Теоретическая часть «Проблема истощения озонового слоя»

 

 

Атмосфера

Атмосфера Земли состоит из 78% азота, 21% кислорода и 0,93% аргона. Остальная часть, менее 0,1%, содержит такие газы, как водяной пар, двуокись углерода и озон. Все эти газы оказывают важное влияние на климат Земли. Атмосферу можно разделить на вертикальные слои, определяемые путем изменения температуры с высотой. Считается, что нынешняя атмосфера развивается из газов, выбрасываемых вулканами. Кислород, от которого зависит вся жизнь животных, накапливается как избыточные выбросы от растений, которые производят его в качестве отхода во время фотосинтеза. Деятельность человека может влиять на уровень некоторых важных компонентов атмосферы, особенно углекислого газа и озона.

Рисунок 1 – Состав атмосферы Земли

Наиболее распространенный атмосферный газ, азот (химический символ N₂) в значительной степени инертен, что означает, что он не реагирует с другими веществами с образованием новых химических соединений. Следующий наиболее распространенный газ, кислород (O₂), необходим для дыхания всей жизни на Земле, от людей до бактерий. В отличие от азота, кислород является чрезвычайно реакционноспособным. Он участвует в окислении, примеры которого включают превращение яблок из белого в коричневый после нарезания, ржавление железа и очень быстрое окисление, известное как огонь. Чуть менее 1% атмосферы состоит из аргона (Ar), который является инертным благородным газом, что означает, что он не участвует в каких-либо химических реакциях при нормальных обстоятельствах. Вместе эти три газа составляют 99,96% атмосферы. Оставшиеся 0,04% содержат большое количество других газов, некоторые из которых имеют решающее значение для жизни на Земле.

Углекислый газ (CO₂) влияет на климат Земли и играет большую роль в поддержании в биосфере множества видов живых существ, населяющих поверхность Земли. Только около 0,0255% атмосферы составляет CO₂. Углекислый газ необходим для жизни растений для фотосинтеза, процесс использования солнечного света для хранения энергии в виде простых сахаров, от которых зависит вся жизнь на Земле. Углекислый газ также является одним из классов соединений, называемых парниковыми газами. Эти газы состоят из молекул, которые поглощают и излучают инфракрасное излучение, которое ощущается как тепло. Солнечная энергия, излучаемая солнцем, в основном находится в видимом диапазоне, в узкой полосе длин волн. Это излучение поглощается земной поверхностью, а затем снова излучается в пространство не как видимый свет, а как более длинное инфракрасное излучение. Молекулы парниковых газов поглощают часть этого излучения до того, как оно выйдет в космос, и снова повернёт часть его обратно на поверхность. Таким образом, эти газы захватывают часть выходящего тепла и повышают общую температуру атмосферы. Если в атмосфере не будет парниковых газов, считается, что поверхность Земли будет на 90 ° F (32 ° C) горячее.

Водяной пар (H₂O) находится в атмосфере в небольших и сильно варьируемых количествах. Несмотря на то, что он почти отсутствует в большей части атмосферы, его концентрация может достигать 4% в очень теплых, влажных областях, близких к поверхности. Несмотря на свою относительную нехватку, атмосферная вода, оказывает большое влияние на Землю, чем любой из основных газов, кроме кислорода. Водяной пар является элементом гидрологического цикла, который перемещает воду между океанами, поверхностными водами, атмосферой и полярными ледяными шапками. Водный «велосипед» управляет эрозией и выветриванием горных пород, определяет погоду на Земле и создает климатические условия, которые делают сухие или влажные участки земли живыми или негостеприимными. При достаточном охлаждении водяной пар образует облака путем конденсации до жидких капель воды или при более низких температурах - кристаллы твердого льда. Помимо создания дождя или снега, облака влияют на климат Земли, отражая часть энергии, исходящей от солнца, делая планету несколько более прохладной. Водяной пар также является важным парниковым газом. Он сосредоточен вблизи поверхности и гораздо более распространен вблизи тропиков, чем в полярных областях.

