§ 3. Проблемы новейшего времени

Исследование геологической истории кислорода и озона представляет большой интерес. Когда в 1970 г. возникла идея о влиянии инжектируемых в воздух стратосферной авиацией окислов азота на возможное разрушение слоя озона, оказалось, что она имеет ближайшее отношение к проблеме «озон—жизнь». Опасность ультрафиолетового ожога, которой подвергнется при разрушении озона биосфера (и все человечество), весьма очевидна. Сходную роль в разрушении озона, вероятно, могут играть и азотные удобрения .

В 1974 г. возникло также представление о каталитическом разрушении озона хлором, заносимым в стратосферу фреонами CFₓClᵧ — веществами, которые широко применялись в холодильной и аэрозольной технике. Один из дальнейших поборников этой гипотезы в США Г. Джонстон писал в 1975 г., также ссылаясь и на роль авиации, что, если только не вмешаются какие-либо специальные, неизвестные механизмы, загрязнение стратосферы (авиацией и фреонами) создаст сильное убывание (large reduction) стратосферного озона. Подробные вычисления, учитывающие двумерные и трехмерные движения атмосферы, позволили сделать определенные выводы для случая фреонов, когда сильное убывание озона неизбежно.

Эти выводы вызвали сенсацию. Всемирная метеорологическая организация (ВМО) выступила в 1976 г. с проектом «Глобального исследования и мониторинга озона» и рекомендовала странам — членам ВМО вести регулярные наблюдения за озоном для определения трендов и будущих угроз озонному щиту и для оценки возможного влияния изменений озона на климат. Проект энергично поддержала и Международная комиссия по атмосферному озону. В марте 1977 г. этот вопрос был рассмотрен в «Программе Организации Объединенных Наций по окружающей среде (UNEP)». В мае того же года в Женеве собрались специалисты, изучившие современные приборы и возможности координированных наблюдений наиболее биологически активной части солнечного спектра — между 290 и 320 нм (УФ-В). 1978 г. специальный циркуляр ВМО уже рекомендовал государствам организацию наблюдений ультрафиолетовой радиации.

Идея об опасности разрушения слоя озона и о ее далеко идущих последствиях привела к созданию в США специальной «Программы определения климатических влияний» (CIAP) (под общим руководством Департамента транспорта США), подразумевая под последними эффекты выбросов стратосферной авиации. С этой целью в 1972 . . . 1975 гг. было созвано четыре конференции специалистов по проблемам авиации, физике атмосферы, по загрязнению и озону, и издано три обширных обзора. Аналогичная программа по изучению последствий стратосферных полетов (COVOS) была создана во Франции.

Следует заметить, что в настоящее время главной чертой распределения радиации УФ-В по земному шару является ее широтная зависимость. Вычисления показывают, что тропический пояс должен получать до 360 . . . 420 Вт* ч* м¯² УФ-В за месяц. Ее приход в умеренных и полярных широтах особенно зимой гораздо меньше.

Таким образом, разрушение озона должно по-разному сказаться в тропической и умеренной зоне на населении, по-разному приспособленном (акклиматизированном) к избытку радиации. В результате это приводит как к проблемам климатологии радиации, так и к более сложным биологическим и даже общественным проблемам.

Распределение озона сильно зависит от течений атмосферы. Существует общая циркуляция озона между тропиками и полярной областью: движениями меньшего масштаба озон переносится в циклонах и струйных течениях и пр. Описаны даже вторжения, к счастью очень кратковременные, богатого озоном воздуха в нижнюю, обитаемую тропосферу.

Нередко наблюдаемые изменения озона помогают распознать формы движений воздуха в стратосфере. Они иногда свидетельствуют даже о связи этих движений с такими сугубо тропосферными объектами, как фронты и фены. Исследование физических связей озона стало ценно для специалистов по динамике атмосферы. Такова, например, связь весенней либо осенней перестройки циркуляции стратосферы с нагреванием последней, вызванным озоном.

Пока, однако, такие связи еще очень мало используют в обиходе синоптики. Более простой, возможно, является разрабатываемая сейчас задача прогноза локальной концентрации озона «на месте», т. е. на эшелоне стратосферного самолета. Действительно, по данным «Глобальной программы анализа проб атмосферы» (GASP), в кабине такого самолета нагнетаемый туда воздух содержит до 40% от концентрации озона во внешней стратосфере и может быть непосредственно вреден пассажирам и команде.

