Что же будет с озоновым экраном?

Когда речь заходит об озоновом слое, то у многих это ассоциируется с фреоном. Дескать летучие фторуглеродные соединения, широко применяемые в технике и быту могут разрушать «озоновый щит». Однако между «могут разрушать» и «разрушают» есть большая разница.

Основная масса озона находится на высотах от 10 до 50 км, а максимум на высоте около 26 км. О защитных свойствах озонового слоя в земной атмосфере ученые говорили давно. В 1879 году французский физик Мари Альфред Корню обнаружил, что озон сильно поглощает УФ-излучение ниже 300 нм. В 1881 году Уолтер Харли выдвинул гипотезу о наличии озона в атмосфере. В 6 номере журнала «Техника — молодежи» за 1949 год уже писали:

Рядом с ним —прибор, регистрирующий ультрафиолетовые лучи солнца. Эти лучи достигают поверхности Земли, но, пронизывая атмосферу, они ослабевают. Слой озона на больших высотах защищает Землю от наиболее энергичной ультрафиолетовой части солнечного спектра. Высотная ракета оставит под собой почти всю атмосферу и доставит прибор туда, где ультрафиолетовые лучи действуют в полную силу.[1]

Тем не менее, особо никто не потрудился даже описать механизм «озоновой защиты». Например, что значит поглощает? Наполняется что-ли как губка?

Мы настолько привыкли к словосочетанию «защитный озоновый слой», что даже не задумываемся о том, как это все устроено и происходит. Ученые сказали? Но ученые еще в 50-х годах предлагали уничтожать озон, чтобы за полярным кругом яблони выращивать!

Озон и ультрафиолетовое излучение

Если вы хоть раз пользовались ртутной кварцевой лампой для загара, например, прибором «Фотон», то знакомы с характерным запахом во время его работы. Это пахнет озон, который образуется под воздействием ультрафиолетового излучения.

Озон придает запах свежему воздуху после грозы. Недостаток озона в помещениях, особенно в кондиционируемых, угнетает человека в прямом физическом смысле.

Коротковолновое ультрафиолетовое излучение, опасное для жизни, поглощается слоем озона. К длинноволновому ультрафиолетовому излучению человек отлично приспособился: загар — не что иное, как защитная реакция организма.

Длины волн УФ-излучения Солнца лежат в интервале от 10 до 400 нм. Чем короче длина волны, тем больше энергии несет излучение:

Е=hc/λ,

где, h – постоянная Планка, с – скорость света, λ – длина электромагнитной волны.

Энергия излучения расходуется на возбуждение, диссоциацию и ионизацию молекул газов атмосферы. В самом примитивном примере энергия излучения Солнца нагревает атмосферу.

Спектр ультрафиолетового излучения Солнца обычно делят на три диапазона:
УФ-А (от 315 до 400 нанометров) достигает поверхности земли
УФ-В (от 280 до 315 нанометров) достигает поверхности земли
УФ-С (от 100 до 280 нанометров) поглощается атмосферой

УФ-А влияет на фотосинтез и биологическую активность растений. Однако по поводу «защитных свойств озонового слоя» от УФ-С нет единого мнения. Например, в одном источнике утверждается, что:

Основная масса природного озона образуется в верхних слоях атмосферы из молекул O₂ в результате поглощения «жесткого» (т.е. несущего много энергии) ультрафиолетового излучения Солнца.

При этом в других источниках также утверждается, что «жесткое» УФ-излучение поглощается озоном. При этом пишут, что озон превращается в кислород (куда девается атомарный кислород?). Как же так? УФ-С поглощается озоном, но одновременно его и образует? Если энергия УФ-С расходуется на образование озона, то как озон тогда его поглощает?

В 9 номере журнала «Наука и жизнь» за 2000 год читаем о радикально иной точке зрения на роль озона:

На высотах ниже 20-25 километров продолжается синтез озона, о чем свидетельствует изменение длины волн ультрафиолетового излучения с 280 нм на высоте 34 километра до 293 нм у поверхности Земли. Образовавшийся озон, будучи не в состоянии подняться вверх, остается в тропосфере. Это определяет постоянное содержание озона в воздухе приземного слоя зимой на уровне до 2.10-6 %. Летом концентрация озона в 3-4 раза выше, по-видимому, за счет дополнительного образования озона при грозовых разрядах.