Озон (O₃) встречается почти исключительно в слое около 9-36 миль (15-60 километров) на высоте. На более низких высотах озоновый газ раздражает глаза и кожу и химически воздействует на резину и растительную ткань. Тем не менее, это жизненно важно для жизни на Земле, потому что она поглощает большую часть излучения высокой энергии солнца, которое вредно для растений и животных. Часть энергии, излучаемой солнцем, находится в ультрафиолетовой (УФ) области. Это более короткое излучение с длиной волны отвечает за загар и является достаточно сильным, чтобы нанести вред клеткам, вызвать рак кожи и ожог кожи. Молекулы озона вместе с молекулами О₂ поглощают почти все высокоэнергетические УФ-лучи, защищающие поверхность Земли от наиболее разрушительного излучения. Первый шаг в этом процессе происходит высоко в атмосфере, где молекулы О₂ поглощают ультрафиолетовое излучение с очень высокой энергией. При этом каждая поглощающая молекула распадается на два атома кислорода. Кислородные атомы в конечном итоге сталкиваются с другой молекулой О₂, образуя молекулу озона, О₃ (третья молекула требуется для столкновения, чтобы унести избыточную энергию). Озон, в свою очередь, может поглощать УФ несколько более длинной волны, что устраняет один из его атомов кислорода и оставляет O₂. Свободный атом кислорода, будучи очень реакционноспособным, почти немедленно рекомбинирует с другим O₂, образуя больше озона. Последние два этапа этого цикла повторяются, но не создают никаких новых химических соединений; они действуют только для поглощения ультрафиолетового излучения. Количество озона в стратосфере невелико. Если бы все они были транспортированы на поверхность, газ озона образовал бы слой толщиной 0,1-0,16 дюйма (2,5-4,0 мм). Этот слой тонкий, но его достаточно для защиты населения Земли от вредного солнечного излучения [6].

 

Структура атмосферы

Атмосфера может быть разделена на слои, основанные на профилях атмосферного давления и температуры (эти величины изменяются с высотой). Атмосферная температура постоянно снижается от ее значения на поверхности, около 290K (63 ° F, 17 ° C), пока она не достигнет минимума около 220K (минус 64 ° F; минус 53 ° C) на высоте 6 миль (10 километров). Этот первый слой называется тропосферой и находится под давлением более 1000 миллибар на уровне моря до 100 миллибар в верхней части слоя, тропопаузы.

Над тропопаузой температура поднимается с увеличением высоты до 27 миль (45 километров). Эта область повышения температуры представляет собой стратосферу, охватывающую диапазон давления от 100 миллибар у основания до 10 миллибар при стратопаузе, верхней части слоя.

Выше 30 миль (50 километров) температура возобновляет свое падение с высотой, достигая очень холодного минимума 180 К (минус 135 ° F, минус 93 ° C) на 48 миле (80 километров).

Рисунок 2 – Строение атмосферы [9]

Этот слой представляет собой мезосферу, которая на вершине (мезопауза) имеет атмосферное давление всего 0,01 миллибар (то есть только 1/100000-й поверхностного давления). Над мезосферой находится термосфера, простирающаяся на сотни миль вверх к вакууму пространства. Невозможно распознать точную верхнюю часть атмосферы, потому что молекулы воздуха становятся более слабыми до тех пор, пока атмосфера не будет смешана с материалом, находящимся в космосе.

1) Тропосфера.

Тропосфера содержит более 80% массы атмосферы, а также почти весь водяной пар. Этот слой содержит воздух, которым мы дышим, наблюдаемые ветры и облака, которые приносят нам дождь. Все, что мы знаем, как погода, происходит в тропосфере, название которой означает «изменяющаяся сфера». Все холодные фронты, теплые фронты, системы высокого и низкого давления, штормовые системы и другие особенности, наблюдаемые на карте погоды, происходят в этот самый низкий уровень. Тяжелые грозы могут проникать в тропопаузу.

