClO + O -> Cl + O 2

В результаті цих реакцій молекули озону (O 3 ) перетворюються на молекули кисню (O 2 ), причому вихідні атоми хлору залишаються у вільному стані і знову беруть участь у цьому процесі (кожна молекула хлору руйнує мільйон молекул озону до того, як вони видаляться з атмосфери під дією інших хімічних реакцій). Внаслідок цього ланцюжка перетворень озон починає зникати з атмосфери над Антарктидою, утворюючи озонову дірку. Однак незабаром, з потеплінням, антарктичні вихори руйнуються, свіже повітря(який містить новий озон) спрямовується в цей район, і дірка зникає.

1987 року в Монреалі відбулася Міжнародна конференція, присвячена загрозі озоновому шару, та промислово розвинуті країнидомовилися про скорочення, а зрештою і про припинення виробництва хлорованих та фторованих вуглеводнів (хлорфторвуглеців, ХФУ)хімічних речовин, що руйнують озоновий шар. До 1992 заміна цих речовин на безпечні проходила так успішно, що було прийнято рішення про повне їх знищення до 1996 року. Сьогодні вчені вірять, що років за п'ятдесят озоновий шар відновиться повністю.

Виникнення озонових діроку полярних регіонах відбувається через вплив цілого ряду факторів. Концентрація озону знижується внаслідок впливу речовин природного та антропогенного походження, а також через нестачу сонячного випромінювання протягом полярної зими. Основним антропогенним фактором, що викликає виникнення озонових дірок у полярних регіонах, відбувається через вплив цілого ряду факторів. Концентрація озону знижується внаслідок впливу речовин природного та антропогенного походження, а також через нестачу сонячного випромінювання протягом полярної зими. Основним антропогенним фактором, що викликає зменшення концентрації озону, вважається виділення хлор-і бромсодержащих фреонів. Крім того, надзвичайно низькі температури в полярних областях стають причиною утворення так званих полярних стратосферних хмар, які в поєднанні з полярними вихорами виступають каталізаторами реакції розпаду озону, тобто просто вбивають озон.

Джерела руйнування

Серед руйнівників озонного шару можна виділити:

1) Фреони.

Озон руйнується під впливом сполук хлору, відомих як фреони, які також руйнуються під впливом сонячної радіації, звільняють хлор, що «відриває» від молекул озону «третій» атом. Хлор сполуки не утворює, але служить каталізатором «розриву». Таким чином, один атом хлору здатний "занапастити" багато озону. Вважається, що сполуки хлору можуть залишатися в атмосфері від 50 до 1500 років (залежно від складу речовини) Землі. Спостереження за озоновим шаром планети проводилися антарктичними експедиціями із середини 50-х.

Озонова діра над Антарктидою, що збільшується навесні і зменшується до осені, була виявлена ​​в 1985 році. Відкриття метеорологів викликало низку наслідків економічного характеру. Справа в тому, що в існуванні «дірки» було звинувачено хімічну промисловість, яка виробляє речовини, що містять фреони, що сприяють руйнуванню озону (від дезодорантів до холодильних установок). У питанні про те наскільки людина винна в освіті «озонових дірок» - єдиної думки немає. З одного боку - так, безумовно, винен. Виробництво сполук, що призводять до руйнування озону, слід звести до мінімуму, а краще взагалі припинити. Тобто відмовитися від цілого сектора промисловості, з оборотом у багато мільярдів доларів. А якщо не відмовитись – то перевести її на «безпечні» рейки, що теж коштує грошей.

Погляд скептиків: людське впливом геть атмосферні процеси, за всієї його руйнівності у локальному плані, у планетарному масштабі - мізерно. Антифреонова кампанія «зелених» має цілком прозоре економічне та політичне підґрунтя: за її допомогою великі американські корпорації (Дюпон, наприклад), душать своїх зарубіжних конкурентів, нав'язуючи угоди щодо "охорони" довкілля" на державному рівні і насильно запроваджуючи новий технологічний виток, який слабші в економічному відношенні держави витримати не в змозі.

