Озоновый экран: состояние и изменения

Озоновый экран: состояние и изменения

ClO + O = O2 + Cl
В качестве катализатора реакции разложения озона может служить OH- радикал, образующийся с участием паров воды:
OH + O3 = O2 + HO2
HO2+ O = O2 +OH
По расчетам одна молекула хлора способна разрушить до 1 млн молекул озона в стратосфере, а одна молекула оксида азота – до 10 молекул O3. Феномен антарктической «озоновой дыры» по одной из теорий объясняется воздействием хлорфторуглеродов (фреонов) антропогенного происхождения. Так, измерения показали почти двукратное превышение фоновых концентраций хлорсодержащих частиц в зоне антарктической «дыры» и наличие в весенние месяцы в стратосфере над Антарктидой областей почти без озона.
Природной причиной разрушения озонового слоя из-за поступления в стратосферу атомарного хлора является хлорметан (CH3Cl) – продукт жизнедеятельности организмов в океане и лесных пожаров на суше1. В то же время достоверно установлено, что в результате деятельности человека в атмосферепоявился значительный избыток азотных и галогеноуглеродных соединений.
Оксиды азота антропогенного происхождения образуются из азота и кислорода воздуха при высоких температурах (начиная с 1000°С и выше) в присутствии катализаторов, в качестве которых выступают различные металлы. Такие условия складываются при сжигании топлив, причем чем выше темнература процесса горения, тем больше образуется оксидов азота. Наиболее подходящие условия для образования оксидов азота имеются в современных двигателях, в том числе у воздушных судов, давно освоивших как тропосферу, так и стратосферу.
Кроме того, зона стратосферы, где находится озоновый слой, подвергается воздействию ракетной техники. Принципиально новые проблемы возникают при использовании ракетоносителей, в первую очередь на твердом топливе, так как оно содержит много соединений хлора и азота. При подъеме на высоту 50 км при общей массе полезного груза 29,5 т для ускорителей американского «Спейс шатл» количество отходов, наиболее опасных для озонового слоя составляет: хлор и его соединения – 187 т, оксиды азота – 7 т, оксиды алюминия (в виде аэрозолей) – 177 т1.
Согласно оценкам экспертов Всемирной метеорологической организации, при уровне поступления в атмосферу фреонов, имевшемся в начале 90-х годов, концентрация озона в стратосфере через 15-20 лет должна уменьшиться на 17%, после чего стабилизироваться. При этом климат у поверхности Земли должен измениться незначительно, а уровень ультрафиолетового излучения – возрасти на треть.
Атомарный хлор образуется в стратосфере в результате фотохимического разрушения хлорфторуглеродов, или фреонов, иди хладонов CF2Cl2 и CFCl3. Эти вещества летучи и устойчивы в тропосфере. Однако в условиях стратосферы они начинают распадаться в связи с образованием свободных атомов галогенов.
Хлорфторуглероды являются очень стабильными веществами. Время их существования в атмосфере велико: многие десятилетия. Они долгое время широко применялись в аэрозольных баллончиках, холодильных и иных установках. Хлорфторуглерод «Хладон 12» (CCl2F2) был специально подобран для замены токсичного и обладающего резким запахом аммиака, повсеместно применявшегося до того времени в холодильных агрегатах. Два основных положительных качества «Хладона 12» - негорючесть и нетоксичность. Кроме этого, соединение коррозионно пассивно.
После того как выяснилось, что хлорфторуглероды столь губительны для стратосферного озона, было предложено использовать заменители – хлорфторуглеводороды и фторуглеводороды, имеющие в составе своих молекул атом водорода, химическая связь с которым менее прочная. Эта особенность снижает стойкость соединения, и оно может разрушаться уже в тропосфере, а не только когда попадает в стратосферу.
Таким образом, большая часть воздействия на озоновый слой планеты связана с хозяйственной деятельностью человечества. Поэтому быстрого изменения ситуации ждать не стоит. Ведь человечество не может взять и отказаться от использования минеральных удобрений или быстро перейти на новые технологии производства холодильных установок.