В тропосфере температура уменьшается с увеличением высоты со средней скоростью около 11,7 ° F на каждые 3281 фута (6,5 ° C на каждые 1000 метров). Эта величина известна как градиент. Когда воздух начинает расти, он будет расширяться и остывать с более высокой скоростью, определяемой законами термодинамики. Это означает, что, если воздух начнет расти, он скоро станет более прохладным и плотным, чем его окружающая среда, и опустится вниз. Это пример стабильной атмосферы, в которой предотвращается вертикальное движение воздуха. Поскольку воздушные массы движутся внутри тропосферы, масса холодного воздуха может перемещаться в область и иметь более высокий градиент. То есть его температура падает быстрее с высотой. В этих погодных условиях воздух, который начинает подниматься и охлаждаться, станет теплее, чем его окружающая среда. Затем он похож на воздушный шар: он менее плотный, чем окружающий воздух и плавучий, поэтому он будет продолжать расти и охлаждаться в процессе, называемом конвекцией. Если это будет продолжаться, атмосфера будет считаться нестабильной, и растущая посылка воздуха будет охлаждаться до такой степени, когда ее водяной пар конденсируется, образуя капли облака. Воздушная посылка теперь представляет собой конвективное облако. Если плавучесть достаточно энергична, бурное облако будет развиваться по мере того, как облачные капли будут расти до размеров капель дождя и начнут выпадать из облака в виде дождя. Таким образом, при определенных условиях температурный профиль тропосферы делает возможным появление грозовых облаков и осадков.

Во время сильной грозы кучево-дождевые облака (тип, который производит сильный дождь, сильный ветер и град), могут расти достаточно высокими, чтобы достичь или распространиться на тропопаузу. Здесь они сталкиваются с сильными стратосферными ветрами, которые могут срезать верх над облаками и останавливать их рост.

2) Стратосфера.

Начало стратосферы определяется как точка, в которой температура достигает минимума, а градиент резко падает до нуля. Эта имеет одно важное последствие: оно препятствует росту воздуха. Любой воздух, который начинает подниматься, станет более прохладным и плотным, чем окружающий воздух. Поэтому стратосфера очень стабильна.

В стратосфере содержится большая часть озона, найденного в атмосфере Земли, а наличие озона является причиной температурного профиля, обнаруженного в стратосфере. Озон и кислородный газ поглощают коротковолновую солнечную радиацию. В серии последующих реакций выделяется тепло. Это тепло согревает атмосферу в слое около 12-27 миль (20-45 километров) и дает стратосфере ее характерное повышение температуры с высотой.

Озоновый слой вызывает озабоченность. В 1985 году ученые из Британской антарктической службы отметили, что количество стратосферного озона над Южным полюсом резко упало в течение весенних месяцев, поскольку весна превратилась в лето. Изучение исторических данных показало, что весенние потери озона начались в конце 1960-х годов и к концу 1970-х годов стали значительно более серьезными. К середине 80-х годов практически весь озон исчезал из частей полярной стратосферы в конце зимы и ранней весны. Эти потери озона, получившие название озоновой дыры, были предметом интенсивных исследований как на местах, так и в лаборатории.

Хотя стратосфера имеет очень мало воды, облака кристаллов льда иногда могут возникать в нижней стратосфере над полярными областями. Ранние исследователи из Арктики назвали эти облака перламутровыми из-за их переливающегося вида. Совсем недавно были обнаружены очень тонкие и широко распространенные облака в полярной стратосфере в чрезвычайно холодных условиях. Эти облака, называемые полярными стратосферными облаками, представляют собой небольшие кристаллы льда или замороженные смеси льда и азотной кислоты. Эти облака играют ключевую роль в развитии озоновой дыры.

3) Мезосфера и термосфера.

Верхняя мезосфера и нижняя термосфера содержат заряженные атомы и молекулы (ионы) в области, известной как ионосфера. Атмосферные составляющие на этом уровне включают атомный кислород, азот (O и N) и оксид азота (NO). Все они подвержены сильному солнечному излучению ультрафиолетового и рентгеновского излучения, что может привести к ионизации, сбив электрон с образованием атома или молекулы с положительным зарядом. Ионосфера представляет собой область, обогащенную свободными электронами и положительными ионами. Эта область заряженных частиц влияет на распространение радиоволн, отражая их как зеркало, отражающее свет. Ионосфера позволяет настраивать радиостанции очень далеко от передатчика. Даже если радиоволны, поступающие непосредственно из передатчика, блокируются горами или кривизной Земли, все еще можно получить волны, отскок от ионосферы. После захода Солнца число электронов и ионов в нижних слоях резко падает, потому что излучение Солнца больше не доступно для их ионизации. Однако даже ночью высокие слои сохраняют некоторые ионы. В результате ионосфера выше ночью, что позволяет радиоволнам отскакивать на большие расстояния. Именно по этой причине можно часто настраиваться на более отдаленные радиостанции ночью, чем днем.

