Проблема образования "озоновых дыр"

Общее ослабление стратосферного озонового экрана, образование "озоновой дыры" над Антарктидой и в Северном полушарии.

Озоновым экраном называется слой газа озона, который находится в атмосфере Земли и предохраняет живые организмы от губительного воздействия жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.

В молекуле озона соединены вместе 3 атома кислорода (О3) (в обычной молекуле кислорода имеются лишь 2 атома (О2). Озон обладает огромной реакционной способностью и легко реагирует со многими веществами. В нижних слоях атмосферы, где подобных веществ много, озон является недолговечным загрязняющим веществом. Но в стратосфере, веществ, с которыми может реагировать молекула озона не так много, поэтому там он сохраняется в течение длительного времени. Образуется озон из обычных молекул кислорода под воздействием солнечной радиации.

O2 + gуф >> 2O;

O+O2 + (O2 или N2) >> O3 + (O2 или N2).

(Реакция была открыта в 1930 г. Сиднеем Чепманом)

Основная масса озона сосредоточена в слое 15 - 55 км с максимумом концентрации в слое 20 - 25 км. Общее содержание озона в вертикальном столбе атмосферы колеблется от 1 до 6 мм. (Содержание озона в атмосфере измеряется в специальных "единицах Добсона" (ЕД,DU). Слой озона в 3 мм составляет 300 ЕД). Таким образом, даже в самом озоновом слое только одна молекула из 100 000 является молекулой озона. Несмотря на такое малое количество, он играет исключительно важную роль в биологических процессах Земли.

Ультрафиолетовые лучи обладают высокой биологической активностью: они убивают многие виды бактерий, разрушают органические макромолекулы, в том числе и ДНК.

Когда-то давно, миллиарды лет назад, в атмосфере Земли не было озона и сильное ультрафиолетовое излучение, беспрепятственно проникавшее сквозь земную атмосферу, убивало все живые организмы на поверхности планеты. Постепенно в атмосфере Земли накапливался кислород, который выделяли морские водоросли. Из него, с течением времени, образовался озоновый экран и жизнь смогла на сушу. Затем, еще через миллионы лет, появился человек, и не ведая всех возможностей своих изобретений, стал ненамеренно разрушать озоновый слой. Следствием, естественно, стало усиление ультрафиолетового излучения (уменьшение концентрации озона на 1% ведет к увеличению интенсивности ультрафиолетового излучения на 1,5%), что может привести к печальным последствиям. Так, например, увеличение потока ультрафиолетового излучения на 1% может привести к снижению урожайности и общей продуктивности наземных и водных растений на 1%.

Cуществует несколько механизмов разрушения озонового слоя.

1. Азотный фотохимический механизм.

Под влиянием солнечного излучения (особенно сильно это выражено в годы с максимальной солнечной активностью) в мезосфере увеличивается содержание оксидов азота. Оксиды опускаются на высоту 20 - 30 км и вступают в реакцию с озоном.

2N2О + O2 + gуф >> 4NO;

NO + O3 >> NO2 + O2;

NO2 + O >> NO + O2;

--------------------

О3 + О >> 2О2.

(Процесс был описан в 1970 г. Паулем Крутценом)

Оксиды азота попадают в атмосферу разными путями. Во-первых, естественным путем, при котором оксиды образуются на определенных стадиях природного азотного цикла. Во-вторых, при антропогенном загрязнении воздуха. В этом случае оксиды выбрасываются автомобильным и авиационным транспортом, а также космическими ракетами при запусках.

2. Хлорный механизм.

Этот механизм описан в 1973 году исследователями из Калифорнийского университета Марио Молина и Шерри Роуленд (эти исследователи получили за свое открытие Нобелевскую премию 1995 года по химии). Главная роль в процесс разрушения озонового слоя принадлежит здесь сложным химическим веществам - хлорфторуглеводородам, которые часто называют фреонами. Эти вещества производятся человеком и особенно важными являются два из них - фреон-11 (CFCl3) и фреон-12 (CF2Cl2). С земной поверхности они попадают в верхние слои атмосферы. Там под действием ультрафиолетового излучения фреоны разрушаются, высвобождая свободный хлор. Свободные атомы хлора вступают в реакцию с озоном.

CFCl3 (CF2 Cl2) + gуф >> Cl + остаток;

Cl + O3 >> ClO + O2;

ClO + O >> Cl + O2;

----------------------

О3 + О >> 2О2.