2)Висотні літаки

Руйнування озонного шару сприяють не тільки фреони, що виділяються в атмосферу і потрапляють в стратосферу. До руйнування озонного шару причетні й оксиди азоту, що утворюються під час ядерних вибухів. Але оксиди азоту утворюються і камерах згоряння турбореактивних двигунів висотних літаків. Окиси азоту утворюються з азоту та кисню, які там знаходяться. Швидкість утворення оксидів азоту тим більша, чим вище температура, тобто чим більша потужність двигуна. Важлива не тільки потужність двигуна літака, а й висота, на якій він літає і випускає окисли азоту, що руйнують озон. Чим вище утворюється окис або закис азоту, тим згубніший для озону. Загальна кількістьокису азоту, що викидається в атмосферу на рік, оцінюється в 1 млрд. т. Приблизно третина цієї кількості викидається літаками вище за середній рівень тропопаузи (11 км). Щодо літаків, то найбільш шкідливими є викиди військових літаків, кількість яких обчислюється десятками тисяч. Вони літають здебільшого на висотах озонного шару.

3) Мінеральні добрива

Озон у стратосфері може зменшуватись і за рахунок того, що в стратосферу потрапляє закис азоту N 2 O, який утворюється при денітрифікації пов'язаного ґрунтовими бактеріями азоту. Таку ж денітрифікацію зв'язаного азоту виробляють і мікроорганізми в верхньому шаріокеанів та морів. Процес денітрифікації безпосередньо пов'язаний з кількістю зв'язаного азоту у ґрунті. Таким чином, можна бути впевненим у тому, що зі зростанням кількості мінеральних добрив, що вносяться в грунт, такою самою мірою збільшуватиметься і кількість утвореного закису азоту N 2 O. Далі, з закису азоту утворюються оксиди азоту, які і призводять до руйнування стратосферного озону.

4) Ядерні вибухи

При ядерних вибухах виділяється дуже багато енергії як тепла. Температура дорівнює 6000 0 С встановлюється вже через кілька секунд після ядерного вибуху. Це енергія вогняної кулі. У сильно нагрітій атмосфері відбуваються такі перетворення хімічних речовин, які за нормальних або не відбуваються, або протікають дуже повільно. Що стосується озону, його зникнення, то найбільш небезпечними для нього є оксиди азоту, що утворюються при цих перетвореннях. Так, за період з 1952 по 1971 р. в результаті ядерних вибухів в атмосфері утворилося близько 3 млн т окислів азоту. Подальша доляїх така: вони внаслідок перемішування атмосфери потрапляють різні висоти, зокрема й у атмосферу. Там вони вступають у хімічні реакції за участю озону, призводячи до його руйнування.

5) Спалювання палива.

Закис азоту можна знайти і в димових газах електростанцій. Власне, про те, що окис та двоокис азоту присутні у продуктах згоряння, було відомо давно. Але ці вищі оксиди не впливають на озон. Вони, звичайно, забруднюють атмосферу, сприяють утворенню в ній смогу, але досить швидко віддаляються з тропосфери. Закис азоту, як уже говорилося, небезпечний для озону. При низьких температурахвона утворюється у таких реакціях:

N 2 + O + M = N 2 O + M,

2NH 3 + 2O 2 =N 2 O = 3H 2 .

Масштаб цього явища дуже значний. Таким шляхом в атмосфері щорічно утворюється приблизно 3 млн т закису азоту! Ця цифра свідчить, що це джерело руйнування озону.

Висновок: Джерелами руйнування є: фреони, висотні літаки, мінеральні добрива, ядерні вибухиспалювання палива.

Парниковий ефект

Парниковий ефект – підвищення температури нижніх шарів атмосфери планети через накопичення парникових газів. Механізм його такий: сонячні променіпроникають у повітря, нагрівають поверхню планети. Теплове випромінювання, яке походить від поверхні, має повернутися в космос, але нижній шар атмосфери занадто щільний для їх проникнення. Причина цього – парникові гази. Теплові промені затримуються у атмосфері, підвищують її температуру.

Історія досліджень парникового ефекту

Вперше про явище заговорили 1827 року. Тоді з'явилася стаття Жана Батіста Жозефа Фур'є "Записка про температури земної кулі та інших планет", де він докладно виклав свої уявлення про механізм парникового ефекту та причини його появи на Землі. У своїх дослідженнях Фур'є спирався як на власні експерименти, а й у судження М. Де Соссюра. Останній проводив досліди із зачорненою зсередини скляною посудиною, закритою та поставленою під сонячне світло. Температура всередині судини була набагато вищою, ніж зовні. Це пояснюється таким фактором: теплове випромінювання не може пройти крізь затемнене скло, а отже, залишається всередині ємності. При цьому сонячне світло сміливо проникає через стінки, оскільки зовні посудина залишається прозорою.