Следует помнить, что в концентрации более 5*10¯⁶ по объему озон — ядовитый газ, опасный из-за вызываемого им раздражения дыхательных путей и его канцерогенных свойств.

В последние годы выяснилось, что развитие промышленности и автотранспорта рождает особое и мощное загрязнение в городах, в котором участвует и озон. Между окислами азота и несгоревшими углеводородами, например, выхлопных газов на солнечном свету происходят разнообразные фотохимические реакции, образующие, в частности, озон. В городах возникает так называемый фотохимический смог — густая дымка, содержащая до 1 мг*м¯³ озона. Она поражает растительность, раздражает дыхательные пути и слизистую оболочку глаз человека и т. д. Впервые описанный в Лос-Анджелесе такой смог теперь наблюдается во многих больших городах США и Европы, в особенности в Голландии, на территории СНГ.

Изучение смога заставляет обратить более пристальное внимание на фотохимию нижней тропосферы и ее примесей. С другой стороны, науку сейчас интересует вопрос о различных возможных источниках озона в тропосфере.

Чтобы понять связь фотохимических и динамических процессов, в которых участвует озон тропосферы и стратосферы, очень полезны теоретические модели озонного слоя, описывающие его режим — либо стационарный, либо меняющийся в течение суток, сезона и пр. Эти модели учитывают, что на озон могут влиять многие малые составляющие как естественные (метан СН₄, закись азота N₂O), так и загрязняющие атмосферу соединения хлора и пр. Одномерные и особенно двумерные модели озоносферы сложны, требуют знания скоростей многих реакций, потоков солнечной радиации и пр. Параметры их, описывающие турбулентность и течения воздуха, должны быть совместимы, а результаты расчетов малых составляющих атмосферы — соответствовать данным наблюдений. В то же время такие модели очень полезны, они указывают рациональное направление будущих исследований и наблюдений озона и связанных с ним явлений загрязнения и изменения радиации. В своем докладе на сессии МАМФА в 1974 г. в Мельбурне X. У. Дютш сказал, что, если вначале основное внимание уделялось решению комбинированной проблемы фотохимии и транспорта озона, в будущем предпочтение будет отдаваться исследованию зависимости между озоном и динамикой стратосферы — сложной системы с обратной связью.

Монреа́льский протоко́л

Монреа́льский протоко́л по вещества́м, разруша́ющим озо́новый слой (англ. The Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer) — международный договор, разработанный с целью защиты озонового слоя с помощью снятия с производства некоторых химических веществ, которые разрушают озоновый слой. Договор был подготовлен к подписанию 16 сентября 1987 года и вступил в силу 1 января 1989 года. После этого последовала первая встреча в Хельсинки в мае 1989 года. С тех пор протокол подвергался пересмотру семь раз: в 1990 (Лондон), 1991 (Найроби), 1992 (Копенгаген), 1993 (Бангкок), 1995 (Вена), 1997 (Монреаль) и 1999 (Пекин). Если страны, подписавшие протокол, будут его придерживаться и в будущем, то можно надеяться, что озоновый слой восстановится к 2050 году. Генеральный секретарь ООН (1997—2006) Кофи Аннан сказал, что «возможно, единственным очень успешным международным соглашением можно считать Монреальский протокол».

СССР подписал Монреальский протокол в 1987 году. В 1991 году Россия, Украина и Белоруссия подтвердили свою правопреемственность этому решению.

По состоянию на декабрь 2009 года 196 государств-членов ООН ратифицировали первоначальную версию Монреальского протокола. Не все страны ратифицировали каждую последующую поправку. Только 161 страна подписала Пекинскую поправку.

Условия и цели протокола

В середине 1980-х гг. озоновый слой начал интенсивно истощаться. Причиной этому явились, по мнению нескольких ученых, некоторые галогенированные углеводороды, широко применяемые в промышленности, попадающие в атмосферу Земли. С целью международного противодействия разрушению озонового слоя был разработан Монреальский протокол. Он предусматривает для каждой группы галогенированных углеводородов определённый срок, в течение которого она должна быть снята с производства и исключена из использования.

