Механизмы разрушения озона

Выше рассматривался механизм образования озона в атмосфере только на основе кислорода как компонента воздуха. Между тем в образовании и разрушении озона атмосферы играют существенную роль и другие компоненты воздуха как основные, так и примесные.

Рассмотрение их влияния представляет существенный интерес как с точки зрения более углубленного понимания механизма образования озона в атмосфере, так и с точки зрения влияния антропогенных факторов на концентрацию озона в атмосфере.

В этом отношении большую роль играет азот как главная составная часть атмосферы. Известно около пятидесяти фотохимических реакций азота. Верхние слои атмосферы (мезосфера и термосфера) состоят из атомов и ионов азота, образующихся под действием коротковолнового космического излучения. Образование озона также происходит в верхних слоях атмосферы, начиная с высоты 80 км, где давление еще позволяет образование молекул при тройных столкновениях. Ниже, в стратосфере, где происходит основное образование озона, начинают играть роль оксиды азота, главным образом в виде моноксида и диоксида. В тропосфере их содержание убывает с высотой, вероятно, вследствие взаимодействий с водяным паром, тогда как в стратосфере картина обратная: содержание моноксида и диоксида с высотой возрастает. Согласно экспериментальным данным, на высоте 30 км концентрация оксидов азота после восхода солнца возрастает на два порядка. Существует мнение, что разложение озона определяет в основном азотный цикл. В нем разлагается до 80% озона. Укажем лишь на некоторые стадии из этого цикла:

NO₂ + O^* = NO + O₂ (1.42)

NO + O₃ = NO₂ +O₂ (1.43)

NO₂ + O₃ = NO^*₃ + O₂ (1.44)

NO^*₃ + hν = NO + O₂ (1.45)

Азот может способствовать образованию озона путем своего возбуждения и дальнейшего участия в возбуждении и диссоциации молекул кислорода:

N₂ + O₂ = N₂ + O^* + O^* (1.46)

Не исключена также возможность образования на свету атомарного кислорода из диоксида азота:

NO₂ + hν = NO + O^* (λ< 40 нм) (1.47)

В целом можно констатировать, что роль оксидов азота в разложении озона, очень велика, и они могут оказывать весьма существенное влияние на его концентрацию в атмосфере.

Из приведенных компонентов атмосферы, влияющих соответствующим образом на образование и разрушение озон, следовало бы остановиться на водяном паре, точнее, на атомарном водороде и paдикале гидроксида, образующихся при разложении воды под действием солнечного излучения:

Н₂О + hv = Н + ОН* (1.48)

Кроме того, вода может реагировать с атомами водорода и кислорода с образованием радикалов гидроксида:

О + Н₂О = 2ОН^* (1.49)

Н + Н₂О = Н₂ + ОН^* (1.50)

Хотя водяной пар содержится главным образом в тропосфере и его проникновению в стратосферу препятствует тропопауза, являющаяся своеобразной холодной ловушкой для водяного пара, тем не менее несконденсированные остатки воды проникаютиз тропосферы в стратосферу.

Как уже отмечалось, разложение озона определяет в основном азотный цикл. Поступления оксидов азота в атмосферу играют важную роль в загрязнении атмосферы и отрицательном влиянии на озоновый защитный слой.

Существенное влияние на образование оксидов в атмосфере оказывают выхлопные газы звуковых и сверхзвуковых самолетов. Bносит свой вклад в загрязнение атмосферы и растущее потребление азотных удобрений, которые под влиянием микроорганизмов генерируют NO2. Наконец, значительное воздействие может оказать и сжигание обычного топлива.

Говоря о влиянии антропогенных факторов на защитный слой озона, нельзя пройти мимо влияния хлора и его оксидов, возникающих при фотолизе хлорфторметанов (фреонов). Как известно, фреоны нашли очень широкое практическое применение.