Таким образом, от жесткого ультрафиолетового излучения все живое на Земле защищает кислород атмосферы, озон же оказывается всего лишь побочным продуктом этого процесса.

Что же получается? Озон вовсе не защитник от жесткого УФ? Неувязка за неувязкой! Если энергия жесткого УФ-излучения расходуется на образование озона, то «защитник» кислород, а вовсе не озон?

Думаем, что хотя он и мог бы задержать часть ультрафиолета, но из-за мизерной толщины (всего 3 мм при нормальном атмосферном давлении) не вносит весомого вклада в защиту жизни от ультрафиолетовой радиации. Пожалуй, озоновый слой можно рассматривать лишь как уникальное явление природы, а не как щит.[7]

Иными словам, механизм «защитного озонового слоя» преподносится в довольно мутной форме. Причем у людей, знакомых с физикой и химией вопросов гораздо больше.

Если бы было всё так просто! Стратосфера — это условный слой атмосферы, который живет по своим законам. Об этих законах наука практически только догадывается. Ясно одно, излучение Солнца воздействует на атмосферу с самого начала контакта с ней, начиная с верхних слоев, ионосферы. Там и газов-то нет — одни ионизированные частицы.

Спектр ультрафиолетового излучения достаточно широкий. Значит надо выяснить, какие участки спектра УФ-излучения влияют на образование озона, а какие наоборот, влияют на его разложение. Если принять теорию, что озон — защитный слой, то озон должен разлагаться (поглощать энергию УФ) под действие «вредного ультрафиолета». Однако поглощать энергию излучения можно не только путем разложения вещества, но путем нагревания. Если принять, что УФ-излучение нагревает молекулы озона сильнее молекул других газов и веществ, находящихся в стратосфере, то должен быть объяснимый механизм такого явления.

Может быть существуют вещества, обладающие большей «поглощающей способностью»? Такие вещества известны — это металлы. Но кроме ртути металлы не существуют в газообразном состоянии.

Зона поглощения озона, определяющая нагрев стратосферы, называется полосой Хартли (250—320 нм). Цикл Чепмена (Chapman cycle) описывает образование озона из кислорода под действием УФ-С (< 175 или 242 нм??) и разложение озона под действием УФ-В (200-320 нм или 250-300 нм или 240-310 нм??).

Удивляет тот факт, что при описании реакций цикла Чепмена указываются разные длины волны УФ-излучения. Кроме этого, длинна волны УФ, участвующего в образовании озона и его разложении в описываемых Чепменом процессах приблизительно одинакова!

Озон образуется под действием ультрафиолетовых лучей с длиной волны менее 180 нм. УФ-свет с большей длиной волны (около 320 нм), наоборот, способствует разложению озона.

Согласитесь, что цифры заметно разнятся. Однако несмотря на такой разнобой можно сделать вывод о том, что озон поглощает не весь жесткий участок УФ- излучения, а только УФ-В. В поглощении УФ-С участвует не озон, а кислород. Это довольно упрощенная схема, но вносит некоторую конкретику в разношёрстные россказни об «озоновом слое».

В 8 номере журнала «Химия и жизнь» за 1979 год была одноименная статья по материалам журнала «New Scientist» из которой следует, что «бить тревогу пока рано». Что же получается, всё врут про «озоновые дыры»?

Как ни удивительно, среди ученых нет единого мнения. Например, в 3 номере журнала «Техника — молодежи» за 2008 год в очередной раз берётся под сомнение теория «озоновых дыр», как впрочем и теория «парникового эффекта». Утверждается, что обе антропогенные теории подозрительным образом сыграли на руку крупным корпорациям из США, которые «нагрели» только на новом холодильном оборудовании свыше 400 млрд. долларов.