Верхняя термосфера также является местом ярких ночных вспышек, известных как полярное сияние. Авроры вызваны энергичными частицами, испускаемыми солнцем. Эти частицы захватываются магнитным полем Земли и сталкиваются с относительно небольшими атомами газа, присутствующими выше примерно 60 миль (100 километров), в основном атомарным кислородом (O) и газообразным азотом (N₂). Эти столкновения заставляют атомы и молекулы излучать свет, что приводит к эффектным проявлениям.

4) Прошлое атмосферы.

Если бы какая-либо атмосфера присутствовала после того, как Земля была сформирована около 4,5 миллиардов лет назад, она, вероятно, была намного иной, чем сегодняшняя. Скорее всего, это напоминало внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - с обилием водорода, метана и аммиачных газов. Настоящая атмосфера не образовалась до тех пор, пока эта первичная атмосфера не была потеряна. Согласно одной из теорий, первичная атмосфера была до взрыва Земли с Солнцем. Если Солнце подобно другим звездам своего типа, оно, возможно, пережило фазу, в которой она насильно выбрасывала материал наружу к планетам.

В том числе Земля, потеряла бы свои газообразные конверты. Возникла вторичная атмосфера, когда газы выделялись из земной коры ранней Земли за счет вулканической активности. Эти газы включали пары водяного пара, диоксида углерода, азота и серы. Кислород отсутствовал в этой ранней вторичной атмосфере.

Большое количество водяного пара, выделяемого вулканами, образовывало облака, которые непрерывно льются на ранней Земле, образуя океаны. Поскольку углекислый газ легко растворяется в воде, новые океаны постепенно поглощают большую часть его. Азот, будучи неактивным, остался позади, чтобы стать наиболее распространенным газом в атмосфере. Окись углерода, которая осталась, стала использоваться ранней растительной жизнью в процессе фотосинтеза. Геологические данные указывают на то, что это могло начаться примерно два-три миллиарда лет назад, возможно, в океане или в водной среде. Примерно в это же время появились аэробные (кислородные) бактерии и другая ранняя животная жизнь, которая потребляла продукты фотосинтеза и выделяла CO₂. Это завершило цикл для CO₂ и O₂; два газа оставались в равновесии, пока весь растительный материал был поглощен кислородно-дыхательным организмом. Однако некоторые растительные материалы были неизбежно потеряны или захоронены до того, как их можно было разложить. Это эффективно удаляло углекислый газ из атмосферы и оставило чистое увеличение кислорода. В течение миллиардов лет значительный избыток строился, таким образом, так что теперь кислород составляет более 20 процентов атмосферы (а углекислый газ составляет менее 0,033 процентов). Таким образом, вся жизнь животных зависит от количества кислорода, накопленного постепенно биосферой за последние два миллиарда лет.

Будущие изменения в атмосфере трудно предсказать. В настоящее время растет обеспокоенность тем, что деятельность человека может изменить атмосферу до такой степени, что она может повлиять на климат Земли. Это особенно касается диоксида углерода. Когда ископаемые виды топлива, такие как уголь и нефть, вырыты и сжигаются, заглубленный углекислый газ высвобождается обратно в воздух. Поскольку углекислый газ является парниковым газом, он задерживает инфракрасную (тепловую) энергию, излучаемую Землей, нагревая атмосферу [7].

 

Озоновый слой

Озоновый слой образует толстый слой в стратосфере, окружающий землю, в котором содержится большое количество озона. Озоновый слой защищает жизнь на Земле от сильного ультрафиолетового излучения.

Озоновый слой был обнаружен в 1913 году французскими физиками Чарльзом Фабри и Анри Буйсоном. Озоновый слой обладает способностью поглощать почти 97-99 процентов вредных ультрафиолетовых излучений, излучающих солнце, и которые могут оказывать долгосрочное пагубное воздействие на людей, а также на растения и животных.