О нарушении озонового слоя свидетельствовали озоновые дыры появлявшиеся весной над Антарктикой. Там благодаря особой циркуляции воздуха в атмосфере в зимние и весенние месяцы, присутствующие в стратосфере химические вещества, такие как хлор, фтор, азот, метан и др., преобразуются в активные, которые быстро разрушают озон. Измерения показали, что в такие периоды концентрация окиси хлора в 100-500 раз больше чем в средних широтах. То есть вредные вещества, которые попадают в атмосферу переносятся движением воздуха на все широты, но только в Антарктике в конце зимы и весной, благодаря особым природным условиям они эффективно разрушают стратосферный озон. Но это не значит что проблема озоновой дыры в Антарктике региональная, а не глобальная.
Весь озон на планете находится как бы в сообщающихся сосудах, в одних районах он образуется регулярно, а в других плохо, где-то он живёт годы, а где-то секунды1. Соответственно если он исчезнет без компенсации в одном месте, то общий объём озона в мире уменьшится. Но в нашем техногенном мире, перекись азота, поступающая в приземной воздух больших городов в составе автомобильных выхлопных газов реагирует при ультрафиолетовом облучении с ненасыщенным углеводородом, тем самым, формируя в больших городах озоновый смог. В приземном слое воздуха озон не только образуется, но и разлагается. Разложение происходит за счёт растений, животных и промышленных выбросов.
Вся совокупность экспериментальных данных свидетельствует о том, что имеет место глобальное истощение озонного слоя. Оно имеет определенно антропогенное происхождение. Последнее утверждение требует знания временных вариаций озонного слоя, которые могли бы быть вызваны естественными причинами, в первую очередь изменениями во времени солнечного потока. Надежные измерения этой величины появились сравнительно недавно. Изменения интегрального потока (по всем длинам волн) невелики. Они составляют десятые доли процента. Хорошо прослеживается зависимость от известных 11-летних циклов активности Солнца. Так, за период уменьшения солнечной активности 1978-1985 гг. поток убыл примерно на 0,1%. Но излучение в УФ области спектра, существенное для наработки озона, меняется гораздо сильнее по сравнению с изменением полного потока. Последний определяется в основном видимым и инфракрасным спектром. За счет изменения активности Солнца можно ожидать уменьшения и повышения глобального содержания озона в стратосфере с цикличностью примерно 11 лет и масштаба порядка 1%. Спутниковые измерения за период 1978-1985 гг. обнаруживают ожидаемое понижение содержания озона. Однако возрастание солнечной активности в последующие годы и возвращение к уровню 1978 г. не сопровождалось полным восстановлением озонного слоя. Этот факт хорошо укладывается в общую картину глобального истощения, о которой было сказано в начале этого раздела.
Поставленное перед фактом серьезной угрозы для жизни на Земле мировое сообщество оказалось вынужденным принять защитные меры. Понимая остроту и сложность этой неожиданно возникшей перед человечеством глобальной экологической проблемы, участники международных переговоров в Вене в марте 1985 г. подписывают «Венскую конвенцию по охране озонового слоя», призывающую страны к проведению дополнительных исследований и обмену информацией по сокращению озонового слоя. Однако они не смогли прийти к согласию о единых международных мерах ограничения производства и выбросов хлорфторуглеродов.
1987 г. был принят так называемый Монреальский протокол, по которому 98 стран-участников обязались сократить к концу века производство и использование соединений хлорфторуглеродов. В последующие годы положение усложнилось. Наблюдаемое истощение озонного слоя оказалось более быстрым, чем это представлялось. Поэтому свыше сотни стран, включая все наиболее индустриально развитые, приняли дополнительные обязательства по прекращению производства наиболее опасных соединений. В 1990 году на новой встрече в Лондоне ограничения были ужесточены – около 60 стран подписали дополнительный протокол с требованием полностью прекратить производство хлорфторуглеродов к 2000г.
В связи с тем, что подобные ограничения затрагивали экономические интересы стран, был организован специальный фонд для помощи развивающимся странам для выполнения требований Протокола. В частности, благодаря Индии было достигнуто отдельное соглашение о передаче этим странам передовых технологий для самостоятельного производства заменителей хлорфторуглеродов.