История проблемы

В 1973 году химики Франк Шервуд Роуланд и Марио Молина в Университете Калифорнии начали изучение воздействия хлорфторуглеродов (ХФУ) в атмосфере Земли. Они открыли, что молекулы ХФУ достаточно стойки в атмосфере до тех пор как поднимутся в средние слои стратосферы, где они под действием УФ-излучения диссоциируют с образованием атомарного хлора. Роуланд и Молина предположили, что эти атомы хлора могут вызвать разрушение больших количеств озона в стратосфере. Их выводы были основаны на аналогичной работе Пауля Джозефа Крутцена и Харольда Джонстоуна, которые показали, что оксид азота (II) (NO) может ускорять разрушение озона. За работу по этой проблеме в 1995 году Крутцену, Молине и Роуланду была присуждена Нобелевская премия по химии.

Известно, что стратосферный озон практически полностью поглощает УФ-B-излучение (электромагнитное излучение Солнца с длиной волны λ=290÷320 нм), губительное для всех живых организмов. Истощение озонового слоя, вызываемое ХФУ, приводит к увеличению количества УФИ-B, достигающего поверхности Земли. Как следствие, увеличение числа случаев рака кожи у людей (меланома, карцинома и др.) и возникновение других серьёзных проблем, таких как повреждение зерновых культур и гибель значительных количеств морского фитопланктона.

Гипотеза Роуланда — Молины жёстко оспаривалась представителями промышленности, производящей аэрозоли и галогеноалканы. Председатель правления компании "Дюпон" говорил, что теория истощения озонового слоя — это "рассказ научной фантастики... груз мусора... изложенный абсурдно". Президент Precision Valve Comporation Роберт Абпланалп (изобретатель первого практичного аэрозольного спрея) писал ректору Университета Калифорнии, что недоволен публичными утверждениями Роуланда.

Антропогенное воздействие на озоновый слой

Хотя озонный слой, защищающий Землю от вредного воздействия коротковолнового солнечного излучения, располагается на высотах ~20-50 км, проблема образования так называемых "озонных дыр" постоянно упоминается в связи с запусками мощных ракет-носителей. До настоящего времени продолжаются споры между учеными относительно того, какие же факторы в наибольшей степени способствуют разрушению озонного слоя.

В середине 70-х годов одна из мощных отраслей промышленности США, производящая аэрозольные упаковки, содержащие фторхлоруглероды (фреоны), оказалась под угрозой ликвидации. В прессе публикации на тему «Атака на фреоны» потеснили на время светские новости и сообщения уголовной хроники, а в редакции газет поступали требования об изъятии упаковок с фреонами из продажи. Губернаторы штатов Орегон и Нью-Йорк выступили с заявлениями о готовности подписать законопроект, запрещающий продажу аэрозольных упаковок.

Причиной всех этих событий стала статья известных специалистов по аэрономии Ф. Роланда и М. Молина в журнале «Nature». В этой статье, названной «О возможных неблагоприятных последствиях, связанных с попаданием фторхлоруглеродов в атмосферу», авторы в результате модельных расчетов пришли к выводу, что накопление фреонов в атмосфере может привести к уменьшению стратосферного озона. Отмечалось, что это, в свою очередь, приведет к увеличению потока ультрафиолетового излучения Солнца у поверхности Земли и как следствие к возможному увеличению заболеваний людей раком кожи, гипертонией, неврозами.

Однако атака на фреоны натолкнулась на стойкую защиту фреонов. От «нападающих» потребовали более точных оценок, поскольку ряд косвенных фактов, связанных с существованием и вариациями хлорсодержащих соединений в атмосфере, не давал особых оснований бить тревогу. Более того, на озон могут оказывать воздействие и другие малые составляющие антропогенного происхождения — например, соединения азота, которые также эффективно взаимодействуют с молекулами озона.

Следует подчеркнуть, что проблема атмосферного озона достаточно сложна и носит комплексный характер. Дело в том, что озон есть лишь отдельное (хотя и очень важное) звено в сложной системе, которую представляет собой атмосфера. Достаточно сказать, что на содержание малых составляющих в стратосфере, которые могут вступать в реакции с молекулами озона, оказывает влияние до 85 различных реакций одновременно. Параметры ряда важных реакций этой сложной «фотохимической кухни» пока еще не определены.

В связи с этим упрощенные оценки того или иного эффекта в озонном слое без учета комплексного характера всей системы могут скорее обозначать остроту определенного направления в решении проблем «озонного щита».

Фреоны дают от 50 до 70% общего количества хлора, попадающего в стратосферу. Для сравнения можно указать, что основной естественный источник стратосферного хлора —- вулканические извержения -— обеспечивает поступление от 5 до 30% стратосферного хлора. Таким образом, в стратосфере преобладает хлор антропогенного происхождения, и именно рост антропогенного вклада в общий баланс хлорсодержащих соединений будет определять содержание хлора в стратосфере и его роль в дальнейшей эволюции озоносферы.

