Озонные дыры и гибель человечества

Хлор в атмосфере может образовываться и из соединений, содержащих хлор, таких как CCl₄, CH₃Cl₃, CHClF₂ и др. Эти соединения также выбрасываются в атмосферу с промышленными выбросами. Но считается, что их (например, четыреххлористого углерода) значительно меньше. Поэтому и угроза озонному слою от них меньше. Исчезают эти соединения потому, что под действием солнечного излучения разлагаются (фотолиз).

Атомы хлора могут появляться в стратосфере в результате разложения здесь хлоруглеродных молекул, таких как CH₃Cl, CH₃CCl₃, CHClF₂. Эти молекулы очень эффективно разлагаются в тропосфере, взаимодействуя с молекулами гидроксила ОН. В этих реакциях образуется, в частности, вода. В тропосфере имеются и более сложные молекулы, которые содержат двойные углеродные связи. Некоторая небольшая их часть попадает в стратосферу, где они выделяют при разложении хлор. Основная же часть этих молекул разлагается непосредственно в тропосфере.

Что касается фреонов, то фреон-11 и фреон-12, которые адсорбированы селикагелями, под действием солнечного ультрафиолетового излучения разлагаются на водородный хлорид и углекислый газ. Любопытно, что многие разновидности песка и пыли, имеющиеся в тропосфере, должны так же взаимодействовать с фреонами, как и описанные выше селикагели, поскольку их характеристики похожи.

Пыль, выбрасываемая в атмосферу во время извержения вулканов, также попадает в конце концов в стратосферу. Считается, что облако вулканической пыли достигает высот 25–30 км.

Очень важной для проблемы разрушения озона в результате азотного и хлорного циклов является реакция, которая приводит к обрыву этих циклов.

АЭРОЗОЛЬНЫЙ ЦИКЛ

На озон оказывают влияние и аэрозоли, имеющиеся в стратосфере. На высоте около 20 км молекула озона сталкивается с аэрозолем примерно каждые 20 минут. Если молекула озона живет в среднем 1,5 года, то за это время она успеет примерно тысячу раз столкнуться с аэрозолем. Если считать, что при каждом десятитысячном столкновении частица погибает, то общая потеря озона таким путем оказывается ощутимой. Конечно, приведенные выше цифры не взяты с потолка. Они получены из проведенных оценок с учетом реальных условий.

Проблема гибели молекул при их столкновении с поверхностями тел для химиков не нова. Они с ней сталкиваются в лабораторных опытах очень часто. По существу это проблема стенок. Исследуется какой-либо газ, а этому мешают стенки сосудов, поскольку часть молекул газа гибнет при столкновении с ними. Эти процессы были названы гетерогенными.

Гетерогенные процессы важны не только в стратосфере, но и выше, в мезосфере, на высотах 80 — 100 км. Здесь вероятность столкновений активных атомов с мелкими частицами даже больше, чем в стратосфере, поскольку и тех и других здесь больше.

Решить вопрос о влиянии аэрозолей в стратосфере на озон очень даже не просто. Для этого надо знать практически все об аэрозолях: сколько их, каковы их размеры и сколько частиц каких размеров, какой состав этих частиц и другие свойства. В зависимости от этого будут по-разному протекать процессы на их поверхности, процессы на границе двух фаз. Аэрозольная частица — это твердое или жидкое вещество, озон — это газ. Чтобы правильно понять взаимодействие озона с аэрозолями, надо знать также условия в стратосфере, в частности температуру и динамические характеристики. Как видно, задача очень непростая, тем более что озон при взаимодействии с аэрозолем будет выходить из игры в результате не одного какого-нибудь процесса, а целого ряда процессов, таких как рекомбинация, коагуляция, сорбция и так далее.

Какой информацией, необходимой для решения этой задачи, мы располагаем сегодня? Известно, что аэрозоли в стратосфере имеют следующие источники. Прежде всего аэрозоли образуются непосредственно в стратосфере в результате выброса газов и пыли при мощных извержениях вулканов. Далее, как мы уже видели, аэрозоли могут переноситься снизу через тропопаузу благодаря вертикальным движениям атмосферного газа. Имеется и космический источник аэрозолей. Это метеориты и космическая пыль. Мелкая космическая пыль проникает в стратосферу практически без повреждения, поскольку она постепенно тормозится в верхней атмосфере. Частично или полностью плавятся только крупные частицы. Пар, находящийся на поверхности метеоритов при вхождении их в атмосферу, теряется и конденсируется в частицы. Много ли таких частиц?

Оценки показывают, что каждый год в атмосферу Земли из космоса поступает примерно 100 тысяч т космической пыли. Средний размер (радиус) метеоритов принимают равные 1 х 10^-6 см. Средняя плотность равна примерно 9 г/см³. Проведя простые арифметические расчеты, можно показать, что при этом в каждом кубическом сантиметре в стратосфере должно быть примерно 10 частиц. Это те частицы, которые здесь осели. А весь поток частиц сверху вниз равен тысячам частиц каждую секунду через горизонтальную площадку в 1 см².