Причини виникнення

Природа явища пояснюється різною прозорістю атмосфери для випромінювання з космосу та поверхні планети. Для сонячних променів атмосфера планети прозора, як скло, тому вони легко проходять крізь неї. А для теплового випромінювання нижні шари атмосфери непробивні, занадто щільні для проходження. Тому частина теплового випромінювання залишається в атмосфері, поступово опускаючись до найнижчих її шарів. При цьому кількість парникових газів, що ущільнює атмосферу, зростає. Ще у школі нас вчили, що основна причина парникового ефекту – діяльність людини. Еволюція привела нас до промисловості, ми спалюємо тонни вугілля, нафти та газу, отримуємо паливо, дороги заповнені автомобілями. Наслідок цього – виділення парникових газів та речовин в атмосферу. Серед них – водяна пара, метан, вуглекислий газ, оксид азоту. Чому їх так названо, зрозуміло. Поверхня планети нагрівається сонячним промінням, але обов'язково «віддає» частину тепла назад. Теплове випромінювання, яке походить від поверхні Землі, називається інфрачервоним. Парникові гази в нижній частині атмосфери не дають тепловим променям повернутися до космосу, затримують їх. Внаслідок цього середня температура планети збільшується, і це веде до небезпечним наслідкам. Невже нічого не може врегулювати кількість парникових газів в атмосфері? Звісно, ​​може. З цим завданням чудово справляється кисень. Але біда - кількість населення планети невблаганно зростає, а значить, поглинається все більше кисню. Єдиний наш порятунок – рослинність, особливо ліси. Вони поглинають надлишковий вуглекислий газ, виділяють набагато Велика кількістькисню, чим споживають люди.

Парниковий ефект та клімат Землі

Коли ми говоримо про наслідки парникового ефекту, ми розуміємо його вплив на клімат Землі. Насамперед - це глобальне потепління. Багато хто ототожнює поняття «парниковий ефект» та «глобальне потепління», але вони не рівні, а взаємопов'язані: перше – причина другого. Глобальне потепліннябезпосередньо пов'язане зі Світовим океаном. Ось приклад двох причинно-наслідкових зв'язків. Середня температура планети зростає, рідина починає випаровуватися. Це стосується і Світового океану: деякі вчені бояться, що за кілька сотень років він почне «висихати». При цьому через високої температурильодовики та морські льодипочнуть активно танути вже найближчим часом. Це спричинить неминуче зростання рівня Світового океану. Ми вже спостерігаємо регулярні потопи в прибережних районах, але якщо рівень Світового океану суттєво зросте, затоплять усі наближені ділянки суші, загине врожай.

Вплив життя людей

Не варто забувати, що підвищення середньої температуриЗемлі позначиться і нашому житті. Наслідки можуть бути дуже серйозними. Багато територій нашої планети, і так схильні до посухи, стануть абсолютно життєздатними, люди почнуть масово мігрувати в інші регіони. Це неминуче призведе до соціально-економічних проблем, до початку третьої та четвертої світових воєн. Нестача продовольства, знищення врожаїв – ось що чекає на нас у найближче століття. Але чи обов'язково чекає? Чи таки можна щось змінити? Чи може людство понизити шкоду від парникового ефекту? Болотисті землі здатні запобігати парниковому ефекту. велике болотоу світі, Васюганське.