Общепризнанный факт, что озон образуется в процессе воздействия на кислород ультрафиолетового излучения Солнца, а не только во время грозы.

В ходе этой реакции из трёх молекул кислорода получаются две молекулы озона. Но, как, в таком случае, достаточно тяжёлый газ кислород, получаемый якобы при фотосинтезе растениями, находящимися на уровне земной поверхности, попадает на высоты 30 — 50 км, где и расположен в основном вышеупомянутый «озоновый слой»?

Если признать верной версию об образовании большей части кислорода из водяных паров при фотохимической реакции под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца, то всё становится понятно. Водяных паров достаточно много и на высоте 30 — 50 км, дабы из них можно было получить молекулы кислорода, а из них и молекулы озона.[10]

Мы рассчитываем, что в природе всё существует в некотором равновесии, балансе. Но это равновесие иногда нарушается, например, при извержении вулкана или лесном пожаре. Мы опять ожидаем, что равновесие восстановится — атмосфера очистится, леса восстановятся. Но это природные явления не зависящие от человека (за исключением лесных пожаров по вине человека).

Встает вопрос, действительно ли человек настолько силен, что может нарушить природное равновесие в глобальном масштабе?

Озоновый слой и фреоны

Специальная группа исследователей, созданная в США для изучения вредных воздействий на стратосферу, пришла в 1975 году к выводу, что фторхлоруглеводороды, вроде Ф-11 (CCl3F) и Ф12 (CCl2F2), буквально съедают озон. Распыленные в воздухе фреоны, попадая в стратосферу, разлагаются под действие ультрафиолетового излучения и выделяют хлор, который взаимодействует с озоном.

Всем известные Франк Шервуд Роуленд и Марио Молина в своей статье журнала «Nature» 28 июня 1974 года лишь предположили вредное действие фреонов.

Однако выводы были сделаны не на основе прямых фактов, а на основе косвенных данных и гипотез. Например, вы не найдете данных об измеренной концентрации фреонов в стратосфере. Измеряется только содержание хлора. Есть лишь предположение, что фреоны могут туда попасть. Если при этом осознать вес молекулы, то скорее всего, если молекулы фреонов и попадают в стратосферу, то в незначительном количестве.

Если в стратосферу могут попасть фреоны, то туда могут попасть любые газы. Вопрос лишь в концентрации и их активности.

Нельзя забывать, что источником хлорсодержащих веществ остаются вулканы, а также ракетное топливо. По оценке ученых, «количество фреонов, выбрасываемых вулканами, океанами в три раза больше, чем техногенных«.

Антропогенная причина изменения климата

Довольно любопытен в этом вопросе факт, что политические решения основывались не на научных фактах, а на теориях. Главный камень преткновения — антропогенная причина. Некоторым людям льстит, что деятельность человечества на земле настолько стала заметной, что изменяет климат.

С другой стороны, установить прямую зависимость климатических изменений от деятельности человека не так просто. Именно поэтому в научных кругах ходят различные теории, не всегда имеющие фактического подтверждения. Например, до сих пор нет ясности в причинах «глобального потепления», ибо версию о ближайшем «естественном» потеплении еще в 70-х годах озвучили ученые, изучавшие керны реликтового льда в Гренландии. Примечательно, что в это же время другие ученые считали, что планету ожидает похолодание.

Нельзя забывать, что помимо внутреземных факторов есть и внешние — солнце. Солнце вовсе не стабильный источник излучения. Еще советские астрономы обнаружили, что наше Солнце пульсирует с частотой 2 часа 40 минут. При этом его диаметр меняется на несколько километров, а доля излучаемой энергии изменяется на сотые доли процента. Известны пульсации Солнца и более длительных периодов. Например,  выявлено по крайней мере 18 минимумов активности Солнца за последние восемь веков, включая самый известный минимум Маундера. На основании анализа исторических наблюдений было установлено, что в XVII веке диаметр Солнца превышал нынешний на 2 тысячи километров, т.е. на 0.1%. Из этого следует, что активность Солнца постепенно возрастает.

