Озоносфера

Влияние высотных ядерных взрывов на озон нужно  различать кратковременные и долговременные эффекты. Вряд ли можно ожидать, что в облаке, насыщенном окислами азота, количество озона сохраниться неизменным. Оценки по теоритическим моделям дают уменьшение концентрации озона в области максимума слоя в 3-30 раз в зависимости от параметров взрыва. Измерить, однако, такие эффекты по понятным причинам трудно. Кроме того, к нашему счастью, в последние два десятилетия высотные взрывы не проводятся(основная серия была в 60-х годах), и поэтому нет возможности проверить теоретические оценки изменения концентрации озона с помощью наблюдений современными методами [3].

Серии  высотных ядерных испытаний 60-х годов, по оценкам, привели в сумме к образованию в стратосфере дополнительно большого количества окислов азота, сравнимого с их естественным источником. Так, в 1961 г.  ядерный источник   дал примерно 600 кт, а в 1962 г. – 1100 килотонн, что лишь немного меньше естественного поступления   – 1600 килотонн в год. Казалось бы, такая «добавка» к обычному фону азотных соединений не могла сказаться на количестве озона в эти годы в глобальном масштабе. Однако все попытки найти по мировой сети озонометрических  станций тех времен следы какого-либо систематического уменьшения N в этот период не дали определенного результата. Более того,  по некоторым данным количество озона в последующие годы даже возросло. Не удалось обнаружить глобальных эффектов в N и после высотных ядерных взрывов весной 1970 г., хотя тогда уже велись наблюдения N со спутника «Нимбус-4».

Все эти данные поставили под сомнение даже сам  факт отрицательного  влияния высотных ядерных взрывов на количество озона и  позволили некоторым  ученым высказать предложение, что  в результате всего комплекса процессов, происходящих в облаке, количество озона может не уменьшаться, а возрастать [4].

Более реальным все-таки, с позиции наших сегодняшних  знаний о физике стратосферного озона, представляется уменьшение концентрации озона в результате взрыва. Однако, каков бы ни был правильный ответ, памятуя, что речь идет о ядерном оружии, будем надеяться, что мы никогда больше не получим возможности проверить в этом вопросе теорию экспериментом.

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Озон во влажной атмосфере

 

 

Развитие работ  по изучению озона и его дальнейшей судьбы после «самолетного бума», описанного выше, пошло очень быстро. В ряде стран были созданы специальные лаборатории и даже целые институты, занимающейся озонной проблемой. При многих международных организациях были организованы комиссии, советы, рабочие группы для координации усилий ученых разных стран, проведения совместных программ наблюдений и выработки рабочих документов, суммирующих наши знания об озоне и его судьбе на тот или иной момент. Отметим сразу, что такое положение сохраняется и по сей день и что в самое последнее время  в связи с ажиотажем вокруг «озонной дыры» активность международных озонных органов заметно возросла.

Одним из немаловажных результатов интенсивного изучения озона и его фотохимии явилось  установление того факта, что каталитический цикл разрушения озона типа реакции:

;

.

возможен при  участии не только окислов азота, но также и окислов водорода. В последнем случае этот цикл выглядит так:

Не правда ли, все как с азотом, только с водородом. И смысл тот же: молекула гидроксила ОН погибла – молекула перекиси образовалась, молекула погибла – молекула ОН восстановилась. Убыли ни , ни ОН нет. А молекулы и атомы О гибнут.

Итак, разрушение озона в атмосфере возможно и  в каталитических реакциях с участием окислов водорода. К циклу процессов с участием соединений азота добавляется еще и цикл водородный.

В каком же виде водород поступает в атмосферу? Прежде всего, в виде наиболее распространенного на Земле вещества – воды. То, что окружающий нас воздух может быть буквально насыщен влагой, каждый знает из своего опыта. Вода играет важную роль в состоянии тропосферы, именуемой погодой, и последняя часто определяется именно перемещением влажных и сухих масс воздуха.

Но путь молекул  воды из тропосферы в стратосферу  отнюдь не прост. Законы атмосферной  динамики таковы, что переноса масс воздуха через тропопаузу практически не происходит. Поэтому и молекулы малых составляющих(будь то закись азота, вода, или фреоны) попасть в стратосферу из тропосферы, просто двигаясь вверх, не могут. Исключение составляет очень холодная и высокорасположенная (17-18 км) тропопауза тропических широт, где такой перенос происходит. В результате молекулы реагентов, попавших в тропосферу в средних широтах, должны проделать длинный путь: сначала в тропосфере к экватору (горизонтальный перенос), затем через тропическую тропопаузу (вертикальный перенос) и, наконец, назад в средние широты уже на стратосферных высотах(горизонтальный перенос). Небольшим, видимо, добавлением к описанному механизму служит проникновение в стратосферу мощных кучевых облаков, которые иногда «пробивают» тропопаузу и возносят свои башни на несколько километров в стратосферу. В этом случае перемещение воздуха внутри облаков забрасывает некоторое количество тропосферного газа со всеми содержащимися в нем малыми примесями непосредственно в стратосферу [1].

