Возможное разрушение озонового слоя, защищающего жизнь на Земле от губительного воздействия жесткой космической радиации и большей части ультрафиолетовой части спектра солнечного излучения стало c 1980-х годов одной из самых обсуждаемых проблем современности (Gribbin, 1988; Deutscher Bundestag, 1988).
Причина образования озоновой «дыры» над Антарктидой обусловлена совокупностью природных явлений (полярный вихрь) и, возможно, антропогенной деятельностью (увеличение поступления фреонов в атмосферу). Специфика движения воздушных масс в стратосфере высоких широт обуславливает резкое повышение концентрации озоноразрушающих веществ над Антарктидой весной, что связано с весенним распадом полярного вихря.
Полярный вихрь, являющийся устойчивым антициклоном, возникает над Антарктидой каждую зиму и приводит к временному прекращению обмена воздухом с другими областями стратосферы и к стоку озона в тропосферу. Температура воздуха внутри вихря снижается до -70 - -80 °С. В стратосфере образуются устойчивые аэрозольные образования — «серебристые облака», состоящие из кристаллов льда. В состав этих кристаллов входят димеры оксида хлора (СlO)2, хлористый нитрозил СlONO2, HNO3,HNO2. В зимний период эти соединения, связанные с аэрозолями, не взаимодействуют с О3. Весной циркумполярный вихрь распадается и с повышением температуры в стратосфере появляется ряд озоноразрушающих веществ. Особую роль в этом процессе играет (СlO)2 который после полярной ночи под воздействием видимого излучения распадается:
|
|
(СlO)2 + hν = Cl + ClOO
ClOO = Cl + O2
В дальнейшем кристаллики льда растают, ClO частично израсходуется, а частично свяжется с NO2 в относительно инертный по отношению к О3 хлористый нитрозил:
ClO + NO2 = ClONO2
Благодаря атмосферной циркуляции в полярную область поступит О3 из других областей атмосферы, часть его синтезируется над Антарктидой, и «дыра» в течение одного-двух месяцев закроется (Мешалкин, 2006).
Образование и разрушение озона. Молекулы кислорода под воздействием излучения с λ< 240 нм диссоциируют с образованием двух атомов кислорода:
O2 + hν = O* + O, где О* — атом в возбужденном состоянии, а О — атом в основном состоянии.
Лишь атом, находящийся в основном состоянии, способен вступать в реакцию синтеза О3:
О2 + О + М = О3 + М*, где М — так называемое "третье тело", присутствие которого необходимо для отвода части энергии, выделяющейся в процессе протекания реакции. В качестве М чаще всего выступают молекулы N2 или O2,которые переходят в возбужденное состояние (М*).
Молекула O3 может взаимодействовать с атомом кислорода, что приводит к стоку озона из стратосферы за счет его превращения в кислород:
|
|
О3 + O = 2O2
Однако, скорость этой реакции значительно ниже скорости образования О3 и сток озона за счет этой реакции несущественен.
Основное количество О3 в стратосфере разлагается в результате поглощения квантов излучения:
О3 + hν = O2 + O (в зависимости от энергии поглощенного кванта образующийся атом кислорода может находиться в возбужденном или основном состоянии).
Атом кислорода в основном состоянии О может вновь принять участие в синтезе О3 поэтому последнюю реакцию в совокупности с реакцией синтеза озона часто называют нулевым циклом озона или циклом Чепмена.
Нулевой цикл озона может быть нарушен за счет протекания цепных реакций с участием гидроксидных радикалов (водородный цикл), оксидов азота (азотный цикл), соединений хлора и брома (хлорный и бромный циклы).
Водородный цикл. При поглощении квантов света с λ< 240 нм молекулы Н2О могут распадаться с образованием гидроксидного радикала и атомарного водорода: Н2О + hν = ОН + Н.
Гидроксидные радикалы, как было показано выше, также образуются при взаимодействии молекул воды, метана или водорода с возбужденными атомами кислорода.
