Озонова діра — локальне падіння концентрації озону в стратосфері на 10—40 %. Пов'язано це з дією фреонів, зменшенням кількості кисню при запусках космічних кораблів та польотами реактивних літаків. Чітко виявляється при надмірно низьких температурах. Загальноприйнята в науковому середовищі теорія, за якою в другій половині XX століття зростання дії антропогенного чинника у вигляді виділення хлор- і бромвмісних фреонів (CFC) призвело до значного зменшення озонового шару. Згідно з іншою гіпотезою, процес утворення «озонових дір» значною мірою є природним і не пов'язаний винятково зі шкідливою дією людської цивілізації.
Історія Озонова діра діаметром понад 1 000 км вперше була відкрита 1985 року в Південній півкулі над Антарктидою групою вчених Британської антарктичної експедиції, Джо Фарманом, Браяном Гардінером і Джоном Шенкліном. Вона з'являлася у серпні і до грудня або січня зникала. Завдяки глобальній боротьбі з викидами фреонів (Монреальський протокол), антарктична озонова діра з 1989 року стабільно зменшується на 0,8 %, що виведе локальний рівень атмосферного озону на показники 1980 року приблизно до 2075 року. Проте, за даними Європейського космічного агентства (ESA), 16 вересня 2023 року розмір діри над Антарктидою досяг свого історичного максимуму та становив вже 26 млн кв. км, що еквівалентно розмірам Північної Америки'One of the biggest on record': Ozone hole bigger than North America opens above Antarctica. // By Harry Baker published October 10, 2023Розмір діри в озоновому шарі над Антарктидою наразі один із найбільших за всю історію. // Автор: Станіслав Ткацевіч. 06.10.2023.
Озонова діра над Антарктидою у 2023 році, як повідомляється в матеріалі Live Science, стала однією з найбільших за своїм розміром за весь час спостереження'One of the biggest on record': Ozone hole bigger than North America opens above Antarctica. // By Harry Baker published October 7, 2023Озонова діра над Антарктидою зросла до рекордних розмірів. // Автор: Наталья Веселова. 12.10.2023, 13:28 і продовжує поглиблюватисяОзонова діра над Антарктикою поглибшала. 25.11.2023, 15:39. В той же час, над Північною півкулею Землі в Арктиці утворилася інша озонова діра, але значно менших розмірів за антарктичну. Проте, вже в березні 2024 року, дослідники зафіксували рекордно високий рівень озону в Арктиці, що стало обнадійливим знаком для боротьби з кліматичними змінамиРівень озону в Арктиці досяг рекордно високого рівня. 11.10.2024, 21:30.
В 2025 році дослідники NOAA (Національного управління океанічних і атмосферних досліджень) та NASA повідомили, що озонова діра над Антарктидою виявилася значно меншою і зникла швидше, ніж зазвичай. Як на думку вчених її розміри зменшуються завдяки дотримання заходів Монреальського протоколу та спільним зусиллям людстваThis Year’s Antarctic Ozone Hole Was Shockingly Small. December 6, 2025Науковців вразив стан озонового шару над Антарктикою у 2025 році. // Автор: Михайло Года. 07.12.2025, 14:00.
Механізм утворення
Механізм синтезу, а також розпаду (фотоліз) озону, запропонував Сідней Чепман 1930 року, а тому його названо його ім'ям. Реакції утворення озону:
• 3О2 + hν → 2О + 2О2 → 2О3
Фотоліз молекулярного кисню відбувається в стратосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 175—200 нм і до 242 нм.