По имеющимся оценкам, важную роль в балансе стратосферного озона играют и соединения азота, которые обеспечивают до 70% фотохимического стока молекул озона. Однако в отличие от хлора в общем балансе соединений азота в стратосфере преобладают естественные, а не антропогенные источники.

Можно сравнить различные антропогенные источники азота и хлора в стратосфере для того, чтобы оценить относительный вклад перспективных транспортных космических систем в баланс озона в стратосфере.

Особо надо сказать о влиянии таких антропогенных воздействий на атмосферный озон, как ядерные взрывы в атмосфере и вызванные ими геофизические эффекты. Реальность таких воздействий подтверждается наблюдениями содержания озона в начале 60-х годов, когда такие взрывы в атмосфере были регулярными. Эффекты уменьшения озона в атмосфере после взрывов отмечались в течение нескольких лет.

В последние годы исследованиям озонного слоя уделяется весьма значительное внимание в связи с обнаружением и наблюдением в течение нескольких лет озонной дыры над Антарктидой. Не останавливаясь здесь подробно на этих исследованиях, отметим, что их результаты свидетельствуют о наличии целого ряда естественных процессов в атмосфере, приводящих к образованию озонных дыр.

Озоновая дыра — локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утоньшению озонового слоя.

ОЗОН (от греч. ozon -- пахнущий) - Оз, аллотропная модификация кислорода. Газ синего цвета с резким запахом, t кипения -- 112 °С, сильный окислитель. При больших концентрациях разлагается с взрывом. Образуется из кислорода (О2) при электрическом разряде (напр., во время грозы) и под действием ультрафиолетового излучения (напр., в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца). Основная масса озона (Оз) в атмосфере расположена в виде слоя -- озоносферы -- на высоте от 10 до 50 км с максимумом концентрации на высоте 20-25 км. Этот слой предохраняет живые организмы на Земле от вредного влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. В промышленности О3 получают действием на воздух электрического разряда. Используют для обеззараживания воды и воздуха.

Глобальная изменчивость или глобальные изменения в последние годы превратились в основную проблему исследований в области окружающей среды главным образом благодаря тому огромному влиянию, которое она по всей вероятности будет оказывать на мировое сообщество.

Многие ученые - естественники рассматривают термин "окружающая среда" как синоним слову "природа". Однако природа становится окружающей средой только тогда когда рассматривается в социальном контексте: человеческое общество зависит от природы и, взаимодействуя с ней, изменяет её в различных пространственно-временных масштабах.

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической Службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный Самолетный Антарктический Озоновый Эксперимент. В его ходе ученые из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озоновая "дыра". (Озоновая дыра - разрыв озоносферы диаметром св. 1000 км, возникший над Антарктидой и перемещающийся в населенные районы Австралии. Озоновая дыра возникла предположительно в результате антропогенных воздействий АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ на природу, различные формы влияния деятельности человека на природу. Антропогенные воздействия охватывают отдельные компоненты природы и природные комплексы. Количественной и качественной характеристикой антропогенных воздействий является антропогенная нагрузка. Антропогенные воздействия могут носить как позитивный, так и негативный характер; последнее вызывает необходимость в применении специальных природоохранных мер.

, в т. ч. широкого использования в промышленности и быту хлорсодержащих хладонов ХЛАДОНЫ (фреоны) - техническое название группы насыщенных алифатических галогенсодержащих углеводородов, применяемых в качестве хладагентов; газы (напр., CCl2F2, t кип -- 29,8 °C) или летучие жидкости (напр., CCl3F, t кип 23,7 °C). Нетоксичны, не образуют взрывоопасных смесей с воздухом, не реагируют с большинством металлов. Используются как пропелленты, растворители и др. Некоторые хладоны разрушающе действуют на озоновый слой атмосферы Земли, в связи, с чем объем их производства сокращается.

(фреонов), разрушающих озоновый слой. Озоновая дыра представляет опасность для живых организмов, поскольку озоновый слой защищает поверхность Земли от чрезмерных доз ультрафиолетового излучения Солнца. В 1985 принята Венская конвенция об охране озонового слоя, в 1987 -- Монреальский протокол. Озоновая дыра была обнаружена английским исследователем Дж. Фарманом в 1982. В 1992 озоновая дыра открыта также над Арктикой.)