Рисунок 3 – Расположение озонового слоя [10]

Состав озонового слоя

Удивительно, что одни и те же ультрафиолетовые лучи составляют основную часть озонового слоя. Озон представляет собой необычный вид кислорода, состоящего из 3 атомов кислорода вместо обычных 2 атомов кислорода. Озоновый слой обычно развивается, когда несколько видов электрического разряда или излучения расщепляют 2 атома в молекуле кислорода (O₂), которые затем самостоятельно объединяются с другими типами молекул с образованием озона. Озоновый слой защищал жизнь на планете Земля в течение миллиардов лет, но теперь он изнашивается человеческой деятельностью.

 

Рисунок 4 - Строение молекулы озона [11]

Люди стали ценить важность озонового слоя, когда ученые опубликовали исследование, в котором предполагалось, что некоторые химические вещества, созданные человеком, известные как хлорфторуглероды, смогли достичь стратосферы и истощили озон через глубокую серию химических реакций. Результаты этого исследования привели к подписанию в 1973 году глобального договора, известного как Монреальский протокол. Этот договор помог сократить производство этих вредных химических веществ, созданных человеком.

Эти целенаправленные усилия привели к восстановлению озонового слоя за последние годы. Толщина озонового слоя сильно изменяется в любой день и в любом месте. Из-за неумолимой вертикальной циркуляции атмосферного воздуха, как в стратосфере, так и в тропосфере количество озонового слоя, защищающего людей от сильных УФ-лучей, может быть меньше или больше. Кроме того, люди, находящиеся на более высоких высотах, подвергаются риску ультрафиолетового излучения, чем у более низких высот.

Важность озонового слоя

Стратосферный озон играет большую роль в защите людей от суровости солнца. Тем не менее, существует также вид озона, который развивается как раз над землей в результате солнечных лучей, вступающих в контакт с загрязнением атмосферы, что опасно для здоровья человека. У некоторых людей это может привести к осложнениям при дыхании и часто происходит в течение лета, когда в городах, где воздух статичен, наблюдается бурный рост загрязнения.

Существенным свойством молекулы озона является его способность блокировать солнечные излучения с длиной волны менее 290 нанометров от поверхности Земли. В этом процессе он также поглощает ультрафиолетовое излучение, которое опасно для большинства живых существ. УФ-излучение может повредить или убить жизнь на Земле. Хотя поглощение УФ-излучения согревает стратосферу, но для жизни важно процветание на планете Земля. Исследователи предполагают, что разрушение наземных и водных экосистем происходит за счет истощения озонового слоя [8].

 

Антарктика и Антарктида

В средней широте, например, в Австралии, озоновый слой разбавляется. Это привело к увеличению УФ-излучения, достигающего Земли. По оценкам, около 5-9 процентов толщины озонового слоя уменьшилось, что увеличило риск заражения людей ультрафиолетовым излучением из-за наружного образа жизни.

В атмосферных районах над Антарктидой озоновый слой значительно разбавляется, особенно в весенний период. Это привело к образованию так называемой «озоновой дыры». Озоновые дыры относятся к регионам сильно уменьшенных озоновых слоев. Обычно озоновые дыры образуются над поляками в начале весенних сезонов. Одна из крупнейших таких дыр появляется ежегодно над Антарктидой в период с сентября по ноябрь.

Природные причины истощения озонового слоя: на озоновый слой влияют некоторые природные явления, такие как солнечные пятна и стратосферные ветры. Было обнаружено, что это вызывает не более 1-2 процентов истощения озонового слоя, и считается, что эффекты являются лишь временными. Считается также, что крупные извержения вулканов (главным образом, Эль-Чишон в 1983 году и горе Пинатубо в 1991 году) также способствовали истощению озонового слоя.

«Озоновая дыра» в Антарктике

Суровое истощение антарктического озона слоя, известный как «озоновая дыра», происходит из-за специальных метеорологических и химических условия, которые существуют только там и нигде еще на земном шаре.

