Товщина озонового шару: вимірювання, варіації та її значення

Озоновий шар є однією з найцікавіших та найактуальніших тем у сучасній екологічній науці. Хоча на перший погляд це може здатися справою, яку прерогативу надають лише вчені та метеорологи, його товщина, варіації та важливість його збереження мають прямий вплив на повсякденне життя кожного з нас. Від захисту від ультрафіолетового випромінювання до його впливу на здоров'я людини та екосистеми, розуміння озонового шару має вирішальне значення для оцінки ризиків для планети та рішень, які ми можемо впровадити.

У наступних рядках ви зануритеся у вичерпну екскурсію, яка охоплює фізичну природу озонового шару, як його вимірюють та контролюють, основні загрози його цілісності, історичну еволюцію його стану, а також досягнення – і невирішені проблеми – у його захисті. Окрім огляду наукових основ, ви дізнаєтесь, як відбуваються зміни з часом і простором, які інструменти використовуються для їх вимірювання та, перш за все, чому потрібно зберігати цей газовий шар. має вирішальне значення для безперервності життя на Землі.

Що таке озоновий шар і чому він життєво важливий?

Озоновий шар — це область земної атмосфери, розташована переважно у стратосфері, де зосереджена найбільша кількість атмосферного озону. Цей газ, хімічна формула якого — O₃, складається з трьох атомів кисню та має унікальні властивості, що відрізняють його від звичайного кисню (O₂).

Він простягається приблизно від 15 до 40 кілометрів над поверхнею Землі, досягаючи найвищої концентрації близько 25 кілометрів. Однак, якби весь озон у стратосфері стиснути до атмосферного тиску, він утворив би дуже тонкий шар товщиною від 2 до 3 міліметрів, що є дивовижним фактом, враховуючи його значну захисну роль.

Основна функція озонового шару полягає у фільтрації та поглинанні більшої частини ультрафіолетового випромінювання (UV-B та UV-C), що надходить від Сонця. Без цього природного бар'єру шкідлива радіація безперешкодно досягала б поверхні Землі, спричиняючи руйнівні наслідки: збільшення кількості захворювань, таких як рак шкіри та катаракта, пошкодження врожаю, шкоду морському життю та порушення наземних та водних екосистем.

Саме існування життя на Землі, яким ми його знаємо, залежить від цього делікатного газового щита. Таким чином, будь-яка суттєва зміна його товщини або складу має прямий вплив на навколишнє середовище та здоров'я людини.

Утворення та руйнування стратосферного озону

Формування та руйнування озону в стратосфері – це динамічний процес, результат складних хімічних та фізичних балансів, що зумовлені головним чином сонячним ультрафіолетовим випромінюванням.

Озон утворюється, коли ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі менше 240 нм потрапляє на молекули кисню (O₂). Ця енергія «розбиває» молекули, розділяючи атоми, які потім з’єднуються з іншими молекулами кисню, утворюючи озон (O₃). Цей механізм був описаний Сідні Чепменом у 1930 році та відомий як цикл Чепмена.

Основну реакцію можна підсумувати наступним чином: сонячне світло розщеплює молекулярний кисень на окремі атоми, і ці атоми згодом рекомбінують з O.₂ для утворення озону (O₃). Озон, у свою чергу, може бути зруйнований ультрафіолетовим випромінюванням з нижчою специфічністю, вивільняючи молекулярний кисень та атоми кисню. Ця реакція туди-сюди підтримує природний баланс озонового шаруза умови відсутності зовнішніх перешкод.

Інші фактори, такі як наявність галогенованих сполук (наприклад, хлорфторвуглеців, ХФВ та галонів) або підвищений вміст оксиду азоту (NOx), можуть стимулювати каталітичні реакції, що прискорюють руйнування озонового шару.

У полярних регіонах, особливо під час антарктичної весни, виникає те, що ми знаємо як «озонова діра». У цих районах такі фактори, як низькі температури, формування полярних стратосферних хмар та накопичення галогенованих сполук, сприяють масовому сезонному руйнуванню шару.