В начале 80-х по измерениям со спутника "Нимбус-7" аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико - около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.

Это открытие обеспокоило как ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большей опасности, чем считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере менее 0.0001%, однако, именно озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца с длиной волны l<280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б с 280<l<315 нм, наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%. Эта оценка подтверждается измерениями, проведенными в Антарктиде. Правда, из-за низкого положения солнца, интенсивность ультрафиолета в Антарктиде все еще ниже, чем в средних широтах. Ультрафиолетовое излучение Солнца это коротковолновое электромагнитное излучение (400-10 нм), на долю которого приходится около 9% всей энергии излучения Солнца. Ультрафиолетовое излучение Солнца ионизирует газы верхних слоев земной атмосферы, что приводит к образованию ионосферы.

По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у g-излучения длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, и поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако значительно количество других факторов (например, возросшая полярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом, получая большую дозу УФ облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона. Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое при увеличении интенсивности жесткого УФ может серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жесткому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они.

Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится, человечество легко найдет способ защититься от жесткого УФ излучения, но при этом рискует умереть от голода.

Образование озона описывается уравнением реакции

O2+O=O3

Необходимый для этой реакции атомарный кислород выше уровня 20 км образуется при расщеплении кислорода под действием ультрафиолетового излучения с l<240 нм

O2+h0=2O

Ниже этого уровня такие фотоны почти не проникают, и атомы кислорода образуются, в основном, при фотодиссоциации двуокиси азота

NO2+h0=NO+O

фотонами мягкого ультрафиолета с l<400 нм.

Разрушение молекул озона происходит при их попадании на частицы аэрозолей или на поверхность земли, но основной сток озона определяют циклы каталитических реакций в газовой фазе:

O3+Y=YO+O2

YO+O=Y+O2

где Y=NO, OH, Cl, Br

Впервые мысль об опасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х годов, тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона представляют выбросы водяного пара и оксидов азота (NOx) из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов и ракет. Однако сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только "Конкорд", совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, из военных самолетов в стратосфере летают практически только сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как B1-B или Ту-160 и разведывательные самолеты типа SR-71. Такая нагрузка вряд ли представляет серьезную угрозу для озонного слоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобрений также представляет определенную опасность для озонного слоя, но оксиды азота нестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Запуски ракет также происходят не очень часто, впрочем, хлоратные твердые топлива, используемые в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях "Спейс-Шаттл" или "Ариан", могут наносить серьезный локальный ущерб озонному слою в районе запуска.

В 1974 г. М. Молина и Ф. Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что хлорфторуглероды (ХФУ) могут вызывать разрушение озона. Начиная с этого времени, так называемая хлорфторуглеродная проблема, стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластов.

Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества, поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. Как это ни парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и, в конце концов, проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом, ХФУ переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона, прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическом случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие уже попавших в атмосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых ХФУ фреон-11 (CFCl3) и фреон-12 (CF2Cl2) составляет 75 и 100 лет соответственно.

Оксиды азота способны разрушать озон, однако, они могут реагировать и с хлором. Например:

O3+Cl=ClO+O2

ClO+NO=NO2+Cl

NO2=NO+O

O2+O=O3

в ходе этой реакции содержание озона не меняется. Более важной является другая реакция:

ClO+NO2=ClONO2

образующийся в ее ходе хлористый нитрозил является так называемым резервуаром хлора. Содержащийся в нем хлор неактивен и не может вступить в реакцию с озоном. В конце концов, такая молекула-резервуар может поглотить фотон или вступить в реакцию с какой-нибудь другой молекулой и высвободить хлор, но она также может покинуть стратосферу. Расчеты показывают, что если бы в стратосфере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бы намного быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлористый водород HCl, образующийся при реакции атомарного хлора и метана СH4.

Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. В сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали в Монреале конвенцию, обязывающую их снизить потребление ХФУ. Согласно достигнутой договоренности развитые страны должны к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ - пропанобутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее, такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками - вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена.

Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов - концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере фотохимические активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.

Вместе с тем, ранние прогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровня выброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упасть вдвое, возможно были слишком пессимистичны. Во-первых, дыра над Антарктидой во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широта. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -80°. Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Все это говорит о том, что ХФУ способны вызвать заметное понижение концентрации озона только в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах, концентрация активного хлора должна быть намного выше. Во-вторых, при разрушении озонного слоя жесткий ультрафиолет начнет проникать глубже в атмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему, но только немного ниже, в области с большим содержанием кислорода. Правда, в этом случае озонный слой будет в большей степени подвержен действию атмосферной циркуляции.