В результате описанных  процессов в стратосферу регулярно поступают  молекулы , которые затем разрушаются под действием солнечного ультрофиолетового излучения (фотодиссоциация) или в результате химических реакций  и образуют и . Эти процессы и формируют равновесные концентрации поров воды в стратосфере. Если  в тропосфере, как мы знаем из опыта, количество воды в воздухе меняется очень сильно, то в стратосфере относительная концентрация ɳ паров воды довольно стабильна и на высотах 15-30 км составляет(3-4)* . Впрочем, такая стабильность характерна лишь для низко- и среднеширотной стратосферы. В полярных областях  ɳ( ) на тех же высотах меняется в несколько раз.

Человеческая деятельность также привносит воду в верхние слои атмосферы. При подъемах крупных ракет (типа «Атлас») в атмосферный газ выбрасывается большое количество молекул. Известны случаи, когда в ионосфере на высотах 200-300 км образовывались  в результате этого «дыры» - области с сильно пониженной концентрацией электронов – диаметром в сотни километров. Происходит выброс воды и при полетах стратосферной авиации. Но оценить вклад этих процессов в общий баланс в атмосфере трудно.

Вторым веществом, с помощью которого водород попадает в атмосферу, является  метан . Природный источник метана – влажные леса, болота и рисовые поля, где он образуется в основном как результат деятельности анаэробных бактерий. Заметный вклад в общее поступление метана вносят и жвачные животные [5]

До середины 70-х годов считалось, что количество метана в атмосфере достаточно стабильно  и составляет примерно одну молекулу на миллион молекул воздуха, то есть , во всем интервале высот от 0 до 35-40 км.

Однако метан  попадает в атмосферу не только благодаря  деятельности анаэробных бактерий. Антропогенными источниками метана являются выбросы из угольных шахт (рудничный газ), а также добыча нефти и природного газа. По различным оценкам, из этих источников в атмосферу ежегодно поступает метана от16 до 20 Мт, что составляет заметную часть общего его поступления (440-850 Мт в год). В последние десятилетия стало ясно, что начиная еще с XVIII в. происходит рост количества метана в атмосфере. В результате хозяйственной деятельности человека количество метана в атмосфере уже к середине 80-х годов выросло по сравнению с приведенной  выше цифрой на 30-40% , и сегодня оно ежегодно увеличивается на 1-2 % [7]

4.3 Фреоны

 

 

Фреоны представляют собой хлорфторуглеродосодержащие соединения. Они появились еще в 20-х годах при развитии холодильной техники как  хороший заменитель использовавшегося прежде  аммиака. В дальнейшем фреоны получили широкое распространение при производстве различных аэрозолей (дезодорантов, лаков, инсектицидов и т.д.), а также в других областях техники (смазки, антикоррозийные покрытия, изготовление пенопластов и т.д.). Список используемых в настоящее время фреонов весьма длинен, и их описание заняло бы много места. Я укажу здесь для примера два наиболее распространенных фреона – F-11 ( ) и F-12( ). В нумерации фреонов зашифрована их химическая формула, поэтому наряду с F-11 и F-12 существуют, например, F-22, F-114,F-116 и т.д. К фреонам относят также фторуглеродные соединения, в которые вместо хлора входит бром. Так, в списке фреонов есть, например, F-31BI ( ) [11].

Рост производства фреонов во второй половине нашего века идет огромными темпами. За период с 1956 по 1975 г. промышленный выпуск F-11вырос почти в 50 раз, F-12 в 20 раз. Соответственно, быстро растет и количество фреонов. Попадающих в атмосферу. Так, с 1950 по 1980 г. выброс F-11 вырос примерно в 300 раз, а F-12 – более чем в 10 раз.

 

 

 

 

Рисунок 3 –  Промышленный выпуск фреонов

 

В изучения возможности  разрушения озона под действием  хлорного цикла выяснилось, что фреоны не являются единственным источником антропогенного хлора в атмосфере. Мировая химическая промышленность выпускает в больших количествах и другие хлорсодержащие соединения. К ним прежде всего относятся четыреххлористый углерод и дихлорэтан . Эти вещества являются промежуточными соединениями при многих важных промышленных процессах, и их поступление  в атмосферу связано в основном с технологическими потерями. В настоящее время их вклад в загрязнение атмосферы (и, соответственно, в разрушение озона) значительно уступает вкладу фреонов. Однако, при принятии на международном уровне эффективных мер по резкому уменьшению производства и использования фреонов, роль других хлорсодержащих веществ возрастает. Фактически (при нереальном предположении, что выпуск фреонов прекращен полностью) такие вещества, как четыреххлористый углерод, дихлорэтан, хлористый этил и т. д., станут ограничителем наших возможностей уменьшить выброс хлора в атмосферу, поскольку они завязаны в большом числе процессов, от которых промышленность ближайшего будущего вряд ли может отказаться [1].