Екологічне та медичне значення

Роль озонового шару у збереженні життя є важливою та незамінною. Поглинаючи понад 97% УФ-B випромінювання та майже все УФ-C випромінювання, запобігає потраплянню смертельних доз сонячної радіації на поверхню Землі. Таким чином, шар захищає живі істоти від:

• Рак шкіри: Вплив нефільтрованого ультрафіолетового випромінювання збільшує ризик розвитку меланоми та інших пухлин шкіри.
• Катаракта та ураження очей: Ультрафіолетове випромінювання може спричинити серйозні захворювання очей, навіть призвести до сліпоти.
• Імуносупресія: Існують докази того, що підвищений вплив УФ-B знижує ефективність імунної системи у людей і тварин.
• Зміни в екосистемах: Зменшення шару може вплинути на фотосинтез і змінити харчові ланцюги в морях, озерах, річках і лісах.
• Вплив на сільське господарство: Підвищена радіація негативно впливає на врожайність та якість сільськогосподарських культур.

Озоновий шар також відіграє важливу роль у кліматичній динаміці, оскільки поглинаючи ультрафіолетове випромінювання, сприяє потеплінню стратосфери та регулює глобальну температуру атмосфери.

Як вимірюється товщина та концентрація озонового шару?

«Товщина» озонового шару виражається не як пряма фізична товщина, а як міра кількості озону, присутнього вздовж вертикального стовпа атмосфери. Стандартною формою є одиниця Добсона (ОД), яка представляє кількість озону, що при стисканні за нормальних умов тиску та температури утворює шар товщиною 0,01 мм.

Середнє значення вмісту озону в атмосфері в світі вважається близько 300 DU, хоча існують варіації залежно від географічного розташування та пори року.. Наприклад, на полюсах (особливо під час антарктичної весни) значення можуть опускатися нижче 150-220 DU під час епізодів утворення озонових дір.

Вимірювання проводиться за допомогою спеціальних приладів:

• Спектрофотометри Добсона та Брюера: Це оптичні прилади, які вимірюють ультрафіолетове випромінювання Сонця до та після проходження через атмосферу. Таким чином, розраховується загальна концентрація озону в колоні.
• Озонові зонди: Це метеозонди, оснащені датчиками, які під час підйому реєструють дані про концентрацію озону залежно від висоти.
• Погодні супутники: Оснащені передовими датчиками, вони дозволяють створювати глобальне картографування та проводити історичний аналіз розподілу та еволюції озонового шару.

Метеорологічні та дослідницькі центри, такі як Державне метеорологічне агентство (AEMET) в Іспанії або обсерваторія Ісанья на Канарських островах, є міжнародними еталоном у сфері моніторингу атмосферного озону.. Ці установи працюють у мережі, обмінюючись даними по всьому світу та сприяючи оцінці стану шару в режимі реального часу.

Зміни товщини: природні та антропогенні причини

Товщина та концентрація озонового шару природним чином змінюються протягом року, між різними регіонами, а також через антропогенні фактори.

Природні причини включають:

• Широта та сезон: У полярних регіонах навесні часто фіксуються нижчі значення через специфічні фотохімічні процеси. Екваторіальні регіони, які отримують більше ультрафіолетового випромінювання, відчувають більше вироблення озону.
• Сонячна активність: Зміни сонячної радіації, сонячні цикли та виверження тимчасово впливають на утворення та руйнування озону.
• Метеорологічні процеси: Планетарні хвилі, полярні вихори та інші явища атмосферної циркуляції впливають на розподіл і перенесення стратосферного озону.
• Виверження вулканів: Викидання частинок і газів може точково зменшувати вміст озону кількома хімічними шляхами.

Основна загроза балансу озонового шару виходить від діяльності людини.. Тривале використання та викиди з середини 20-го століття галогенованих хімічних речовин, особливо ХФВ та галонів, Вони відповідають за прискорену втрату озонового шару у великих регіонах планети..

Ці речовини, потрапляючи в атмосферу, можуть роками досягати стратосфери, де ультрафіолетове випромінювання розщеплює їх, вивільняючи надзвичайно реакційноздатні атоми хлору та брому. Ці атоми Вони руйнують озон за допомогою каталітичних реакцій, в яких одна молекула може усунути до 100.000 XNUMX молекул O.₃ перед нейтралізацією.