Хотя первые мрачные оценки были пересмотрены, это ни в коем случае не означает, что проблемы нет. Скорее, что стало ясно нет серьезной немедленной опасности. Даже наиболее оптимистичные оценки предсказывают при современном уровне выброса ХФУ в атмосферу серьезные биосферные нарушения во второй половине XXI в., поэтому сокращать использование ХФУ по-прежнему необходимо.

Возможности воздействия человека на природу постоянно растут и уже достигли такого уровня, когда возможно нанести биосфере непоправимый ущерб. Уже не в первый раз вещество, которое долгое время считалось совершенно безобидным, оказывается на самом деле крайне опасным. Лет двадцать назад вряд ли кто-нибудь мог предположить, что обычный аэрозольный баллончик может представлять серьезную угрозу для планеты в целом. К несчастью, далеко не всегда удается вовремя предсказать, как то или иное соединение будет воздействовать на биосферу. Однако в случае с ХФУ такая возможность была: все химические реакции, описывающие процесс разрушения озона ХФУ крайне просты и известны довольно давно. Но даже после того, как проблема ХФУ была в 1974 г. сформулирована, единственной страной, принявшей какие-либо меры по сокращению производства ХФУ были США и меры эти были совершенно недостаточны. Потребовалась достаточно серьезная демонстрация опасности ХФУ для того, чтобы были приняты серьезные меры в мировом масштабе.

Следует заметить, что даже после обнаружения озонной дыры, ратифицирование Монреальской конвенции одно время находилось под угрозой. Быть может, проблема ХФУ научит с большим вниманием и опаской относиться ко всем веществам, попадающим в биосферу в результате деятельности человечества.

Заблуждения об озоновой дыре

Существует несколько широко распространённых мифов касательно образования озоновых дыр. Несмотря на свою ненаучность, они часто появляются в СМИ — иногда по неосведомлённости, иногда поддерживаемые сторонниками теорий заговоров. Ниже перечислены некоторые из них.

Основными разрушителями озона являются фреоны

Это утверждение справедливо для средних и высоких широт. В остальных хлорный цикл ответственен только за 15—25 % потерь озона в стратосфере. При этом необходимо отметить, что 80 % хлора имеет антропогенное происхождение. То есть вмешательство человека сильно увеличивает вклад хлорного цикла. И при имевшейся тенденции к увеличению производства фреонов до вступления в действие Монреальского протокола (10 % в год) от 30 до 50 % общих потерь озона в 2050 году обуславливалось бы воздействием фреонов. До вмешательства человека процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона. Что же касается полярных озоновых дыр, то здесь ситуация совершенно иная. Механизм разрушения озона в принципе отличается от более высоких широт, ключевой стадией является превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды, которая протекает на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. И в результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами, за 40—50 % ответственен хлор и порядка 20—40 % — бром.

DuPont инициировал запрет старых и переход на новые типы фреонов потому что у них истекал срок действия патента

Компания DuPont после обнародования данных об участии фреонов в разрушении стратосферного озона восприняла эту теорию в штыки и потратила миллионы долларов на кампанию в прессе по защите фреонов. Председатель DuPont писал в статье в журнале Chemical Week от 16 июля 1975 года, что теория разрушения озона — это научная фантастика, вздор, не имеющий смысла. Кроме DuPont целый ряд компаний во всём мире производил и производит различные типы фреонов без отчисления лицензионных платежей.

Фреоны слишком тяжелы, чтоб достигать стратосферы

Иногда утверждается, что так как молекулы фреонов намного тяжелее азота и кислорода, то они не могут достигнуть стратосферы в значительных количествах. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не стратифицируются или сортируются по весу. Оценки требуемого времени для диффузионного расслоения газов в атмосфере требуют времён порядка тысяч лет. Конечно в динамической атмосфере это невозможно. Процессы вертикального массопереноса, конвекции и турбулентности полностью перемешивают атмосферу ниже турбопаузы намного быстрее. Поэтому даже такие тяжёлые газы, как инертные или фреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе и стратосферы. Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это. Также измерения показывают, что требуется порядка пяти лет для того чтобы газы выделившиеся на поверхности Земли достигли стратосферы, см. второй график справа. Если бы газы в атмосфере не перемешивались, то такие тяжёлые газы из её состава, как аргон и углекислый газ, образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы поверхность Земли необитаемой. Но это не так. И криптон с атомарной массой 84, и гелий с атомарной массой 4, имеют одну и ту же относительную концентрацию, что около поверхности, что до 100 км высоты. Конечно, всё вышесказанное справедливо только для газов, которые относительно стабильны, как фреоны или инертные газы. Вещества, которые вступают в реакции, а также подвергаются различным физическим воздействиям, скажем, растворяются в воде, имеют зависимость концентрации от высоты.

