Основные модели разрушения озонового слоя

Введение
Механизм образования озонового слоя на планете
Влияние фреона
Основные модели разрушения озонового слоя
Заключение
Список литературы

Основные модели разрушения озонового слоя

Состав ХФУ ясен из их названия. Это нетоксичные, невзрывоопасные, негорючие, не имеющие запаха вещества. ХФУ успешно используются для получения озонидов металлов при низких температурах как инертная среда, не вступающая в реакцию с реагентами: металлами, озоном и озонидами. Давно известен способ выделения озона с целью отделения от кислорода: после реакции получения озона в тихом электрическом разряде в озонаторах (электроды – алюминий или медь) его растворяют во фреонах при низкой температуре. Кислород во фреонах практически не растворяется, наиболее удобны фреоны 12 и 22. Растворимость озона в них при –163 °С достигает 50 %, при нагревании такого раствора первым испаряется озон. Растворы озона во фреонах не взрывчаты, могут длительно храниться при низкой температуре4.
С 1931 г. было произведено около 15 миллионов тонн ХФУ, и две трети из них – за последние 15 лет5. По расчетам, ХФУ «живут» в атмосфере в течение 70–100 лет. Существует мнение, что эти инертные вещества не распадаются в тропосфере (нижний слой атмосферы – примерно 20 км) и в течение нескольких месяцев благодаря движениям воздушных масс проникают в стратосферу, верхняя граница которой находится на высоте около 50 км. Хотя озон наблюдается в атмосфере от самой поверхности Земли до высот 80–90 км, вертикальное распределение озона таково, что позволяет говорить о слое озона на высотах 15–30 км, с максимально зависящим от широты места в полярных областях – 11–14 км, в умеренных широтах – 19–21 км и в тропических широтах – 24–27 км. Существенно, что температурная стратификация в атмосфере такова, что на максимальное содержание озона приходится температура значительно ниже 0 °С и в среднем составляет по всем широтам около –56,6 °С. Давление в этой области составляет порядка 1/32 доли атмосферы, в интервале 15–50 гПа, что составляет в среднем около 31–32 гПа, максимальное содержание озона в этой области – 10-5–10-6 объемных процентов. На рис. 2 приведены данные для зоны умеренных широт Земли: изменения температуры и содержания озона в атмосфере в зависимости от высоты над уровнем Земли. На основании приведенных данных можно сделать выводы, что фреоны метанового ряда являются инертными веществами, сами не взаимодействуют с озоном и никак не могут быть поставщиками хлора, разрушающего озон. В таком случае возникает вопрос: какими данными апеллировали при введении в действие документов, запрещающих использование таких фреонов?
Рисунок 2. Изменение температуры и содержания озона
В литературе продолжается дискуссия о компетентности оснований для запрета по Монреальскому протоколу производства и использования так называемых «озоноразрушающих фреонов», в число которых входит известный фреон 12 (СF2 Cl2).
Основные модели разрушения озонового слоя
Российские ученые из отдела озонного мониторинга Центральной аэрологической обсерватории (Московская обл.) Г. Крученицкий и А. Звягинцев совместно с членом-корреспондентом РАН В. Зуевым из Института оптики атмосферы СО РАН (г. Томск) тщательно проанализировали данные о содержании озона за двадцать с лишним лет, полученные с помощью новейшей спутниковой аппаратуры ТОМS, и установили, что озоновый слой восстановился, и это при максимальном за все время использования фреонов их количестве в стратосфере и других сферах. Они обращают внимание на то, что восстановление озона нельзя объяснить мерами, принятыми мировым сообществом6. Колебания содержания озона в озоновом слое – сложный комплекс процессов не только земных, но и космических, которые нужно изучать. Уже обнаружена связь изменений в озоновом слое и содержания озона с двухлетним (28 месяцев) и одиннадцатилетним циклами солнечной активности, с так называемыми североатлантическим и южным колебаниями, связанными с Эль–Ниньо. Самое удивительное, что влияние солнечной активности на озоновый слой было обнаружено более четверти века назад. 4 августа 1972 г. американский спутник«Нимбус» зафиксировал понижение содержания озона над полярными шапками Земли, произошедшее в результате мощной вспышки на Солнце, сопровождавшейся резким усилением потока космических лучей (И.Ю. Никаноров, г. Тула).
В публикациях также не учитывается взаимодействие сложных химических каталитических циклов, о которых мы не все знаем и которые присутствуют и поддерживают довольно стабильное равновесие в системе «озоновый слой в атмосфере». А.Д. Данилов в своей книге популярно изложил данные о химических процессах, происходящих в атмосфере. Он пишет, что пока известно три цикла, которые воздействуют на содержание озона, – это циклы NOx, HОx и ClOx. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.
Азотный цикл (NOx):
N2O + O(1D) → NO + NO
О3 + NO → NO2 + О2
NO2 + О → NO + О2
Водородный цикл (HOx) :
Н2O + O → OH + OH
ОН + О3 → НО2 + О2