Очень низкие зимние температуры в Антарктике стратосферы вызывают образование полярных стратосферных облаков. Особая реакция, происходящая на полярных стратосферных облаках, в сочетании с выделением полярного стратосферного воздуха в полярном вихре, позволяют хлор и бром, что приводит к реакции на получение озоновой дыры в антарктической весне.

Рисунок 5 – Антарктическая озоновая дыра на 14 сентября 2013 года [12]

Температуры воздуха в обеих полярных областях достигает минимальных значений в нижнем слое стратосферы в зимний период.

Арктикой, средние минимальные значения близки минус 80 ° C в конце декабря и январе. Полярные стратосферные облака образуются в полярном озоновом слое, когда зимние минимальные температуры падают ниже температуры образования, около минус 78°С. Это происходит в среднем от 1 до 2 месяцев над Арктикой и от 5 до 6 месяцев над Антарктидой - тяжелые красные и синие линии на рисунке 6. Реакции на жидкую и твердую частицы вызывают высокореактивное образование хлорного газа ClO, который каталитически разрушает озон.

Рисунок 6 - Сравнение динамики температур и роста озоновых дыр Антарктиды и Арктики [13]

Диапазон зимних минимальных температур в Арктике намного больше, чем в Антарктике. Через несколько лет температуры полярных облаков образования не достигнут в Арктике значительного озоноистощения. температуры образования всегда присутствует в течение многих месяцев.

 В Антарктике тяжелое истощение озонового слоя теперь происходит в каждый зимний сезон. (пунктирные черные линии обозначают верхние пределы Антарктики -диапазон температур, где они перекрываются с арктическим температурным диапазоном. Рисунок 6) озоновая дыра требует температур, достаточно низких для образования полярных стратосферных облаков, изоляция от воздуха в других стратосферных регионах и солнечного света.

Распределение галоидных газов. Галогенные исходные газы, которые выделяются на поверхности и имеют срок службы более 1 года, присутствуют в сравнимом обилии по всей стратосфере в обоих полушариях, хотя большая часть выбросов происходят в Северном полушарии. Численность сопоставима, потому что большинство долгоживущих исходных газов не имеют значительных процессов естественного удаления в нижней атмосфере, и потому, что ветры и конвекция перераспределяются и смешивается воздух во всей тропосфере на шкале времени от нескольких недель до нескольких месяцев. Галогенные газы (в виде исходных газов и некоторых реакционноспособных продуктов) входят в стратосферы в основном из тропической верхней тропосферы. Воздушные движения стратосферы затем транспортируют эти газы вверх и к полюсу в обоих полушариях. Низкие полярные температуры приводят к сильному разрушению озона, которое приводит к озоновой дыре, чтобы присутствовать в диапазоне стратосферных высот, в больших географических регионах и в течение длительных периодов времени.

Низкие температуры являются важными, поскольку они позволяют формировать жидкие и твердые PSC. Реакции на поверхности этих ПСО инициируют значительное увеличение наиболее реакционноспособного газа хлора и монооксида хлора (ClO). Стратосферные температуры являются самыми низкими в полярных регионах зимой. В антарктической зиме, минимум ежедневно температуры, как правило, намного ниже и менее переменны, чем в Арктике зимой. Антарктические температуры также остаются ниже образования температуры ПСО в течение более продолжительных периодов зимой. Эти и другие метеорологические различия возникают из-за различий в распределении земли, океана, и горы между полушариями в средних и высоких широтах. Зимние температуры достаточно низки для того, чтобы ПСО могли образоваться где-то в Антарктике почти всю зиму (около 5 месяцев), но только в течение ограниченных периодов (10-60 дней) в Арктике в большинстве зим.

Изолированные условия. Стратосферный воздух в полярных областях относительно изолирован в зимние месяцы. Изоляция обеспечивается сильными ветрами, которые окружают полюса зимой, образуя полярный вихрь, что препятствует существенному перемещению и смешивание воздуха в полярную стратосферу или из нее. Эта циркуляция усиливается зимой по мере снижения стратосферных температур. Поскольку зимние температуры ниже на юге, чем в полярной стратосфере Северного полушария, изоляция воздуха в вихре намного эффективнее в Антарктике, чем в Арктике.

Когда температуры падают достаточно низко, ПСО образуются внутри полярного вихря и вызывают химические изменения, которые сохраняются изоляцией в течение многих недель и месяцев.

