Озонные дыры и гибель человечества

Все это не могло не навести на мысль, что имеются и другие реакции, в которых разрушается озон. Стало также ясным, что роль переноса озона в вертикальном направлении значительно более важна, чем это следует из схемы Чепмена. Чтобы привести в согласие расчетные и экспериментальные данные, были проанализированы все возможности. Устранить несоответствие привлечением других составляющих атмосферы невозможно, поскольку они в этих реакциях не участвуют. Пришлось обратить пристальное внимание на малые составляющие. Но здесь надо было искать такие реакции этих составляющих с озоном, при которых озон бы исчезал, а участвующая в реакции малая составляющая по-прежнему существовала бы. Но возможно ли это? Химики хорошо знают, что возможно. Они называют такие вещества, которые, пройдя цепь химических превращений, вновь восстанавливаются катализаторами (ускорителями). Ускорителями потому, что они ускоряют какой-либо процесс, например, разложение молекулы озона на молекулы и атомы кислорода. Оказалось, что газов-катализаторов, которые ускоряют разрушение озона, имеется достаточно много. Но ими могут быть только те, которые образовались в атмосфере под действием солнечного излучения. По специальной терминологии, они должны иметь фотохимическое происхождение. Во-первых, эффективность катализатора определяется его количеством или, как принято в этом случае говорить, содержанием. Во-вторых, важна скорость его взаимодействия с озоном и атомным кислородом. Если взаимодействие проходит медленно, то эффективность действия катализатора не может быть высокой. В-третьих, важно и другое время, а именно время жизни катализатора, а точнее, время, в продолжение которого катализатор может воздействовать на озон и атомный кислород. Он это может делать до тех пор, пока не выйдет из игры, то есть пока этот цикл по какой-то причине не оборвется. Он может оборваться, закончиться по двум причинам. Одна из них — химическая: в конце цикла образуется химическое вещество, которое дальше не может участвовать в химических реакциях. Вторая из причин обрыва цикла — физическая: катализатор в результате движений может просто успеть покинуть эту область.

Ясно, что эффективность катализатора будет определяться отношением всего времени его участия в цикле к скорости его взаимодействия с озоном и атомным кислородом. Здесь эффективность показывает, сколько молекул озона может разрушить один атом (или молекула) катализатора. В случае, если катализатором является атомный кислород, эффективность равна единице. Это значит, что один атом кислорода способен разрушить только одну молекулу озона. В случае других веществ, о которых речь пойдет дальше (соединений азота, хлора, водорода и др.), эффективность достигает миллионов. Эта величина безразмерная.

Очень важно, когда именно происходит обрыв цепи реакций разрушения озона, поскольку от этого зависит, сколько озона будет разрушено. Если этот обрыв происходит из-за движений, а именно турбулентной (вихревой) диффузии, то время обрыва можно определить. Для этого надо знать характеристики атмосферного газа (его температуру и средний молекулярный вес атмосферного газа на данной высоте), а также коэффициент турбулентной диффузии, который и характеризует ее скорость. Важно для таких и других реакций, в которых участвуют примеси, знать время, в продолжение которого они находятся в данном слое. Так, было показано, что в тропосфере это время составляет примерно один месяц. Чем выше, тем это время больше, поскольку уменьшается коэффициент турбулентной диффузии. Так, в стратосфере при спокойных условиях это время больше года. Это значит, что если мы забросили туда какие-либо примеси, которые разрушают озон, то они будут находиться там больше года. В реакциях с озоном они не уменьшаются, если реакции идут по каталитической схеме. Примесей в атмосфере много. Их количество в абсолютных величинах очень мало. На одну частицу примесей приходится от 100 тысяч до 10 миллиардов частиц атмосферного газа. Тем не менее их роль очень важна. Ведь одна частица катализатора способна разрушить 10 миллионов молекул озона и остаться живой и невредимой. В худшем случае она переходит в другой слой.

Было выделено несколько типов групп примесей, которые участвуют в разрушении озона. Каждая из этих групп участвует в цепи реакций, или, как принято применительно к данному случаю говорить, в каталитическом цикле. Здесь действительно имеется цикл (круг), так как в конце него появляется то же вещество-катализатор, с которого начался цикл. Это такие группы: 1) вещества, содержащие «нечетный» водород (OH, HO₂, H, H₂O₂ и т. д.); 2) вещества, содержащие «нечетный» азот (NO, HO₂, HNO₃, N, NO₃, HNO₂, N₂O₅ и др.); 3) вещества, содержащие «нечетный» хлор (их можно обозначить формулой ClOx, где x — нечетное число); и 4) вещества, содержащие бром (BrО_х).