• О3 + hν → О2 + О
• О3 + O → 2О2
Озон витрачається в реакціях фотолізу і взаємодії з атомарним киснем: До зменшення концентрації озону в атмосфері веде сукупність чинників, головним з яких є руйнування молекул озону в реакціях з різними речовинами антропогенного і природного походження, відсутність сонячного випромінювання протягом полярної зими, особливо стійкий полярний вихор, який перешкоджає проникненню озону з приполярних широт, і утворення полярних стратосферних хмар (ПСХ), поверхню частинок якого каталізують реакції розпаду озону. Ці чинники особливо характерні для Антарктики, в Арктиці полярний вихор набагато слабший: через відсутність континентальної поверхні температура на декілька градусів вища, ніж в Антарктиці, а ПСХ менш поширені, до того ж мають тенденцію до розпаду на початку осені. Молекули озону (O3) хімічно дуже активні і можуть реагувати з багатьма неорганічними та органічними сполуками. Основними речовинами, що руйнують молекули озону, є: прості речовини (водень (H2), атоми кисню (O), хлору (Cl), брому (Br)), неорганічні сполуки (хлороводень (HCl), монооксид азоту (NO)), органічні сполуки (метан (CH4), фторхлор- і фторбромфреони, які виділяють атоми (Cl) і (Br)).
На відміну від гідрофторфреонів (HFC), які розщеплюються до атомів фтору, які, у свою чергу, швидко реагують з водою (H2O) утворюючи стабільний фтороводень (H2F2). Таким чином, фтор (F) не бере участі в реакціях розпаду O3. Йод також не руйнує стратосферний озон, оскільки йодовмісні органічні речовини майже повністю витрачаються ще в тропосфері.
Залежно від ланцюга реакцій, окрім механізму Чепмана (кисневий цикл Ox), виокремлюють ще три цикли руйнування озону: галогеновий, азотний, водневий. Діяльність людини збільшила галогенову частку розкладу захисного шару Землі. Частка розкладу озону залежно від циклу руйнуванняAndrew Dessler. «The Chemistry and Physics of Stratospheric Ozone» Academic Press. 2000:
Тиск (гПа) азот кисень водень галогени 1,31 0,10 0,26 0,41 0,21 3,78 0,50 0,14 0,11 0,25 8,93 0,68 0,11 0,08 0,13 21,9 0,46 0,12 0,19 0,20 55,8 0,12 0,03 0,48 0,14
Хлорний цикл ClOx
Хлорний цикл є різновидом галогенного циклу.
• CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl
• Cl + O3 → ClO + O2
• ClO + O → Cl + O2
Азотний цикл NOx Оксиди азоту грають важливу роль в реакціях руйнування озону в середній стратосфері. Не зважаючи на те, що азоту в атмосфері більше, ніж будь-якого іншого газу, утворення його оксидів безпосередньо з молекулярного азоту замале, оскільки молекула N2 дуже стабільна, фактично інертна. Для її розпаду потрібно багато енергії, наприклад розряд блискавки або дуже жорстке випромінювання, сонячні протони або галактичне випромінювання. В стратосфері цього немає, тому основним джерелом оксидів озота (NOx) є закис азоту (N2O), який утворюється на поверхні Землі і в океанах головним чином результатом діяльності бактерії. Людина теж вносить свій внесок — третина від всього закису азоту. Головною реакцією, за якою N2O перетворюється в NOx є наступна:
• N2O + O(1D) → NO + NO
Вона може протікати тільки вдень, тільки за наявності Сонця. Потім NO вступає в реакцію з озоном, водночас руйнуючи його, що приводить до утворення іншого оксиду азоту, NO2:
• О3 + NO → NO2 + О2
Ця реакція може протікати і вночі, тому концентрація двоокису азоту росте в темний час доби, оскільки вдень вона перетворюється назад по реакціях:
• NO2 + О → NO + О2
• NO2 + hν → NO + О
Третій оксид азоту, вже з трьома атомами кисню в молекулі, який знову таки реагує з озоном:
• NO2 + О3 → NO3 + О2
Він перетворюється назад в NO і NO2 через фотоліз:
• NO3 + hν → NO2 + O
• NO3 + hν → NO + О2
Тому знову таки його вночі більше, ніж вдень. Таким чином, оксиди азоту реагуючи з озоном збільшують число атомів кисню в своїх молекулах, а потім втрачають їх в реакціях з атомарним киснем або при фотолізі. Сумарно це приводить до загибелі озону. Процес цей ланцюговий і циклічний, оксиди азоту в ньому можуть розглядатися як каталізатори.