Процес руйнування озону галогенованими сполуками

Каталітичне руйнування озону хлорованими та бромованими сполуками є найважливішим шляхом виснаження озонового шару в останні десятиліття. Молекули, відповідальні за це, в основному, є хлорфторвуглецями (ХФВ), гідрохлорфторвуглецями (ГХФВ), галонами, чотирихлористим вуглецем та метилхлороформом, серед інших.

Основний механізм полягає в тому, що, досягаючи стратосфери, ці речовини піддаються фотолізу під дією ультрафіолетового випромінювання, вивільняючи атоми хлору або брому. Згодом вони беруть участь у циклічних реакціях з озоном:

• Атом хлору реагує з молекулою озону, утворюючи монооксид хлору (ClO) та молекулярний кисень.
• Монооксид хлору реагує з атомом кисню, знову вивільняючи хлор і замикаючи цикл.

Аналогічно, бромовані сполуки, такі як галони та метилбромід, діють за схожими шляхами і насправді є навіть ефективнішими для руйнування озону. Один атом брому може бути до 45 разів ефективнішим за атом хлору.

Реакції посилюються в полярних регіонах взимку та навесні через наявність полярних стратосферних хмар. Ці хмари забезпечують поверхні для перетворення зазвичай неактивних сполук на високоактивні види, готові руйнувати озоновий шар, коли сонячна радіація повернеться наприкінці зими.

Феномен озонової діри

«Озонова діра» — це регіон, переважно над Антарктидою, де загальний вміст озону падає нижче 220 DU протягом південної весни (з серпня по листопад).

Це явище було вперше виявлено в 70-х і 80-х роках за допомогою польових та супутникових спостережень. Його поява та еволюція пов'язані з:

• Атмосферна ізоляція від полярного вихору: Протягом зими в південній півкулі струменевий потік відділяє антарктичне повітря від решти планети, що дозволяє накопичуватися низьким температурам і формувати полярні стратосферні хмари.
• Наявність галогенованих сполук: На поверхні полярних хмар вони перетворюються на високореактивні форми, які ініціюють інтенсивне руйнування, щойно з'являється сонячне світло.

Площа озонової діри в деякі роки сягала понад 25-29 мільйонів квадратних кілометрів, що більш ніж удвічі перевищує площу поверхні континенту Антарктика. Хоча це явище найбільш інтенсивне над Антарктидою, менш виражені епізоди також спостерігалися в Арктиці.

Вплив цього явища викликав особливе занепокоєння в південних регіонах, таких як Аргентина та Чилі, де підвищене ультрафіолетове випромінювання спричинило загрозу здоров'ю, пошкодження врожаю та шкоду дикій природі.

Історична еволюція, спостереження та відновлення

З моменту появи перших ознак прискореного руйнування в 70-х роках міжнародна наукова спільнота, урядові установи та багатосторонні організації активізували моніторинг та вивчення стану озонового шару.

Моніторинг здійснюється через:

• Мережі спектрофотометрів та озонових зондів: Розподілені по всьому світу, вони збирають дані в режимі реального часу та є частиною міжнародних консорціумів, таких як Всесвітній центр даних з озонового шару та ультрафіолетового випромінювання (WOUDC).
• Погодні супутники: Вони дозволяють проводити глобальний та детальний моніторинг шару, виявляти тенденції, сезонні аномалії та еволюцію озонових дір.
• Регіональні дослідницькі центри: Як-от обсерваторія Ісанья (Іспанія), яка проводить калібрувальні кампанії та впроваджує передові технології вимірювання озонового шару.

Іспанія виділяється в Європі своєю мережею інструментів та ініціатив, такими як співкерівництво мережею EUBREWNET, що займається наданням послідовних, високоякісних даних про озоновий шар та ультрафіолетове випромінювання. Крім того, він має понад двадцять п'ять вимірювальних станцій та систему прогнозування ультрафіолетового індексу для всіх муніципалітетів країни.