Озонные дыры и гибель человечества

Все указанные вещества по-разному образуются в атмосфере. Они попадают в стратосферу в результате перемешивания атмосферного газа турбулентной диффузией. Они находятся в атмосфере не только в виде газа. Так, они входят в состав аэрозолей — твердых или жидких частиц, а также могут быть в виде пара. Если это аэрозоли, то на их поверхности и проходят реакции каталитического цикла. Эти вещества могут быть не только нейтральными, но и нести на себе положительный или отрицательный заряд, то есть быть ионами. Если это аэрозоли, то говорят об аэрозольных циклах разрушения озона. Если же эти вещества находятся в виде ионов, то говорят об ионном цикле. Надо добавить, что различные каталитические вещества могут быть наиболее эффективными на разных высотах. В этом мы убедимся при конкретном рассмотрении каждого из циклов.

ВОДОРОДНЫЙ ЦИКЛ

Пары воды H₂O разлагаются в атмосфере под действием солнечного излучения с длиной волны меньше 242 нм на атомы водорода и молекулы гидроксила ОН.

Тот факт, что в атмосфере имеются молекулы гидроксила ОН, был установлен по его инфракрасному излучению. Оно регистрируется в ночное время и входит в состав излучения ночного неба.

Образованные в реакциях Н и ОН служат катализаторами химических реакций, в которых разрушаются озон и атомный кислород. Было показано, что ниже 60 км атомы водорода и гидроксила могут образовываться и в реакциях атомного кислорода в возбужденном состоянии с метаном, водородом и водой.

Так, для стратосферного озона важным является каталитический цикл, в результате которого из каждых двух молекул озона образуются три молекулы кислорода.

На более высоких уровнях, выше 40 км, необходимо учитывать больше реакций, в которых разрушается озон.

Важным веществом, которое приводит к разрушению озона, является гидроксил ОН. В стратосфере гидроксил образуется из водяного пара, молекулярного водорода и метана. Все эти вещества заносятся в атмосферу снизу, от земной поверхности. Они переносятся вверх как в результате турбулентного перемешивания, так и путем просачивания (диффузии) их через атмосферный газ. Вода на поверхности Земли имеется в готовом виде. Метан образуется в озерах и болотах бактериями. Атомный водород участвует вместе с гидроксилом ОН и радикалом перекиси водорода пергидроксилом НО₂ в непрерывных взаимных превращениях. Это происходит, когда каждое из указанных веществ взаимодействует с атомным кислородом в возбужденном состоянии О (D). Этот кислород появляется в атмосфере при воздействии солнечного излучения с длиной волны вблизи 210 нм.

Образование атомного кислорода в возбужденном состоянии принципиально важно для жизни озона в атмосфере. Глобальное содержание озона в атмосфере ограничивается главным образом и прежде всего тем, что там имеются атомы кислорода в возбужденном состоянии. Они дают начало не только водородному, но и азотному каталитическому циклу, в которых исчезает озон. Поэтому было затрачено много усилий, чтобы количественно изучить реакцию образования атомного кислорода.

Образование гидроксила ОН происходит не только при взаимодействии молекулярного водорода, воды и метана с атомным кислородом. Оно имеет место и в реакциях атомного кислорода с Н₂О₂, NO₂ и HNO₃. Но эти реакции менее эффективны в смысле образования гидроксила ОН и НО.

Водородный каталитический цикл, в котором разрушается озон, на определенном этапе обрывается. Это происходит тогда, когда начинают образовываться молекулы воды. Образованная при этом вода может уходить из стратосферы вниз, в тропосферу, и ее участие в реакциях со стратосферным озоном прекращается.

Для того, чтобы достоверно знать, какая часть озона исчезает в реакциях водородного каталитического цикла, надо знать количество веществ, которые участвуют в этих реакциях, и их распределение с высотой. К сожалению, полных данных о таком распределении у нас нет. Поскольку это распределение должно меняться во времени, то единичные измерения этих веществ недостаточны. Они не могут дать полной картины. Нужны систематические и достаточно полные (во многих точках и на всех высотах) наблюдения за абсолютными количествами этих веществ и за их изменениями. Среди этих веществ главным является вода. Из нее образуется гидроксил ОН. Так вот, было показано, что на высотах 14–26 км количество водяного пара за пять лет увеличилось на 50 %. За последующие пять лет изменения количества водяного пара на этих высотах были незначительны, зато после 1974 года наблюдалось резкое уменьшение его количества. К сожалению, эти наблюдения проводились только в одной точке в США. Характерны ли указанные изменения водяного пара только для данного региона или точки, или же они отражают глобальную ситуацию — не ясно. Чтобы иметь глобальную, полную картину (на всех высотах), надо проводить соответствующие измерения во многих точках непрерывно в течение многих лет.