Фреоны представляют собой галоидпроизводные метана, этана, пропана с обязательным содержанием фтора: СFС1₃, CF₂Cl₂, CF₃Cl, CF₄, C₂H₄F₂, C₂H₂F₄ и т. д. Они очень хорошо сохраняются в атмосфере, поскольку плохо растворимы в воде и не горят, имеют, как правило, низкие температуры кипения и поэтому на воздухе хорошо испаряются. Из тропосферы часть фреонов может уходить с водой и, не гидролизуясь, cкапливаться в океане. Океан является своеобразным резервуаром фреонов.

Фотолиз фреонов, происходящий под действием ультрафиолетового облучения, обусловливает разрыв связи С—С1 в фреоне и соответственно генерацию активного хлора:

CFC1₃ + hv = CFCI^*₂ + CI^* (1.51)

CFCI^*₂ + hv = CFCl^* + CI^* (1.52)

В свою очередь, С1 инициирует различные циклы взаимодействия с озоном, приводящие к его разрушению:

Сl + О₃ = СlО^* + О₂ (1.53)

СlО^* + О^* = Сl^* + О₂ (1.54)

СlO^* + О₃ = Сl^* + 2O₂ (1.55)

ClO^* + О₃ = СlO^*₂ + О₂ (1.56)

СlO^*₂ + O^* = ClO^* + О₂ (1.57)

На озоновый слой влияет главным образом азотный цикл, тогда как галоидный цикл оказывается не столь существенным. Тем не менее, по-видимому, он заслуживает должноговнимания. Появление озоновых дыр, обнаруженных над Антарктидой и в других районах, обеспокоило весь мир, в связи с чем производство фреонов в настоящее время запрещается или сводится к минимуму. Обсуждавшиеся выше теоретические вопросы относились к каждому отдельно взятому (изолированному) циклу. Что касается взаимодействия циклов, то, к сожалению, оно еще мало изучено. По предварительным данным, реакции

Сl^* + NО = NО₂ + Сl^* (1.58)

ClO^* + NO₂ = ClONO₂ (1.59)

(особенно последняя) могут в значительной степени влиять на эффективность действия циклов, резко усиливая их.

1.6. «Парниковый эффект»

Эмиссия в атмосферу некоторых газов:CО₂, CO, CH₄, C₂H₆, С₂Н₄, оксидов азота, фреонов - приводит к появлению «парникового эффекта».

Под термином «парниковый эффект» понимается специфическое явление.

Обычное солнечное излучение при безоблачной погоде и чистой атмосфере сравнительно легко достигает поверхности Земли, по­глощается поверхностью почвы, растительностью, постройками и т. д., а 30% ее отражается в космическое пространство. Нагретые земные поверхности отдают тепловую энергию снова в атмосферу, но уже в виде длинноволнового излучения в соответствии с законом Вина, согласно которому частота излучения с максимальной интен­сивностью V_max прямо пропорциональна абсолютной температуре Т:

V_max = bT (1.60)

где b - константа.

Максимум излучения в солнечном спектре лежит в желто-зеленой области видимого интервала длин волн (380-750 нм). Эта об­ласть практически не поглощается атмосферными газами N₂,O₂, CO₂, Н.₂О и др., но температура нагретых поверхностей на Земле много ниже температуры поверхности Солнца. Поэтому максимум излуче­ния с поверхности Земли в соответствии с законом Вина приходится уже на инфракрасную часть спектра.

В ближнем инфракрасном диапазоне это излучение интенсивно поглощается трехатомными (парниковыми) молекулами воды, СО₂, SO₂, N₂О, имеющими интенсивные полосы поглощения в интервалах длин волн 2-5 мкм. В результате инфракрасное излучение Земли не рассеивается в космическом пространстве, а расходуется на повыше­ние интенсивности теплового движения молекул в атмосфере, что и вызывает глобальное повышение температуры.

Основным по значению «парниковым» газом являются водяные пары. За ним следуют СО₂, дающий сегодня по сравнению с началом 20-го века прирост «парникового» эффекта на 49%, метан (18%), фреоны (14%), N₂O - (6%). На остальные газы приходится около 13% прироста.