Дії, здатні врятувати Землю

На сьогоднішній день відомі всі шкідливі фактори, які призводять до накопичення парникових газів, і ми знаємо, що потрібно робити, щоб зупинити це. Не варто думати, що одна людина нічого не змінить. Звичайно, ефекту може добитися тільки все людство, але хто знає – може ще сотня людей в цей момент читає подібну статтю? Збереження лісів Зупинка вирубування лісів. Рослини – наш порятунок! Крім того, потрібно не лише зберігати існуючі ліси, а й активно висаджувати нові. Зрозуміти цю проблему має кожна людина. Фотосинтез настільки сильний, що здатний забезпечити нас величезною кількістю кисню. Його вистачить для нормального життя людей та усунення шкідливих газів з атмосфери. Використання електромобілів Відмова від використання автомобілів на паливі. Кожен автомобіль виділяє величезну кількість парникових газів на рік, то чому б не зробити вибір на користь здоров'я навколишнього середовища? Вчені вже пропонують нам електромобілі – екологічно чисті машини, які не використовують паливо. Мінус "паливний" автомобіль - ще один крок до усунення парникових газів. У всьому світі намагаються прискорити цей перехід, але поки що сучасні розробки таких машин далекі від досконалості. Навіть у Японії, де найбільше використання таких автомобілів, не готові повністю переходити на їхнє використання. Альтернатива вуглеводневому паливу Винахід альтернативної енергії. Людство не стоїть на місці, то чому ж ми «застрягли» на використанні вугілля, нафти та газу? Спалювання цих природних компонентів призводить до накопичення парникових газів в атмосфері, тому час перейти на екологічно чистий вигляденергії. Ми не можемо повністю відмовитися від того, що виділяє шкідливі гази. Проте ми можемо сприяти збільшенню кисню в атмосфері. Не тільки справжній чоловікмає посадити дерево – це має зробити кожна людина! Що головне у вирішенні будь-якої проблеми? Не заплющувати на неї очі. Можливо ми не помічаємо шкоди від парникового ефекту, але це точно помітять наступні покоління. Ми можемо припинити спалювати вугілля та нафту, зберегти природну рослинністьпланети, відмовитися від звичайного автомобіля на користь екологічно чистого – і все для чого? Для того, щоб наша Земля існувала і після нас

Озонові діри

Озонова діра - локальне падіння концентрації озону в озоновому шарі Землі

Всім відомо, що нашу планету огортає досить щільний озоновий шар, що знаходиться на висоті 12-50 км над поверхнею землі. Цей повітряний прошарок є надійним захистомвсього живого від небезпечного ультрафіолету і дозволяє уникнути згубного впливу сонячного випромінювання.

Саме завдяки озоновому шару колись мікроорганізми зуміли вибратися з океанів на сушу та сприяли появі високорозвинених форм життя. Однак з початку XX століття озоновий прошарок почав руйнуватися, внаслідок чого в деяких місцях стратосфери почали з'являтися озонові дірки.

Що таке озонові дірки?

Всупереч поширеній думці обивателів, що озонова діра є брехнею в небесному просторі, насправді вона є ділянкою значного зниження рівня озону в стратосфері. У таких місцях ультрафіолетовим променям легше проникати до поверхні планети і надавати свій руйнівний вплив на все, що живе на ній.

На відміну від місць із нормальною концентрацією озону у дірах вміст «блакитної» речовини становить лише близько 30 %.

Де знаходяться озонові дірки?

Першу велику озонову дірку було виявлено над Антарктидою в 1985 році. Її діаметр становив близько 1000 км, причому вона з'являлася щороку серпні, а початку зими зникала. Тоді дослідники визначили, що концентрацію озону над материком знижено на 50 %, а найбільше його зменшення було зафіксовано на висотах від 14 до 19 км.
Згодом ще одна велика дірка (менших розмірів) була виявлена ​​над Арктикою, зараз же вченим відомі сотні подібних явищ, хоча найбільшою, як і раніше, залишається та, що виникає над Антарктидою.

Озон міститься у газоподібних відходах, що викидаються підприємствами, та є небезпечним хімікатом. Він є дуже активним елементом і може викликати корозію елементів конструкцій усіляких споруд. Тим не менш, в атмосфері озон перетворюється на неоціненного помічника, без якого життя на Землі могло б просто не існувати.

Стратосферою називається який слідує за тим, у якому живемо ми. Верхню її частину покриває озон, його вміст у цьому шарі – 3 молекули на 10 млн. інших молекул повітря. Незважаючи на те, що концентрація дуже низька, озон виконує найважливішу функцію- він здатний перегороджувати шлях ультрафіолетових променів, що надходять із космосу одночасно із сонячним світлом. Промені ультрафіолету негативно впливають на структуру живих клітин і можуть спричинити розвиток таких захворювань, як катаракта очей, рак та інші серйозні недуги.

В основі захисту лежить наступний принцип. У той момент, коли на шляху ультрафіолетових променів зустрічаються молекули кисню, виникає реакція їхнього розщеплення на 2 атоми кисню. Атоми, що утворилися, об'єднуються з нерозщепленими молекулами, створюючи молекули озону, що складаються з 3-х атомів кисню. При зустрічі з молекулами озону останні руйнують їх на три атоми кисню. Момент розщеплення молекул супроводжується виділенням тепла, а поверхні Землі вони не досягають.

