Озоновый слой: как устроена защита Земли от ультрафиолета

Земля защищена от солнечного ультрафиолета тонкой газовой прослойкой в стратосфере — озоновым слоем. Он расположен на высоте от 15 до 35 километров и поглощает большую часть жёсткого излучения ещё до того, как оно достигает поверхности. Несколько десятилетий промышленной химии пробили в этом щите заметные бреши — и то, что произошло потом, стало одним из редких случаев, когда человечество всё же успело среагировать.

Что такое озон и где он находится

Озон — это молекула из трёх атомов кислорода (O3). В нижних слоях атмосферы он образуется в результате фотохимических реакций при участии выхлопных газов и промышленных выбросов, и в таком виде он действительно вреден: раздражает дыхательные пути, угнетает рост растений и является одним из компонентов городского смога. Но это приземный озон.

В стратосфере — от 15 до 35 километров над землёй — озон существует в совершенно других условиях и выполняет противоположную функцию. Там он образуется естественным путём под действием солнечного излучения и поглощает ультрафиолет типа УФ-Б и УФ-С, не давая им достичь поверхности. УФ-С задерживается полностью, УФ-Б — частично. Именно та часть УФ-Б, которая всё же проходит сквозь слой, вызывает загар, а при длительном воздействии — ожоги и повреждения ДНК.

Концентрация озона в стратосфере невысока: если собрать весь озоновый слой и сжать до давления у поверхности Земли, получится пласт толщиной всего около 3 миллиметров. Но этого достаточно, чтобы перехватывать излучение, которое иначе делало бы жизнь на суше значительно труднее.

Озоноразрушающие вещества: откуда они взялись

С середины XX века в производстве широко распространились хлорфторуглероды — соединения, которые казались почти идеальными: стабильные, нетоксичные, негорючие. Их использовали в холодильниках, кондиционерах, аэрозольных баллончиках и пенопластовых упаковках. Проблема обнаружилась позже: попав в атмосферу, эти молекулы не разрушаются в тропосфере — они слишком устойчивы для этого. Годами, а иногда и десятилетиями они медленно поднимаются в стратосферу.

Там под действием жёсткого ультрафиолета хлорфторуглероды распадаются и высвобождают атомы хлора. Один атом хлора способен разрушить до 100 000 молекул озона, прежде чем сам выйдет из реакции. Аналогичным образом работают и бромсодержащие соединения — галоны, которые применялись в огнетушителях.

Помимо хлорфторуглеродов (ХФУ), к озоноразрушающим веществам относятся гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), бромистый метил, использовавшийся как пестицид, и четырёххлористый углерод. У каждого своя «озоноразрушающая способность» — измеримая величина, показывающая, насколько эффективно конкретное вещество уничтожает стратосферный озон по сравнению с эталонным ХФУ-11.

Антарктическая дыра и что она показала

В 1985 году британские учёные зафиксировали над Антарктидой резкое сезонное истощение озонового слоя. Слово «дыра» здесь не вполне точное — речь идёт не о физическом отверстии, а о зоне, где концентрация озона весной падает на 60–70% относительно нормы. Площадь этой зоны в отдельные годы превышала площадь Антарктиды.

Антарктида оказалась особенно уязвимой из-за полярного вихря — устойчивого кругового течения в стратосфере, которое зимой изолирует воздух над материком. В таких условиях образуются полярные стратосферные облака, на поверхности которых реакции с участием хлора идут особенно интенсивно. Когда весной возвращается солнце, разрушение озона резко ускоряется.

Аналогичный, хотя и менее выраженный процесс наблюдается в Арктике.

Озоновый слой восстанавливается, однако этот процесс не идёт равномерно. Периодически фиксируются новые промышленные выбросы запрещённых веществ — и каждый такой эпизод отодвигает расчётные сроки восстановления. Подробнее об этом — в материале Озоновый слой восстанавливается, но утечки из промышленности тормозят процесс.

Монреальский протокол и восстановление слоя

В 1987 году был принят Монреальский протокол — международное соглашение, обязавшее страны поэтапно отказаться от производства и использования озоноразрушающих веществ. К нему присоединились почти все государства мира, и это сделало его одним из наиболее универсально ратифицированных экологических договоров в истории.

Производство ХФУ к началу 2000-х годов было практически прекращено. Их заменили гидрофторуглероды (ГФУ), которые не разрушают озон, — хотя впоследствии выяснилось, что многие из них являются мощными парниковыми газами. Это привело к принятию в 2016 году Кигалийской поправки к Монреальскому протоколу, нацеленной на сокращение уже ГФУ.

Озоновый слой восстанавливается — медленно, но измеримо. По данным Всемирной метеорологической организации, антарктическая озоновая дыра сократилась по сравнению с максимумами конца 1990-х годов. Согласно оценкам, при сохранении действующих мер слой над средними широтами полностью восстановится приблизительно к 2040 году, над Арктикой — к 2045-му, над Антарктидой — к 2066-му.

Одна деталь, которая в этой истории остаётся неудобной: даже если производство озоноразрушающих веществ прекратить полностью сегодня, уже накопленные в атмосфере молекулы продолжат разрушать озон ещё десятилетия — время их жизни в стратосфере измеряется от десятков до сотен лет.

Рост ультрафиолетового излучения, который фиксировался в 1980–90-е годы, был связан с повышением заболеваемости раком кожи и катарактой, а также с угнетением фитопланктона — микроорганизмов, на которых держатся пищевые цепи в океане. О том, как именно ультрафиолет действует на живые организмы, читайте в отдельном материале об ультрафиолетовых лучах.