Полярные стратосферные облака. Реакции на поверхностях жидких и твердых ПСО могут существенно увеличить относительное содержание наиболее реакционноспособного хлора газа. Эти реакции превращают пластовые формы реакционно-способных газов хлора, нитрит хлора (ClONO₂) и хлористый водород (HCl), до наиболее реакционной формы, ClO.

ClO увеличивается от небольшой доли доступного реактивного хлора до содержания почти всего хлора, который доступен. При увеличении ClO каталитические циклы, включая ClO и BrO, становятся активными в химическом разрушении озона всякий раз, когда солнечный свет доступен. Различные типы жидких и твердых частиц ПСО образуются при стратосфере температура падает ниже минус 78 ° C (минус 108 ° F) в полярных областях.

В результате ПСО часто встречаются на больших участках зимних полярных регионов и над значительными диапазонами высот, с более крупными регионами и более длительными периодами времени в Антарктике, чем в Арктике. Наиболее распространенный тип форм ПСО из азотной кислоты (HNO₃) и конденсации воды на ранее существовавших жидких серных кислотах.

Некоторые из этих частиц замерзают, образуя твердые частицы. При еще более низких температурах.

Процесс истощения озона (минус 85 ° C или минус 121 ° F), вода конденсируется с образованием частиц льда. Частицы ПСО растут достаточно многочисленно, чтобы облачные функции можно было наблюдать при определенных условиях, особенно когда Солнце находится вблизи горизонта.

ПСО часто встречаются вблизи горных хребтов в полярных регионах, потому что движение воздуха над горами может вызвать локализованное охлаждение в стратосфере, что увеличивает конденсацию воды и HNO₃.

Когда средние температуры начинают увеличиваться к концу зимы, ПСО формируются реже и реакции конверсии на их поверхностях дают меньше ClO. Без продолжения производства ClO, количество его уменьшается, а другие химические реакции повторно формируют резервуары под газы, ClONO₂ и HCl. Когда температуры превышают пороги образования ПСО, что обычно происходит к концу января - началу февраля в Арктике или к середине октября в Антарктиде, наиболее интенсивный период истощения озонового слоя.

Азотная кислота и удаление воды. После образования частицы ПСО опускаются до более низких высот по причине силы тяжести. Самые крупные частицы могут опускаться на несколько километров или более в стратосфере в течение нескольких дней во время низкотемпературного зимнего / весеннего периода. Поскольку ПСО часто содержат значительную долю доступного HNO₃, их снижение приводит к выделению HNO₃ из областей озонового слоя. Этот процесс называется денитрификацией стратосферы. Поскольку HNO₃ является источником оксидов азота (NO_x) в стратосфере, денитрификация удаляет NO_x, доступный для преобразования высокоактивного хлорного газа ClO обратно в резервуарный газ ClONO₂. В результате ClO остается более активным в течение более длительного периода, тем самым увеличивая химическое разрушение озона. Существенная денитрификация происходит каждую зиму в Антарктике, но только в редких случаях в Арктике, поскольку температуры образования ПСО должны поддерживаться в течение более широкой области высоты и периода времени, чтобы привести к денитрификации. Такие частицы образуются при температурах, которые на несколько градусов ниже тех, которые необходимы для образования ПСО из HNO₃. Если частицы льда растут достаточно крупными, они могут упасть на километры из-за силы тяжести. В результате значительная часть водяного пара может быть извлечена из районов озонового слоя в течение зимы. Этот процесс называется обезвоживанием стратосферы. Из-за очень низких температур, необходимых для образования льда, обезвоживание распространено в Антарктике, но редко в арктических зимах.

Удаление водяного пара не оказывает непосредственного влияния на каталитические реакции, которые разрушают озон. Обезвоживание косвенно влияет на разрушение озона, подавляя зиму, что снижает производство ClO в реакциях ПСО. Наземные наблюдения были доступны за несколько лет до того, как была признана роль ПСО в разрушении полярного озона. Географическая и высотная степень в обоих полярных регионах не была известна до тех пор, пока ПСК не наблюдались спутниковым инструментом в конце 1970-х годов. Роль ПСО - частиц в конверсии реакционно-способных газов хлора в ClO не была понята только после открытия антарктической озоновой дыры в 1985 году. Наше понимание химического состава частиц ПСО развилось из лабораторных исследований их реакционной способности на поверхности, компьютерного моделирования химических реакций стратосферы, и измерение, которое непосредственно отбирали частицы и реактивные газообразные хлоры, такие как ClO, в полярной стратосфере.

