Озонные дыры и гибель человечества

С учетом водородного и азотного каталитических циклов удалось получить более реальную картину глобального распределения озона, чем следовало из кислородного цикла Чепмена. На высотах 40 км и выше, где реализуются условия фотохимического равновесия, наблюдаемое количество озона ближе соответствует расчетному при учете водородного и азотного циклов. При этом значительно сокращается то время, в течение которого озон живет (характеристическое время). Если учитывать только кислородный цикл Чепмена, то это время нереально больше. На высоте 20 км оно достигает 20 лет! С учетом водородного и азотного циклов оно уменьшается в десять раз на этих высотах. Ниже этих высот, в тропосфере, характеристическое время озона уменьшается.

Окись азота образуется в атмосфере, если температура там достигает 2000 К. Такая ситуация возможна при ядерных взрывах. Она же реализуется в реактивных двигателях. При таких температурах происходит разрыв (диссоциация) молекул кислорода и азота. Следует еще указать на один источник закиси азота N₂O. Это сельскохозяйственные удобрения. Кроме того, и растения фиксируют азот. Образованная закись азота N₂O поднимается в стратосферу и оказывает влияние на озонный слой, принимая участие в азотном цикле, разрушающем озон. Конечно, это явление не локальное. Необходимо рассматривать глобальные движения (круговорот) азота. Такое рассмотрение имеет смысл, если учитывать все источники азота и все пути его исчезновения (все стоки). Это очень непростой вопрос. Слишком сложные превращения веществ происходят в атмосфере. Мы приводили выше по две-три реакции, в которых исчезает озон и происходят преобразования веществ. На самом деле все в десятки и сотни раз сложнее: реакций насчитывается десятки, а чаще сотни. Все они взаимосвязаны. Надо знать скорости всех этих реакций, которые зависят от многих факторов, например от температуры. Сегодня мы не в состоянии выполнить такие расчеты, которые отражали бы реальную сложность происходящего. Удается только выхватить самые важные звенья происходящего. Но где гарантии, что многие истоки и стоки важных для проблемы озона веществ не остаются для нас неизвестными?

Мы еще вернемся к проблеме возможного разрушения озонного слоя, когда рассмотрим все вопросы, необходимые для такого комплексного анализа.

Здесь только укажем, что важна проблема не только стратосферного озона, но и тропосферного озона, хотя здесь его меньше. Ведь при превращении NO в NO₂ количество озона в тропосфере может увеличиться.

ХЛОРНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ

Изучение влияния хлорных соединений (галогенов) на разрушение озона началось в 1974 году, когда в канадском химическом журнале были опубликованы первые работы по этому вопросу.

Хлор является очень активным химическим элементом. Из океанической воды образуется хлористый метил CH₃Cl, который поднимается в стратосферу. Здесь под действием солнечного излучения он разлагается и образует, в частности, атомы хлора. Далее хлор участвует в разрушении озона. Хлор в данном случае является катализатором. С его помощью молекулы озона и атомного кислорода превращаются в молекулы кислорода. Образованный ClO разлагается. Хлор выходит из игры, когда, взаимодействуя с метаном и радикалом перекиси водорода, образует соляную кислоту HCl. В атмосфере идет реакция разложения соляной кислоты.

Что эффективнее разрушает озон: хлор или азот? Считается, что хлор это делает примерно в 6 раз активнее. Но несмотря на это, конечные результаты у хлора такие же, как и у азота. Нет ли тут противоречия? Дело в том, что одной активности химического элемента или соединения недостаточно. Важно также, как долго данный элемент участвует в каталитическом цикле. Оказалось, что хлор выходит из игры значительно быстрее, чем азот. Это имеет место потому, что образование соляной кислоты более эффективно, чем образование азотной кислоты.

Естественный хлор и его соединения мало влияют на количество озона. Но, к сожалению, за последние десятилетия появился хлор антропогенного происхождения. Он входит в состав различных фторхлорметанов (фреонов), таких как CFCl₃, CF₂Cl₂ и др. Эти два фреона наиболее широко применяются. Их обозначают индексами «фреон-11» и «фреон-12» соответственно. Фреоны широко используются в холодильной промышленности, а также в бытовых аэрозольных баллончиках.

Фреоны успешно проникают в стратосферу, так как являются по существу инертными газами. Но на высотах 30–40 км они диссоциируют под действием солнечного излучения и ультрафиолетовом окне между длинами волн 180 и 225 нм. Позднее мы этот вопрос рассмотрим детальнее. Ясно одно: то научное предсказание, к которому подошли в 1970-е годы ученые-специалисты по атмосферному озону, в наши дни начинает, к большому сожалению, сбываться.