Это цепная реакция, поэтому один атом хлора может разрушить 100 000 атомов озона, пока не уйдет из стратосферы (атомы хлора могут, например, реагировать с метаном с образованием соляной кислоты (HCl), которая либо опускается в тропосферу и выпадает на поверхность в виде кислого дождя, либо опять разрушается и выпускает атом хлора).

Впервые "озоновую дыру" обнаружили над Антарктидой. В 1984 г. Джорж Фарман, член Британской антарктической экспедиции отметил снижение концентрации стратосферного озона над станцией Халли-Бей в Антарктиде на 40%. При уточнении данных со спутника Nimbus (США), выяснилось, что сокращение концентрации озона над Антарктидой продолжается уже 10 лет.

Озоновая "дыра" существует не постоянно. Она появляется в начале антарктической весны в середине октября и исчезает через месяц. На высотах 13-24 км озоновый слой разрушается полностью, а на других сильно уменьшается. Общая потеря озона может достигать 97%, а размер "дыры" нескольких миллионов квадратных километров.

C 1987 года были проведены крупные исследования и механизмы образования озоновой дыры над Антарктидой были выяснены

Антарктида со всех сторон окружена океаном и ветры могут беспрепятственно циркулировать вокруг континента. Во время зимы вокруг Антарктиды возникает околополюсной вихрь - своеобразная воронка из ветров, которая собирает воздух над Антарктидой и не дает ему смешиваться с остальной атмосферой.

В стратосфере при температуре ниже -100°С происходит конденсация азотной кислоты, появляющейся в результате взаимодействия окислов азота и воды. Образуются, так называемые, полярные стратосферные облака. Поверхность мельчайших кристаллов этих облаков катализирует реакции высвобождения хлора из фреонов, соляной кислоты и других галогенсодержащих веществ. В темноте антарктической зимы атомы хлора не сразу вступают в цепную реакцию по разрушению озона, а образуют димер оксида хлора.

Cl + O3 >> ClO + O2;

ClO + ClO >> ClO-ClO.

Когда наступает весна, солнечная радиация разрушает накопившийся димер, хлор высвобождается и начинается цепная реакция разрушения озона. Постепенно околополярный вихрь рассеивается и обедненный озоном воздух перемешивается с нормальным - концентрация озона опять повышается.

Тщательные исследования атмосферы выявили снижение концентрации озона и в Северном полушарии.

C 1969 года содержание озона над Северной Евразией и Америкой снизилось на 14%. Сейчас в течение зимы убыль озона над Арктикой достигает 12% на высоте 17-20 км, в 1995 году с января по март, уменьшение озонового слоя над Северным полушарием достигало 50%. (В 1996 году - 40-50%).

Основным путем предотвращения надвигающейся озоновой катастрофы является прекращение производства и выбросов фреонов.

Фреоны (хлорфторуглеводороды) были открыты в 1928 г. химиком концерна "Дюпон де Немур" Томасом Мигдли (им же придуман и тетраэтилсвинец - добавка к бензину). Производство было впервые налажено компанией "Дженерал Моторс". Основным производителем фреонов до недавнего времени являлась компания "Дюпон" (США). Крупнейшие страны-производители: США - 31% от общего объема производства, Западная Европа - 30%, Япония - 12%, Россия - 8%. Среди неучтенных стран крупнейший производитель - Китай.

Мировое производство фреонов.

Выбросы фреонов в атмосферу росли очень быстро до начала 1970-х годов, пока некоторые страны не ввели ограничения на их использование. Однако затем использование фреонов увеличилось вновь, что, видимо, связано с интенсивным производством в развивающихся странах.

Вообще, быстрый рост концентрации фреонов в атмосфере связан с их медленным разрушением. Так время жизни Ф-11 составляет 80 лет, а Ф-12 - 170 лет, так что к 2000-му году фреоны , выброшенные в 1990 году, останутся в прежнем количестве, к 2100-му году их останется 39%, к 2300-му году - 7%.

Было заключено несколько международных соглашений о запрещении производства фреонов.
1980 г. - Венская конвенция по сокращению выпуска хлорфторуглеводородов.
1987 г. - Монреальский протокол о замораживании производства и потребления хлорфторуглеводородов к 1990 г. на уровне 1986 года, сокращении производства на 20% к 1994 г., на 30% к 1999 г.
1990 г. - Лондонский протокол о 50% сокращении производства и потребления хлорфторуглеводородов к 1995 г. и полном прекращении к 2000 году.