Озоновый слой

Так как механизм создания молекул озона находится  в балансе с механизмом их разрушения, то среднее количество озона в  стратосфере ученые считают величиной  сравнительно постоянной с момента  образования современной атмосферы  Земли. Политические и экологические  проблемы, связанные с озоном стратосферы, вызваны такими химическими веществами, как хлорфторуглероды и галогены.

2. ХФУ и озон стратосферы:  химия процесса их взаимодействия.

С момента  их открытия в 30-40-х годах все говорило о том, что ХФУ слишком уж хороши для того, чтобы в них не таилась  какая-нибудь опасность. Они сравнительно недороги, высокоэффективны, стабильны  в атмосфере и нетоксичны для  человека. Эти свойства способствовали широкому распространению ХФУ в  различных областях современного производства. Производители электроники, например, стали использовать ХФУ в начале 80-х годов в качестве промывочных растворов. Это позволило им снять проблему загрязнения грунтовых вод, связанную с использованием в производстве метилхлорида и трихлорэтилена. Для различных областей производства хлорфторуглероды стали главным сырьем из-за своей стойкости к воздействию внешних факторов.

Проблема, конечно  же, заключается в “ахиллесовой пяте”ХФУ. Когда хлорфторуглероды попадают в атмосферу, они начинают мигрировать в стратосферу, где более интенсивное солнечное излучение воздействует на них и в результате реакции выделяется хлор. Этот хлор действует как катализатор, постоянно вступая в реакцию с молекулами озона с образованием молекул кислорода (О2) и молекул оксида хлора (ClO2). Молекулы оксида хлора затем вступают в реакцию с атомарным кислородом, с образованием молекул кислорода и свободных атомов хлора. И все начинается сначала. Посредством этого повторяющегося процесса одна молекула хлора может разрушить тысячи молекул озона, прежде чем сама будет нейтрализована. Это свойство ХФУ и выделяемого ими хлора делает фреоны очень опасными для озонового слоя стратосферы. Хотя следует отметить, что не все ХФУ и не все растворители имеют одинаковый озоноразрушающий потенциал. Например, метилхлороформ и четыреххлористый углерод - растворители широко применяемые в производстве, действуют на озон очень пагубно, хотя содержание хлора в них сравнительно низкое. Подобно хлору на озон действует другое вещество - бром. Бром, как и хлор, относится к группе веществ под общим названием галогены (хлор, фтор, бром, йод и астат). В то время, как в стратосфере брома содержится намного меньше, чем хлора, он более активен и несет ответственность за разрушение значительных количеств озона. В наибольшей степени научные и политические проблемы, стоящие перед мировым сообществом в вопросе об озоновых дырах сводятся к следующему: дополнительное поступление бром и хлор содержащих веществ в стратосферу приведет к нарушению естественного баланса образования и разрушения озона, так как появляется дополнительный фактор, приводящий к разрушению озона.

Как уже отмечалось выше, различные ХФУ имеют разную продолжительность жизни в атмосфере  и различную озоноразрушающую способность. Большая их часть - это долгоживущие вещества, они могут сохраняться в атмосфере десятилетиями и даже столетиями.

Для каждого  вещества, внесенного в список Монреальского протокола , математически рассчитан озоноразрушающий коэффициент в пересчете на одну молекулу. Этот коэффициент - относительная величина, где за единицу принят озоноразрушающий потенциал ХФУ -11 и ХФУ-12

Озоноразрушающая способность вещества определяется количеством атомов хлора или брома в молекуле, его продолжительностью жизни в атмосфере (то есть, того времени, на протяжении которого это вещество будет сохраняться в атмосфере, прежде чем оно распадется или будет выведено из нее) и особенностями химического процесса, необходимого для распада этого вещества. Существуют опасения, что эти вещества нарушают естественный озоновый баланс. Необходимый для образования атомарный кислород выше уровня 20 км образуется при расщеплении кислорода под действием ультрафиолетового излученияl <240 нм Ниже этого уровня такие фотоны почти не проникают, и атомы кислорода образуются, в основном, при фотодиссоциации двуокиси азота фотонами мягкого ультрафиолета сl<400 нм.

Разрушение  молекул озона происходит при  их попадании на частицы аэрозолей  или на поверхность земли, но основной сток озона определяют циклы каталитических реакций в газовой фазе.

Впервые мысль  об опасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х  годов, тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона  представляют выбросы водяного пара и оксидов азота из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов  и ракет. Однако, сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только“Конкорд”, совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, из военных самолетов в стратосфере летают практически только сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как B1-B или Ту-160 и разведывательные самолеты, типа SR-71. Такая нагрузка вряд ли представляет серьезную угрозу для озонного слоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобрений также представляет определенную опасность для озонного слоя, но оксиды азота нестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Запуски ракет также происходят не очень часто, впрочем, хлоратные твердые топлива используемые в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях“Спейс-Шаттл” или “Ариан”, могут наносить серьезный локальный ущерб озонному слою в районе запуска. В 1974 г. М. Молина и Ф. Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что хлорфторуглероды (ХФУ) могут вызывать разрушение озона. Начиная с этого времени так называемая хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодиьниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков.