Кроме этого, изменяется орбита Земли и угол наклона её оси относительно Солнца. Это влияет на постепенное увеличение переноса лучистой энергии от экватора к полярным кругам в каждом полушарии. В свою очередь, это влияет на образование циклонов.[12]

Во 2 номере журнала «Техника — молодёжи» за 1977 год мы читаем:

Для полушария характерны два основных типа Переноса воздушных масс — зональный и меридиональный. Оказалось, что и все ЭЦМ также делятся на две группы — зональная и меридиональная. Причем если продолжительность действия каждого ЭЦМ от 2 до 5 дней, то продолжительность действия меридиональной или зональной группы ЭЦМ составляет многолетние циркуляционные эпохи, периодичность которых совпадает с колебаниями климата.

Нами установлено, что с 1899 по 1972 год прошли три циркуляционные эпохи. Первая — меридиональная — продолжалась до 1916 года. Затем началось постепенное усиление зональной циркуляции, сопровождавшееся общим потеплением на полушарии. Переход ко второй меридиональной эпохе (с 1952 г.) совпал с тенденцией к похолоданию климата. Для периодов преобладания меридиональной циркуляции вообще характерна неустойчивость погоды и быстрая смена ЭЦМ (2— 3 дня). Периоды зональной циркуляции гораздо стабильнее в отношении перепадов температур, так как обычный западный перенос воздушных масс не нарушается вторжением холодного воздуха из Арктики.

По нашим наблюдениям, меридиональная эпоха уже прошла пик, есть некоторые признаки, что усиливается зональная циркуляция А это означает, что возможно увеличение дней с циклонической деятельностью — зима станет снежнее, а лето — дождливее. С дальнейшим развитием зональной циркуляции возможно и значительное потепление.[5]

Грубо говоря, потепление предсказывалось как естественная причина за долго до «парниковой паники» 90-х.

Конечно, искусственно насыщать атмосферу углекислым газом кажется варварством, особенно с учетом того, что по расчетам ученых двукратное увеличение концентрации CO2  в атмосфере может увеличить силу ураганов на 40-50%.[13] Загрязнять воздух вообще нехорошо и сокращать вредные выбросы необходимо, но и поддаваться всеобщему психозу как-то не очень хочется. Ведь фактически нам навязывают некоторые затраты под страхом «неминуемой глобальной катастрофы».

Есть еще одна деталь. Развитые страны могут себе позволить играть в «зеленые игры», а что делать развивающимся странам и не очень развитым, вроде России?

Библиография

1. Ляпунов В. Ракета. Техника — молодёжи 1949-6
2. Прокофьева И. А. Атмосферный озон. — М.; Л., 1951.
3. Хригиан А.Х. Физика атмосферного озона. Л. Гидрометеоиздат, 1973.
4. Губернский Ю. Д., Дмитриев М. Т. Атмосферный озон и ионы – основные компоненты свежести воздуха. Природа 1976-9
5. Савина С. Зима станет снежнее, а лето-дождливее. Техника — молодёжи 1977-2.
6. Дмитриев А. Что же будет с озоновым экраном? Химия и жизнь 1979-8.
7. Головченко И., Друзьяк Н. Защищает ли нас озоновый слой? Химия и жизнь»1989-10.
8. Чугунов Н.И. Озоновый слой и миф об опасности из космоса. Наука и жизнь 2000-9.
9. Ларин И. Химия и алхимия озонового слоя. Наука и жизнь 2001-1.
10. Соколов В. П. «Озоновые дыры» и энергия химических процессов. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки 2005.
11. Полюх А. Нефть — понятие климатическое. Техника — молодёжи 2008-3.
12. Федоров В.М. Тенденции и причины изменений климата Земли в современную эпоху. — М.: «КДУ», «Добросвет», 2018.
13. Emanuel, K. The dependence of hurricane intensity on climate. Nature 326, 483–485 (1987)
14. Stratospheric Ozone
15. John H. Douglas. Climate change: Chilling possibilities. Science News Vol. 107