Таким образом, в результате диссоциации одной  молекулы фреона образуются две активные хлорсодержащие частицы – атом Cl и молекула ClO. Обе они, как мы видели, активно включаются в каталитический цикл  разрушения озона:

Поскольку мы уже  говорили о бурном росте промышленного  производства фреонов, вполне уместен вопрос: а отразилось ли это на концентрациях фреонов в атмосфере и, особенно, в стратосфере? Ответ, к сожалению, звучит утвердительно: да, отразилось.

Атмосфера не может  остаться неизменной при таком нашествии  фреонов, и их концентрация в атмосферном газе неуклонно растет. Например, за тот же период 1970-1980 гг. относительная концентрация фреона-11 возросла в стратосфере в четыре раза, а фреона -12 – в три. И хотя молекул фреонов все еще, по нашим обычным понятиям, очень мало – всего три – пять молекул F-11или F-12 на десять миллиардов молекул воздуха – (F)≈(3-5)* , они уже сейчас могут принести слою озона существенный ущерб. При составлении прогнозов изменения количества озона в ближайшие десятилетия наиболее остро стоит вопрос именно о прогнозировании роста концентрации хлора и хлорсодержащих соединений. Доказательством же того, что роста выброса фреонов сказывается уже сейчас, служит, с большой вероятностью, феномен «озоновой дыры» над Антарктидой. Реальность опасности дальнейшего роста выбросов хлорсодержащих соединений в атмосферу потребовала принятия серьезных мер на международном уровне. По инициативе ученых ведущие государства мира, подписала в 1988 г. так называемый Монреальский протокол, согласно которому в ближайшие годы должно быть резко сокращено использование наиболее опасных долгоживущих фреонов, в том числе F-11 и F-12 [8].

Дело в том, что у одной молекулы фреона путешествие из среднеширотной тропосферы в среднеширотную стратосферу занимает около года. Если молекула «проживает» этот год (то есть не будет разрушена под действием солнечного излучения или химических реакций), стратосферный газ пополнится двумя частицами активного хлора. Если же ее время жизни меньше, она разрушится еще по пути и продукты разрушения будут вымыты вниз на поверхность Земли дождями.

Фреоны – 11 и 12 – долгожители. Их время жизни составляет примерно 70 и 100 лет соответственно. Именно поэтому увеличение их выбросов в атмосферу столь опасно для озона. А вот если заменить их на более короткоживущие соединения (пусть даже те же фреоны), на судьбу стратосферного озона они влиять не будут.

 

Таблица – 2 Экологическая  характеристика атмосферы

 

Соединение	Разрушающий потенциал, усл.ед.	Продолжительность жизни, годы
Фреон-11	1,00	75
Фреон-12	1,00	111
Фреон-113	0,80	90
Фреон-114	1,00	185
Фреон-115	0,60	380

 

 

Ряд промышленно  развитых стран уже объявили о  полном отказе от использования долгоживущих фреонов и переходе на короткоживущие(время жизни существенно меньше года). Однако в развивающихся странах такой переход (требующий, естественно, серьезного обновления ряда областей промышленности и хозяйства) встречает понятные трудности, поэтому реально вряд ли можно ожидать полного прекращения в обозримые десятилетия выброса долгоживущих фреонов, а значит, и проблема сохранения озонного слоя будет стоять очень остро [9].

Итак, мы теперь знаем, что у стратосферного озона есть целых три врага – три фотохимических цикла (азотный, водородный и хлорный), три семейства радикалов , ряды которых непрерывно пополняются за счет выброса в атмосферу все новых и новых порций загрязняющих веществ.

Казалось бы, под дружным натиском трех врагов слой озона давно должен был бы пасть. Но, к счастью для нас с вами, натиск этот  не такой дружный. Или даже, совсем не дружный. Эффект действия трех циклов не равен сумме эффектов от отдельных циклов. Протекающие между членами различных семейств реакции как бы отвлекают химически активные радикалы от взаимодействия с озоном. Так, цикл реакций окисления метана сильно влияет в верхней стратосфере на количество свободного хлора, а реакция с ClO, дающая неактивный по отношению к озону , ослабляет влияние на озон обоих циклов – и азотного, и хлорного.