Озонові діри

Процес перетворення кисню на озон і навпаки називають киснево-озоновим циклом. Його механізм збалансований, однак, динамічність змінюється залежно від інтенсивності сонячного випромінювання, сезону та природних катаклізмів, зокрема, вчені зробили висновок, що людська життєдіяльність негативно впливає на його товщину. Виснаження озонового шару було зареєстровано за останні десятиліття у багатьох місцях. В окремих випадках він зник повністю. Як знизити негативний вплив людини на зазначений цикл?

Озонові дірки виникають через те, що процес руйнування захисного шару протікає набагато інтенсивніше, ніж його генерація. Це тим, що у процесі людської життєдіяльності атмосфера забруднюється різними озоноразрушающими сполуками. Це насамперед хлор, бром, фтор, вуглець і водень. Вчені вважають, що хлорфторвуглецеві сполуки становлять основну загрозу озоновому шару. Вони широко застосовуються в холодильних установках, промислових розчинниках, кондиціонерах та аерозольних балончиках.

Хлор, досягаючи озонового шару, вступає у взаємодію. Хімічна реакціяпороджує молекулу кисню. При зустрічі оксиду хлору з вільним атомом кисню виникає ще одна взаємодія, в результаті якої звільняється хлор, і з'являється молекула кисню. Надалі ланцюжок повторюється, тому що хлор не здатний вийти за межі атмосфери або опуститись на землю. Озонові дірки - це наслідок того, що знижується концентрація даного елемента через його прискорене розщеплення з появою його шарі сторонніх чужорідних складових.

Місця локалізації

Найбільші озонові дірки виявлені над Антарктикою. Розмір їх практично відповідають площі континенту. Цей район практично не населений, але вчені висловлюють побоювання, що пролом може поширитися на інші області планети, інтенсивно заселені. Це загрожує і загибеллю Землі.

Для запобігання зменшенню озонового шару необхідно в першу чергу знизити кількість руйнівних речовин, що викидаються в атмосферу. 1987 року було підписано Монреальський договір у 180 країнах, який передбачає зниження викиду речовин, що містять хлор, у поетапному режимі. Наразі вже озонові дірки зменшуються, і вчені висловлюють надію, що ситуація повністю виправиться до 2050 року.

Озонові дірки – «діти» стратосферних вихорів

Хоча озону в сучасній атмосфері небагато - не більше однієї тримільйонної від інших газів, - роль його надзвичайно велика: він затримує жорстке ультрафіолетове випромінювання (короткохвильову частину сонячного спектру), що руйнує білки і нуклеїнові кислоти. Крім того, стратосферний озон – важливий кліматичний фактор, Що визначає короткострокові та локальні зміни погоди.

Швидкість реакцій деструкції озону залежить від каталізаторів, у ролі яких можуть виступати як природні атмосферні окисли, так і речовини, що потрапляють в атмосферу внаслідок природних катаклізмів (наприклад, потужних вивержень вулканів). Однак у другій половині минулого століття було виявлено, що каталізаторами реакцій руйнування озону можуть служити речовини промислового походження, І людство не на жарт стурбувалося ...

Озон (О 3) є порівняно рідкісною молекулярною формою кисню, що складається з трьох атомів. Хоча озону в сучасній атмосфері трохи - не більше однієї тримільйонної від інших газів, - роль його надзвичайно велика: він затримує жорстке ультрафіолетове випромінювання (короткохвильову частину сонячного спектру), що руйнує білки та нуклеїнові кислоти. Тому до появи фотосинтезу – і, відповідно, вільного кисню та озонового шару в атмосфері – життя могло існувати лише у воді.

Крім того, стратосферний озон – важливий кліматичний фактор, що визначає короткострокові та локальні зміни погоди. Поглинаючи сонячне випромінювання та передаючи енергію іншим газам, озон нагріває стратосферу і цим регулює характер планетарних теплових і циркулярних процесів у всій атмосфері.

Нестійкі молекули озону в природних умовутворюються і розпадаються під дією різних факторів живої та неживої природи, причому під час тривалої еволюції цей процес дійшов деякого динамічного рівноваги. Швидкість реакцій деструкції озону залежить від каталізаторів, у ролі яких можуть виступати як природні атмосферні окисли, так і речовини, що потрапляють в атмосферу внаслідок природних катаклізмів (наприклад, потужних вивержень вулканів).