Основными источниками галогенов являются природные, а не антропогенные

Есть мнение, что природные источники галогенов, например вулканы или океаны, более значимы для процесса разрушения озона, чем произведённые человеком. Не подвергая сомнению вклад природных источников в общий баланс галогенов, необходимо отметить, что в основном они не достигают стратосферы ввиду того, что являются водорастворимыми (в основном хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю. Также природные соединения менее устойчивы, чем фреоны, например метилхлорид имеет атмосферное время жизни всего порядка года, по сравнению с десятками и сотнями лет для фреонов. Поэтому их вклад в разрушении стратосферного озона довольно мал. Даже редкое по своей силе извержение вулкана Пинатубо в июне 1991 года вызвало падение уровня озона не за счёт высвобождаемых галогенов, а за счёт образования большой массы сернокислых аэрозолей, поверхность которых катализировала реакции разрушения озона. К счастью, уже через три года практически вся масса вулканических аэрозолей была удалена из атмосферы. Таким образом, извержения вулканов являются сравнительно краткосрочными факторами воздействия на озоновый слой, в отличие от фреонов, которые имеют времена жизни в десятки и сотни лет.

Озоновая дыра должна находиться над источниками фреонов

Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. Ввиду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Поэтому они легко достигают верхних слоёв атмосферы. Антарктическая «озоновая дыра» существует не постоянно. Она появляется в конце зимы — начале весны. Причины, по которой озоновая дыра образуется в Антарктике, связаны с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не возникает. С приходом лета количество озона увеличивается и снова выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой — сезонные. Однако, если проследить усреднённую в течение года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется строго определённая тенденция к падению концентрации озона.

Озон разрушается только над Антарктикой

Это неверно, уровень озона также падает во всей атмосфере. Это показывают результаты долговременных измерений концентрации озона в разных точках планеты. Например, изменения концентрации озона над Аросой в Швейцарии.

Иной взгляд на проблему:

Проблема озоновых дыр всегда рассматривалась как аспект идеи экологического и климатического кризиса – разрушение озонового слоя планеты из-за вероятного влияния человечества. Однако существует и другое мнение. Ниже приведены факты, известные широкой общественности из популярных изданий.

Утоньшение озонового слоя стали фиксировать с 70-х годах. Особенно значительно он уменьшился над Антарктидой, что и привело к появлению расхожего выражения «озоновая дыра». Малые дыры фиксируются также в Северном полушарии – над Арктикой, в районе космодромов Плесецк и Байконур.

В 1974 году двое ученых из Калифорнийского университета – Марио Молина и Шервуд Роуленд – выдвинули гипотезу, что основным фактором разрушения озона выступают газы фреоны, используемые в холодильной и парфюмерной промышленности. Менее значительные озоноразрушающие факторы – полеты ракет и сверхзвуковых самолетов.

Мировое сообщество отреагировало на работы ученых. В марте 1985 года в Вене было подписано международное соглашение о сокращении производства фреонов. Тем не менее озоновые дыры, особенно над Антарктидой, вроде бы продолжают расти. Рано или поздно эта тенденция приведет к тому, что солнечный ультрафиолет вызовет массовые мутации, раковые заболевания и, в конечном итоге, сожжет все живое.

Озон – химическая модификация кислорода, состоящая из трех атомов, которая образуется из обычного, двухатомного кислорода под влиянием солнечных лучей на больших высотах и при грозовых разрядах. Озон задерживает ультрафиолет, губительный для живого. Наличие озонового экрана – необходимое условия существования жизни.

Химические свойства озона были изучены еще в XIX веке, и последние 100 лет его присутствие в атмосфере количественно измеряется. Систематические наблюдения за его слоем начались в 1957 году, когда ученые десятков стран объединились с целью изучения тайн Земли в рамках Международного геофизического года. Этот год был знаменателен еще и тем, что с него началась космическая эра. В дальнейшем наблюдения за озоновым слоем стали вестись со спутников, а вскоре – с пилотируемых космических кораблей и станций. Оказалось, что с 1957 до 1962 года озоновый слой утоньшался. С 1962 года количество стратосферного озона вновь стало расти.