Водневий цикл HOx Іншою важливою родиною речовин, що руйнують озон, є замісники OH- і HO23+, об'єднувані загальною формулою HOx. Їх можна розглядати як оксиди водню. Проте на відміну від звичайних оксидів вони дуже реакційнопотентні (не можуть існувати як речовина, оскільки володіють неподіленою електронною парою, тобто є замісниками). Якщо два такі замісники зустрінуться разом, то вони прореагують один з одним, рекомбінують, утворюючи зовсім іншу речовину, наприклад два HO- замісники дадуть перекис водню (H2O2). Основним джерелом утворення HOx є реакція водяної пари з сінглетним атомом кисню:
• Н2O + О(1D) → OH + OH
Ця реакція дуже схожа на реакцію в якій закис азоту N2O, реагуючи теж з сінглетним киснем дає дві молекули NO. Важлива реакція з метаном:
• СН4 + О(1D) → СН3 + OH
Аналогічні реакції:
• ОН + О3 → НО2 + О2
• НО2 + О → ОН + О2
• НО2 + О3 → ОН + 2О2
В них гинуть дві молекули озону і регенерується OH- замісник, цикл замикається. OH- далі знову вступає в реакцію з озоном. Повний хімічний механізм складається з сотень реакцій.
Наслідки
Ослаблення озонового шару посилює потік сонячної радіації на землю і викликає у людей зростання числа ракових утворень шкіри. Також від підвищеного рівня випромінювання страждають рослини і тварини.
Стан озонового шару в Україні В Україні спостереження за станом озонового шару проводяться на чотирьох озонометричних станціях у Києві, Борисполі, Одесі, Львові (до 2014 року проводилось також на Кара-Дагу в Криму). За даними цих спостережень, протягом останніх 10 років загальний вміст озону в атмосфері був значно нижчим від кліматичної норми (аналогічна картина спостерігалася для всієї північної півкулі Землі в межах широт 40—60°). Для виявлення озонових аномалій аналізується відхилення значень загального вмісту озону в одиницях стандартного відхилення а. Якщо ці відхилення становлять від — 2,0 а до — 2,5 а, то це свідчить про критичну ситуацію, а коли перевищують значення –2,5 а, то констатується озонова аномалія («діра»). Протягом 2000 р. озонових аномалій над Україною не спостерігалося, проте було зафіксовано кілька випадків зменшення вмісту озону до критичних значень.
Відновлення Хоча людством були вжиті заходи з обмеженню викидів хлор- і бромвмісних фреонів шляхом переходу на інші речовини, наприклад фторвмісні фреони (CFC)Production, Sales, and Atmospheric Release of Fluorocarbons throught 2004 , процес відновлення озонового шару триватиме декілька десятиріч. Перш за все, це зумовлено величезним обсягом вже накопичених в атмосфері фреонів, які мають час життя десятки і навіть сотні років. Тому затягування озонової діри над Антарктидою не варто чекати раніше 2048 рокуPaul Newman. Recovery of the Antarctic Ozone Hole , а більш точно, згідно сподівань ООНОзонова діра в Антарктиді повністю відновиться до 2066 року. // Автор: Анна Неволіна. 22.09.2024: над Антарктидою — до 2066 року; над Арктикою — до 2045 року; для решти світу — до 2040 року.
Упередження стосовно озонової діри Існує декілька поширених міфів стосовно утворення озонових дір. Незважаючи на свою ненауковість, вони почасти з'являються в ЗМІПідбірка ненаукових статей про проблему з коментарями спеціаліста — іноді завдяки непоінформованості, іноді підтримувані прихильниками теорій змов. Нижче перераховано деякі з них.
Основними руйнівниками озону є фреони