Естественный «парниковый эффект» создает прирост средней температуры на поверхности Земли на 30°С. При его отсутствии средняя температура поверхности Земли, составляющая в настоящее время 15°С, понизилась бы до -15°С, т.е. началось бы глобальное оледенение.

Природное равновесие содержания в атмосфере «парниковых газов», начиная с 18-го века, претерпело серьезные нарушения. За 250 лет содержание метана в атмосфере увеличилось в три раза вследствие антропогенного влияния (добыча ископаемых видов топлива, рисовые поля, биохимические процессы разложения бытовых отходов и др.).

Рост концентрации СО₂ (на 25% в настоящее время) сначала происходит из-за массовой вырубки лесов, потреблявших углекислый газ на синтез биомассы растений. С начала 19-го века определяющую роль приобретают выбросы CO₂ с продуктами сжигания ископаемого топлива, технологических и попутных газов. Общее выделение СО₂ в результате антропогенной деятельности составляет ежегодно 0,7% от его естественного содержания в атмосфере.

Последствие парникового эффекта, которое вызывает наибольшие опасения, - это подъем уровня Мирового океана.

Потепление на Земле, по мнению климатологов, за счет роста температуры на 0,1°С считается значительным, а увеличение температуры на 3,5°С - критическим. За последние 100 лет потепление на Земле составило 0,5-0,7^оС. Международная конвенция климатологов в Австрии (1988) прогнозировала к 2030-2050 гг. повышение температуры на 1,5-4,5°С, которое может вызвать подъем уровня океана на 50-100 см, а к концу 21 -го века - на 2 м.

Трудно предсказать все страшные последствия повышения уровня моря. Людей ждет не только «всемирный потоп», могут усилиться и засухи. Таяние полярных льдов приведет к повышению уровня Мирового океана, т.е. к затоплению территорий, где проживает подавляющее большинство населения и сосредоточен основной промышленный потенциал. Изменение перепада температур между зонами полюсов и экватора Земли нарушит естественную циркуляцию атмосферы. Ослабление интенсивности переноса воздушных масс приведет к существенному ухудшению переноса теплоты и влаги, т.е. произойдет глобальное изменение климата: в зонах с жарким и сухим климатом увеличивается количество атмосферных осадков, в умеренном поясе станет значительно суше.

Наземные экосистемы не смогут достаточно быстро приспособиться к изменению климата. Огромные лесные массивы в результате разложения и сгорания будут дополнительными источниками углерода, что усугубит потепление.

На Конференции по охране окружающей среды в Рио-де-Жанейро (1992) была принята рамочная Конвенция ООН об изменении климата, в которой записано,что участвующие страны «преисполнены решимости защитить климатическую систему в интересах нынешнего и будущего поколений». Конечная цель Конвенции -добиться стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на уровне, не допускающем опасного антропогенного воздействия на климатическую систему. При этом 25 развитых стран, а также страны, осуществляющие переход к рыночной экономике, должны взять на себя более конкретные обязательства: вернуть­ся к уровням выбросов парниковых газов 1990 г., предоставить финансовые ресурсы, передать безопасные технологии другим заинте­ресованным сторонам и др.

Для предупреждения или полного исключения поступления в атмосферу оксидов углерода и серы, снижения «парникового» эф­фекта и кислотных выпадений предлагались в разные времена свое­образные проекты, часть из которых пока имеют оттенок научной фантастики. Так, предложен способ складирования СО₂ в твердом или жидком состоянии в глубоких отработанных шахтах. Тамжескладируются и твердые оксиды серы. Принципиально такая схема, видимо, осуществима, но условия ее реализации и стоимость пока не позволяют надеяться на осуществление в ближайшее время. Склади­рованные жидкие или твердые оксиды можно при этом использовать для народнохозяйственных целей, в частности для перевода СО₂ в биомассу.