Рисунок 7 - Полярные стратосферные облака [14]

Эта фотография полярного солнечного стратосферного облака (PSC) была взята Кируне, Швеция (67 ° с. Ш.) 27 января 2000 года. ПСК образуются в озоновом слое в течение зим в арктической и антарктической стратосфере, где происходят низкие температуры (Рисунок 6). Частицы растут из-за конденсации воды и азотной кислоты (HNO₃). Облака часто могут опираться на человеческий глаз, когда Солнце приближается к горизонту. Реакции на PSC показывают высоко реакционноспособный хлорный газ ClO, который очень эффективен при химическом разрушении озона.

Первые сокращения в Антарктике общий озон наблюдался в начале 80-х годов, где наблюдались наземные станции, расположенные на Антарктическом континенте.

Измерения проводились с использованием наземных спектрофотометров Добсона. Наблюдения показали необычно низкий общий озон в конце зимы / ранней весны месяца сентября, октября и ноября. В эти месяцы общий озон был ниже, чем в предыдущих наблюдениях, сделанных еще в 1957 году. Ранние опубликованные данные поступали от Японского метеорологического агентства и Британского антарктического обзора. Результаты стали широко известны миру после того, как три ученых из Британского антарктического обзора опубликовали свои наблюдения в научном журнале «Природа» в 1985 году и предположили, что причиной этого являются ХФУ. Вскоре после этого спутники подтвердили весеннее истощение озонового слоя и показали, что в конце зимы / раннего весеннего сезона, начавшегося в начале 1980-х годов, истощение было расширено в большом регионе, сосредоточенном вблизи Южного полюса.

Термин «озоновая дыра» возник как описание очень низких общих значений озона, которые в течение многих недель окружали континентальный континент на спутниковых изображениях. В настоящее время формация и степень тяжести антарктической озоновой дыры регистрируются каждый год путем объединения спутниковых, наземных и аэрологических наблюдений озона. Первые общие измерения озона, полученные в Антарктиде с помощью спектрофотометров Добсона, произошли в 1950-х годах после многочисленных масштабных измерений в Северном полушарии и Арктическом регионе. Общие значения озона, найденные весной, составляли около 300 единиц Добсона (DU), что на удивление ниже, чем в арктической весне, поскольку тогда было предположение, что две полярные области будут иметь аналогичные значения. Теперь мы знаем, что эти антарктические ценности не были аномальными; действительно, они похожи на наблюдаемые там в 1970-х годах до появления озоновой дыры. Мы также теперь знаем, что общие значения содержания озона в Антарктике по сравнению с арктическими значениями систематически снижаются в начале весны, потому что полярный вихрь намного сильнее и, следовательно, намного эффективнее уменьшает перенос богатого озоном воздуха из среднего полюса. В 1958 году измерения общего озона были сделаны на станции Дюмон-д'Юрвиль (66,7 ° S, 140 ° E) в Антарктиде с использованием фото пластинчатого метода для анализа солнечного ультрафиолетового излучения после его прохождения озонового слоя. Представленные измерения были аномально низкими, достигнув 110-120 в сентябре и октябре. Эти значения аналогичны минимальным значениям озоновой дыры, которые в настоящее время обычно наблюдаются по Антарктике в те же месяцы. Некоторые из них утверждали, что эти ограниченные наблюдения свидетельствуют о том, что дыра в озоне существовала до того, как выбросы были достаточно большими, чтобы вызвать истощение. Однако анализ более обширных измерений спектрофотометра Добсона, выполненных в нескольких других антарктических местоположениях в 1958 году, не подтвердил низких общих значений содержания озона. Эти измерения показывают, что определения фотопластинок не были надежным источником общих значений озона на станции Дюмон-д'Юрвиль в 1958 [5].