Химические процессы в тропосфере

 

В химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH - радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона:

 

O₃+h=O₂+O

O+_H2O=OH+OH

В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:

 

NO₂+ h (L<400нм) =NO+O

O+O₂=O₃

 

О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении:

 

O₃+NO=NO₂+O₂

O₃+NO₂=NO₃+O2

 

В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды:

 

Н₂ О+h=H+OH

H₂ O+O=2OH

 

Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения

 

HNO₂, HNO₃, H₂O₂

HNO₂+h (L<400нм) =NO+OH

HNO₃+h (L<330нм) =NO₂+OH

H₂O₂+h (L<330нм) =2OH

 

В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:

 

RH+OH=HOH+R

R+O₂=RO₂

RO₂+HOH=ROOH+OH

 

Наиболее типичным и основным по массе органическим загрязнителем атмосферы является CH₄. Окисление CH₄ под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:

 

ОН+СН₄=Н₂О +СН₃

СН₃+О₂=СН₃ О₂

СН₃ О₂+NО=СН₃ О+NО₂

СН₃ О+О₂=СН₂ О+НО₂

 

В результате реакция окисления СН₄ в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде:

 

СН₄+4О₂=СН₂ О+Н₂ О+2О₃

 

т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О₃, а рост утечки СН₄ многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О₃ по сравнению с переносом О₃ из стратосферы.

Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.

Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.

 

ОН+СН₂ О=Н₂ О+НСО

НСО+О₂=НО₂+СО

 

5. Причины образования “озоновой дыры”

 

Летом и весной концентрация озона повышается; над полярными областями она всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980-х гг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получило название "озоновая дыра" (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не было) и стало внимательно исследоваться.

Позднее, в 1990-е гг., такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. Феномен Антарктической “озоновой дыры” пока не понятен: то ли “дыра" возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс.

Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что причина нежелательного явления - реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны - хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора.

Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (в России их поэтому называют "хладонами"), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные - для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т.

Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным "нарушителем порядка" в озоновом слое.

 

CF₂ Cl₂=CF₂ Cl+Cl

 

Последующие реакции CF₂ Cl с О₂ и h приводят к отщеплению второго атома хлора.

Хлор "съедает" и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:

 

О₃ + Сl = О₂ + ClO

СlO + O = Cl + O₂

 

Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.

Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.

Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ.

	Разрушающий потенциал (усл. ед)	Продолжительность жизни (лет)
CFCl 1	1.0	75
CFCl 2	1.0	111
CFCl 3	0.8	90
CCl 4	1.0	185
C2FCl 5	0.6	380
HCFCl 2	0.05	20
Метилхлороформ	0.10	6.5
Четырехлористый углерод	1.06	50

 

 

Венская конвенция. В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.

Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:

разрушение озонового слоя окисями азота - соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету;

 

О₃+NО NО₃+О₂

 

воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон;

разрушение озона соединениями хлора.

В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.

Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии:

Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды:

 

2NО+О₂ = 2NО₂

О₂+NО₂ = NО₃+О₂

NО₃+NО₂ = N₂ О₅

N₂ О₅+Н₂ О = 2НNО₃

 

Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N₂+О₂ 2NО

Источником NО в стратосфере служит также газ N₂ О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения:

 

N₂ О+h (230нм) = N2+О

N₂ O+O = 2NO

 

Разрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям:

 

N₂ О+h (250нм) = N₂+О

N₂ O+O = N₂+O₂

Пути решения проблем

 

Чтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся.

Также мы - все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги.

Для восстановления озонового слоя его нужно подпитывать. Сначала с этой целью предполагалось создать несколько наземных озоновых фабрик и на грузовых самолетах "забрасывать" озон в верхние слои атмосферы. Однако этот проект (вероятно, он был первым проектом "лечения" планеты) не осуществлен.

Иной путь предлагает российский консорциум "Интерозон": производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой "Даза" планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода.

Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции "Мир" и создать на высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта.

У этого проекта был предшественник - американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для "звездных войн".

Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете.

Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо:

расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;

провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами;

создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;

провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей;

организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.

Литература

 

1. Глинка Н.Л. Общая химия. Издательство "химия". 1990г.

2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды, Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с.

3. Лавров С.Б. Глобальная проблема современности. Санкт-Петербург, 1995г.

4. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Мысль, 1985 г.