Однак у другій половині минулого століття було виявлено, що каталізаторами реакцій руйнування озону можуть також служити речовини промислового походження, і людство не на жарт стурбувалося. Особливо суспільна думкасхвилювало відкриття над Антарктидою так званої озонової «дірки».

«Дірка» над Антарктидою

Помітне зменшення озонового шару над Антарктидою - озонову дірку - вперше виявили ще 1957 р., у Міжнародний геофізичний рік. Справжня історія її почалася через 28 років зі статті в травневому номері журналу Nature, де було висловлено припущення, що причиною аномального весняного мінімуму ВЗГ над Антарктидою є промислове (у тому числі і фреонами) забруднення атмосфери (Farman та ін., 1985).

Було встановлено, що озонова дірка над Антарктидою виникає зазвичай раз на два роки, що тримається близько трьох місяців, а потім зникає. Вона є не наскрізним отвір, як може здатися, а поглиблення, тому більш правильно говорити про «провисання озонового шару». На жаль, усі подальші дослідження озонової діри переважно були спрямовані на доказ її антропогенного походження (Roan, 1989).

Сьогодні існують різні гіпотези щодо хімічних та динамічних механізмів утворення озонових дірок. Однак у хімічну антропогенну теорію не вкладається багато відомих фактів. Наприклад, зростання вмісту стратосферного озону в окремих географічних регіонах.

Ось найбільш «наївне» питання: чому дірка утворюється в південній півкуліхоча фреони виробляються в північному, при тому що невідомо, чи є в цей час повітряне сполучення між півкулями?

Жодна з існуючих теорій не спирається на детальні широкомасштабні вимірювання ВЗГ та дослідження процесів, що відбуваються в стратосфері. Відповісти на питання про ступінь ізольованості полярної стратосфери над Антарктидою, як і на низку інших питань, пов'язаних із проблемою утворення озонових дірок, вдалося лише за допомогою нового методу стеження за рухами повітряних потоків, запропонованого В. Б. Кашкіним (Кашкін, Сухінін, 2001); Кашкін та ін., 2002).

Повітряні потоки в тропосфері (до висоти 10 км) з давніх-давен простежували, спостерігаючи за поступальними і обертальними переміщеннями хмар. Озон, по суті, також є величезною «хмарою» над усією поверхнею Землі, і за змінами її щільності можна судити про рух повітряних мас вище 10 км, - так само, як ми дізнаємося напрям вітру, дивлячись на хмарне небо в похмурий день. Для цього щільність озону слід вимірювати в точках просторової решітки з певним часовим інтервалом, наприклад, кожні 24 години. Простеживши, як змінилося поле озону, можна оцінити кут його повороту за добу, напрямок та швидкість руху.

За допомогою нового методу було досліджено динаміку озонового шару у 2000 р., коли над Антарктидою спостерігалася рекордно велика озонова діра (Kashkin та ін., 2002). Для цього використовувалися супутникові дані про щільність озону по всій південній півкулі, від екватора до полюса. В результаті було встановлено, що вміст озону мінімально в центрі вирви так званого циркумполярного вихору, який утворився над полюсом, на чому ми докладно зупинимося нижче. На основі цих даних була висунута гіпотеза природного механізму утворення озонових «дір».

Глобальна динаміка стратосфери: гіпотеза

Циркумполярні вихори утворюються під час руху стратосферних повітряних мас у меридіональному та широтному напрямках. Як це відбувається? На теплому екваторі стратосфера вища, а на холодному полюсі – нижча. Повітряні потоки (разом з озоном) скочуються зі стратосфери як із гірки, і рухаються все швидше від екватора до полюса. Рух із заходу Схід відбувається під впливом сили Коріоліса, що з обертанням Землі. В результаті потоки повітря як би намотуються, як нитки на веретено, на південну та північну півкулі.

«Веретено» повітряних мас обертається протягом усього року в обох півкулях, але більш виражено в кінці зими і на початку весни, тому що висота стратосфери на екваторі майже не змінюється протягом року, а на полюсах вона вища влітку і нижче взимку, коли там особливо холодно.