Образовавшийся радикал ОН может вступать в реакцию с озоном, образуя гидропероксидный радикал:
ОН + О3 = ООН + О2
Далее гидропероксидный радикал взаимодействует с атомарным кислородом, при этом полностью нарушается нулевой цикл озона:
ООН + О = ОН + О2
Сложив последние два уравнения, получаем уравнение водородного цикла:
О3 + О = 2О2
Азотный цикл. NО при взаимодействии с О3 образует NО2, который может взаимодействовать с атомарным кислородом, вновь превращаясь в NО: NO + O3 = NO2 + O2
O3 + O = 2O2
NO2 + O = NO + O2
Следует отметить, что опасность для озонового слоя представляют только NОх, непосредственно образовавшиеся в стратосфере. NО и NO2 образовавшиеся в тропосфере, имеют малое время жизни и не успевают достичь стратосферы.
Среди оксидов азота, образующихся на поверхности Земли, опасность для озонового слоя представляет гемиоксид азота N2О, обладающий достаточно большим временем жизни. Этот газ образуется в почве при протекании процессов денитрификации. Он может взаимодействовать с возбужденным атомом кислорода, образуя NО, и тем самым включаться в азотный цикл:
N2O + O* = 2NO
В основе хлорного цикла лежат реакции с участием атомарного хлора и его оксида ClO:
Cl + O3 = ClO + O2
O3 + O = 2O2
ClO + O = Cl + O2
Атомарный хлор появляется в стратосфере при фотохимическом разложении фторхлоруглеводородов (фреонов), имеющих большое время жизни. Эти нетоксичные, пожаро- и взрывобезопасные соединения широко использовались в холодильной технике, в аэрозольных упаковках, при производстве пенопластов и каучука. Попадая в стратосферу, фреоны под действием излученияλ<240 нм разлагаются, например, фреон-11 по реакции:
CFCl3 + hν = CFCl2 + Cl
Бромный цикл. Атом Вг, подобно атому С1, способен взаимодействовать с О3, образуя оксид брома ВгО. Однако ВгО, в отличие от СlO, может вступать в реакцию взаимодействия с другой молекулой ВгО или СlO. При этом образуются два атома соответствующего галогена:
Вr + О3 = ВrО + О2
ВrО + ВrО = 2Вr + O2
ВrО + ClO = Вr + С1 + О2
Во всех рассмотренных до этого видах нарушения озонового цикла лимитирующей стадией является реакция с участием атомарного кислорода. В случае бромного цикла процесс значительно ускоряется, и Вr потенциально наиболее опасен для озонового слоя. Однако фактическое влияние этого цикла значительно меньше влияния других циклов в связи с меньшими концентрациями Вr в стратосфере.
Основным источником брома в стратосфере являются бром-органические соединения, используемые для тушения пожаров (галлоны). Эти соединения, как и фреоны, устойчивы в тропосфере и имеют большое время жизни.
|
|
В рассмотренных выше циклах "активные" частицы (ОН, Сl, Вr, NO, NO2) не расходуются. Каждая «активная» частица может многократно (до 107 раз) участвовать в цикле разрушения озона, пока не будет выведена из озонового слоя.
Степень вины человека в образовании озоновых дыр пока не ясна. Человеческое влияние, при всей его разрушительности в локальном плане, в планетарном масштабе ничтожно.
Точка зрения «зеленых»: да, безусловно, человек виноват, а производство соединений, приводящих к разрушению озона, следует свести к минимуму.
Монреальский протокол. Первым международным актом, направленным на сохранение озонового слоя, был протокол, подписанный в 1987 году тридцатью странами в Монреале. В 1990 году Монреальский протокол был пересмотрен и подписан уже шестьюдесятью странами, которые взяли па себя обязательства по полному прекращению производства фреонов, четыреххлористого углерода, галонов (за исключением соединений, для которых не известны альтернативные заменители) к 2000 году, а 1,1,1-трихлорэтана — к 2005 году.
Антифреоновая компания «зеленых» имеет вполне прозрачную экономическую и политическую подоплеку. С ее помощью транснациональные корпорации («Дюпон», например) душат своих зарубежных конкурентов, принуждая принимать соглашения по «охране окружающей среды» на государственном уровне и насильно навязывают новый технологический виток, который более слабые в экономическом отношении государства выдержать не в состоянии. Выполнение Монреальского протокола, в соответствии с которым к 2000 году в России было прекращено производство фреонов, привело к ликвидации российского производства холодильного оборудования и аэрозолей. Поскольку к этому сроку наша страна, находящаяся в стадии «реформирования» экономики, не успела разработать и внедрить собственные альтернативные технологии, освободившийся внутренний рынок был захвачен иностранными и, в первую очередь, западноевропейскими производителями (Мешалкин, 2006).