Когда-то они  рассматривались как идеальные  для практического применения химические вещества поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит не токсичны. Как это ни пародоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и в конце концов проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ , которые распадаются на компоненты обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом ХФУ переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическом случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие уже попавших в атосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых фреонов составляет 75 и 100 лет соответственно.

Оксиды азота  способны разрушать озон, однако, они  могут реагировать и с хлором.

В ходе этой реакции содержание озона не меняется. Более важной является другая реакция, образующийся в ее ходе хлористый нитрозил является так называемым резервуаром хлора. Содержащийся в нем хлор неактивен и не может вступить в реакцию с озоном. В конце концов такая молекула-резервуар может поглотить фотон или вступить в реакцию с какой-нибудь другой молекулой и высвободить хлор, но она также может покинуть стратосферу. Расчеты показывают, что если бы в стратосфере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бы намного быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлористый водород HCl, образующийся при реакции атомарного хлора и метана.

Под давлением  этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование  ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. В сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали  в Монреале конвенцию, обязывающую  их снизить потребление ХФУ. Согласно достигнутой договоренности развитые страны должны к 1999 г. снизить потребление  ХФУ до половины уровня 1986 г. Для  испоьзования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ - пропан-бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками - вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена.

Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в  атмосфере. Так, по данным сети Глобального  мониторинга изменений климата, в фоновых условиях - на берегах  Тихого и Атлантического океанов  и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов - концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время  растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов. Вместе с тем, ранние прогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровня выброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упасть вдвое, возможно были слишком пессемистичны. Во-первых, дыра над Антарктидой во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широта. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -80? ?? Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы и способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Все это говорит о том, что ХФУ способны вызвать звметрое понижение концетрации озона только в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах, концентрация активного хлора должна быть намного выше. Во-вторых, при разрушении озонного слоя жесткий ультрафиолет начнет проникать глубже в атмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему, но только немного ниже, в области с большим содержанием кислорода. Правда, в этом случае озонный слой будет в большей степени подвержен действию атмосферной циркуляции.

Хотя первые мрачные оценки были пересмотрены, это ни в коем случае не означает, что проблемы нет. Скорее стало ясно, что нет немедленной серьезной  опасности. Даже наиболее оптимистичные  оценки предсказывают при современном  уровне выброса ХФУ в атмосферу  серьезные биосферные нарушения  во второй половине XXI в. , поэтому сокращать использование ХФУ по - прежнему необходимо.

3. Открытие проблемы и дальнейшее  развитие ситуации вокруг этого  открытия.

“Исследователи  должны были выйти за рамки химии  атмосферных явлений”, - написал  Ричард Бенедикт, официальный представитель  Госдепартамента США в администрации  Рейгана. По словам Бенедикта, игравшего  ключевую роль в переговорах по Монреальскому протоколу, научное сообщество, для того, чтобы“переварить” анализ Роуленда и Молина, “должно было связать воедино дисциплины, позволяющие изучать Землю как взаимосвязанную систему физических, химических и биологических процессов, происходящих на планете, в воде и атмосфере.... Ученые разработали еще более совершенные модели компьютерного симулирования взаимодействий между энергитическими, физическими и химическими процессами стратосферы на десятилетия вперед. Они использовали воздушные шары, ракеты и спутники для того, чтобы отслеживать поведение удаленных газов, концентрация которых не превышала нескольких молекул в триллионе молекул воздуха”. Для расчетов потерь озона необходимо было рассчитать сезонные колебания, одиннадцатилетний солнечный цикл и множество других факторов. Вследствие волны научных и общественных обсуждений проблемы, поднятой исследованием Роуленда и Молина, были приняты политические решения. Этот процесс достиг своей кульминации 11 мая 1977 года, когда три федеральных ведомства США - Комиссия по безопасности потребительских товаров, Агентство по охране окружающей среды и Комиссия по вопросам продуктов питания и медицинских препаратов - объявили о графике выведения из употребления аэрозольной продукции, содержащей ХФУ.

В свете вышесказанного, необходимо остановиться на двух принципиальных моментах. Во-первых, журналисты оказывают  плохую услугу своей аудитории, когда  утверждают, что озон страдает от использования  аэрозолей. Не сами аэрозоли, а ХФУ  в них, используемые в качестве распыляющих  компонентов, будут представлять опасность  для озонового слоя до тех пор, пока не возымеют действия запреты  на использование этих веществ во всех странах. Во-вторых, даже полное прекращение  использования ХФУ в аэрозолях  не решит проблему разрушения озонового  слоя. В производстве ХФУ используют в виде растворителей, хладонов и  компонентов пенопластов, поэтому  именно эти производства остаются источником поступления в атмосферу фреонов  в огромных количествах. Приведенные  выше две ошибки, к сожалению, довольно часто встречаются в журналистских  материалах. В 1985 году, после трех лет  переговоров, при участии ООН, было подписано международное соглашение - Венская конвенция. Венская конвенция установила механизмы международного сотрудничества в области исследований, мониторинга и обмена информацией о выбросах, концентрациях ХФУ и галогенов, а также выработала правовой статус озона стратосферы. Кроме того, Венская конвенция определила сроки разработки международных соглашений по конкретному сокращению выбросов. В тот же самый год произошло еще одно событие, которое повлияло на признание научным сообществом и общественностью проблемы озонового слоя. В 1985 году была обнаружена антарктическая озоновая дыра.