Шар озону у середніх широтах створюється за рахунок потужного припливу з екватора, а також внаслідок фотохімічних реакцій, що відбуваються на місці. А ось озон у районі полюса зобов'язаний своїм походженням в основному надходженню з екватора та середніх широт, і його зміст там досить низький. Фотохімічні реакції на полюсі, куди сонячні промені падають під малим кутом, йдуть повільно, а значна частина озону, що надходить з екватора, встигає зруйнуватися в дорозі.

Але повітряні маси рухаються не завжди. У найхолодніші зими, коли стратосфера над полюсом дуже низько опускається над поверхнею Землі і «гірка» стає особливо крутою, ситуація змінюється. Стратосферні потоки скочуються так швидко, що виникає ефект, знайомий кожному, хто спостерігав, як вода стікає через отвір у ванні. Досягши певної швидкості, вода починає швидко обертатися, а навколо отвору утворюється характерна вирва, що створюється відцентровою силою.

Щось подібне відбувається і у глобальній динаміці стратосферних потоків. Коли потоки стратосферного повітря набирають досить велику швидкість, відцентрова сила починає віджимати їх від полюса до середніх широт. В результаті повітряні маси рухаються від екватора і від полюса назустріч один одному, що призводить до формування швидко обертається «валу» вихору в області середніх широт.

Обмін повітрям між екваторіальною та полярною областями припиняється, озон з екватора та із середніх широт на полюс не надходить. Крім того, озон, що залишився на полюсі, як у центрифузі, віджимається до середніх широт відцентровою силою, оскільки він важчий за повітря. Через війну концентрація озону всередині воронки різко падає - над полюсом утворюється озоновая «дірка», а середніх широтах - область високого вмісту озону, відповідна «валу» циркумполярного вихору.

Навесні антарктична стратосфера прогрівається і піднімається вище – лійка зникає. Повітряне сполучення між середніми та високими широтами відновлюється, до того ж прискорюються фотохімічні реакції утворення озону. Озонова діра зникає до нової особливо холодної зими на Південному полюсі.

А що в Арктиці?

Хоча динаміка стратосферних потоків і, відповідно, озонового шару в північній та південній півкулях загалом схожа, озонова діра іноді виникає лише над Південним полюсом. Над Північним полюсом озонових дірок не виникає, оскільки зими там м'якше і стратосфера ніколи не опускається настільки низько, щоб повітряні потоки набрали швидкості, необхідної для утворення вирви.

Є ще одна важлива відмінність. У південній півкулі циркумполярний вихор обертається майже вдвічі швидше, ніж у північній. І це не дивно: Антарктида оточена морями та навколо неї існує циркумполярне морська течія- по суті, разом обертаються гігантські маси води та повітря. Інша картина у північній півкулі: у середніх широтах там знаходяться материки з гірськими хребтами, і тертя повітряної масио земну поверхнюне дозволяє циркумполярному вихору набрати досить велику швидкість.

Однак у середніх широтах північної півкулі іноді з'являються невеликі озонові діри іншого походження. Звідки вони беруться? Рух повітря в стратосфері середніх широт гористої північної півкулі нагадує рух води в дрібному струмку з кам'янистим дном, коли на поверхні води утворюються численні вири. У середніх широтах північної півкулі роль рельєфу поверхні дна грають перепади температур на межі континентів та океанів, гірських масивів та рівнин.

Різка зміна температури лежить на поверхні Землі призводить до формування у тропосфері вертикальних потоків. Стратосферні вітри, натрапляючи на ці потоки, створюють вихори, які можуть обертатися в обох напрямках з рівною ймовірністю. Усередині них з'являються області зі зниженим вмістом озону, тобто озонові дірки, які набагато менші за розміром, ніж на Південному полюсі. І слід зазначити, що такі вихори з різними напрямками обертання були виявлені за першої ж спроби.

Таким чином, динаміка стратосферних повітряних потоків, яку ми простежили, спостерігаючи за хмарою озону, дозволяє дати правдоподібне пояснення механізму утворення озонової дірки над Антарктидою. Очевидно, подібні зміни озонового шару, зумовлені аеродинамічні явища в стратосфері, мали місце задовго до появи людини.

Все вищесказане зовсім не означає, що фреони та інші гази промислового походження не надають руйнівної дії на озоновий шар. Проте вченим ще належить з'ясувати, яким є співвідношення природних і антропогенних факторів, що впливають на утворення озонових дірок, - робити поспішні висновки у таких важливих питаннях неприпустимо.