НО2 + О3 →ОН + 2О2
Хлорный цикл (ClOx):
CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl
Cl + O3 → ClO + O2
ClO + O → Cl + O2
При одновременном действии всех трех циклов их суммарный эффект не будет равен сумме индивидуальных эффектов, а будет меньше последнего. Так, при одновременном присутствии в стратосфере большого количества NОx и ClOx начинает активно образовываться нейтральное соединение ClONО2 (нитрат хлора). При его рождении гибнет по одному активному участнику каждого из двух циклов, а сам он в разрушении озона не принимает участия. Не очень активен нитрат хлора ClONО2 и по отношению к другим атмосферным соединениям, эта молекула должна жить довольно долго – до разрушения в результате фотодиссоциации. Таким образом, природой в виде ClONО2 как бы поставлен барьер для активной деятельности по разрушению озона одновременно в азотном и хлорном циклах. По некоторым оценкам, уменьшение концентрации озона на 7 %, которая получается по хлорному циклу, без учета роли нитрата хлора, снижается до 2 % при учете роли этого «ограничителя». Совсем непросто взаимодействуют между собой азотный и водородный циклы. Здесь вновь и речи не идет о простом сложении эффектов от двух циклов. Наоборот, показано, что наличие значительных количеств HОx не только замедляет работу азотного цикла, но может привести к обратному эффекту – увеличению концентрации озона. Современный подход к проблеме влияния на слой озона описанных выше циклов состоит в построении сложных моделей. Такие модели сложны, потому что должны учитывать огромное количество химических реакций (100–200 и более), а также потому, что они должны быть трехмерными, чтобы учесть эффекты вертикального и горизонтального переноса озона, роль тех и других циклов. Эти процессы играют большую роль в жизни озонового слоя (как и в жизни любой системы, необходимо учитывать множество факторов) и могут существенно изменять результаты того или иного антропогенного воздействия, рассчитанного только с учетом лишь фотохимии, как сделано во многих работах.
Очень интересна гипотеза разрушения озона в результате «водородной продувки», вулканического воздействия и дегазации недр. Извержения вулканов поставляют огромное количество компонентов на высоту стратосферы. Например, постоянно действующий вулкан Эребус (3 797 м, 77,52° ю. ш. и 167,15° в. д.) согласно исследованиям, проведенным в начале 1990-х гг. выбрасывает ежесуточно 90 тонн хлористого водорода HCl даже в относительно спокойный период. Поскольку HCl попадает практически непосредственно в стратосферу, он должен накапливаться в зимнее время внутри циркумполярного вихря и разлагаться, давая атомарный хлор7. Этот вулкан находится в прямой видимости со станции Мак–Мердо, где как раз в период его наибольшей активности изучали озоновую дыру. Именно тогда решили, что озоновая дыра увеличивается в результате попадания в атмосферу фреонов! Кроме хлористого водорода, вулканы извергают огромное количество пара, водорода и других компонентов, далеко не безопасных для озонового слоя.
В результате вышесказанного становится ясно, что баланс образования и разрушения озона связан с количественным влиянием множества факторов, которые до сих пор мало или совсем не изучены, не определены размеры этих влияний, поэтому имеющиеся знания не позволяют сделать достоверные и корректные выводы. Связывать же разрушение озоновой оболочки с влиянием одного фактора не научно.
Литературный анализ позволяет сделать некоторые заключения о проблеме основных моделей разрушения озонового слоя.
Известно, что:
1 - озоновый слой изучается менее 50 лет;
2 - время жизни фреонов метанового ряда – более 50 – 70 лет в атмосфере;
3 - фреоны используются как инертная среда для получения неустойчивых, очень реакционноспособных, взрывчатых озонидов металлов;
4 - во всех доводах и расчетах практически всеми учитываются только фотохимические реакции и игнорируются другие химические процессы, а также химические циклы;
5 - не изучено влияние на химические процессы давления Р, температуры Т, количественного состава веществ Х в зоне озонового слоя;
1 - не известно, какую роль могут играть ионные процессы (хотя ионы присутствуют в стратосфере и они ничуть не «хуже», чем такие же частицы на высоте 60 км, тем не менее принята концепция ионосферы, связанная с распространением радиоволн: ионосфера начинается на высоте 50 – 60 км);
2 - не изучены вклады тех или иных процессов;
3 - озоноразрушающих факторов много и вклады их в разрушение озона мало либо совсем не изучены. Вот некоторое их количество:
4 1) космические процессы: влияние солнечной активности, магнитное поле Земли и т. д.;
5 2) геологические процессы: вулканизм, глубинная водородная дегазация, землетрясения и т.п.;
6 3) естественные процессы: лесные пожары, пылевые бури, образование аэрозолей, молниевые разряды, Эль–Ниньо и т. д.;
7 4) динамические процессы в атмосфере: внутренние гравитационные, турбулентная диффузия в стратосфере, циклоническаие процессы и т. д.