Чем обусловлен спад 1960 года – до сих пор неизвестно. Одна из гипотез связывает этот процесс с интенсивно проводимыми в те годы атомными испытаниями. Действительно, при мощном стратосферном взрыве образуется множество свободных ионов, которые в ходе химических реакций могут превращать озон в двухатомный кислород. Однако все эти рассуждения носят лишь гипотетический характер. С фреонами события 1960 года точно не связаны, потому что тогда их производилось немного.

После 1962 года озоновый слой был относительно стабилен. В 70-х годах стало формироваться то, что получило название озоновых дыр. Однако в целом процессы, происходящие в верхних слоях атмосферы, оставались неясными. Спорят даже по такому вопросу: действительно ли уменьшилось количество озона, или он просто перераспределился из района «дыр» в другие области Земли?

Когда в 1974 году химики Молина и Роуленд выдвинули гипотезу о связи озоновых дыр с фреонами, обоснование ее было довольно слабым. Совершенно очевидно, что озон участвует во многих химических реакциях, и не связанных с фреонами. Автор (Сапунов В.Б.)считает неясным, почему главная дыра оказалась на Южном полушарии, если почти все фреоны синтезируются и выпускаются на волю в Северном (ныне ото объясняется планетоидной, а не шарообразной формой Земли). И тем не менее, на пропаганду сомнительной гипотезы вдруг заработали огромные силы, весьма далекие от науки.

Химический концерн Дюпон вложил огромные средства в эту нечистую с научной и этической точки зрения пиар-акцию. Дюпону удалось неплохо заработать на озоновой страшилке и задавить конкурентов, быстро выбросив на рынок парфюмерии бесфреоновые аэрозоли. В действительности наблюдаемые вариации озона в атмосфере не описываются моделью Роуленда и Молина, и их расчеты расходятся с фактическим данными. Изучение озоновых дыр показало, что их расположение не совпадает с местами техногенных выбросов. Выяснилось, что значительно больше фреонов поступает в атмосферу в результате вулканической деятельности. Озоновая дыра в Антарктиде показала четкую корреляцию с активностью мощнейшего вулкана Земли Эребус, находящегося на ледяном континенте.

Удалось получить данные и о многолетней динамике озонового слоя. Так, выяснилось, что были периодические спады его значения. Например, минимум наблюдался в 1908 году – задолго до промышленной революции ХХ века. Каким-то образом этот минимум оказался исправленным после падения тунгусского метеорита.

Несмотря на отсутствие серьезных подтверждений своей гипотезы, Ш. Роуленд и М. Молина получили в 1997 году высшую награду – Нобелевскую премию фактически за лженаучные измышления. Ажиотаж вокруг их работ лежал в общем русле идей катастрофизма.

Заключение

Заключение представляет собой концентрированное изложение всех выводов, методических и аналитических заключений, сделанных в работе. Обращаем Ваше внимание на тот факт, что именно выводы выносятся на защиту.

В заключении указываются конкретные рекомендации и предложения по решению рассматриваемой проблемы, направления дальнейших исследований.

Список использованной литературы

1. Александров Э. Л., Израэль Ю. А., Кароль И. Л., Хргиан А. Х. Озонный щит Земли и его изменения. Санкт-Петербург, «Гидрометеоиздат», 1992.

2.Александров Э.Л., Седунов Ю.С. Человек и стратосферный озон. Ленинград, «Гидрометеоиздат», 1979.

3.Акишин А. И., Новиков Л. С. Воздействие окружающей .среды на материалы космических аппаратов. М., Знание, 1983.

4.Гущин Г.П., Виноградова Н.Н. Суммарный озон в атмосфере. Ленинград, «Гидрометеоиздат», 1983.

5.Лунин В.В., Попович М.П., Ткаченко С.Н. Физическая химия озона. М., 1998.

6.Перов С.П., Хргиан А.Х. Современные проблемы атмосферного озона. Ленинград, «Гидрометеоиздат», 1980.

7.Разумовский С.Д., Заиков Г.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. М., «Наука», 1974.

8.Сапунов В.Б. Грядет глобальное похолодание

9.Урсул А. Д. Экологические перспективы и космонавтика.— Земля и Вселенная,

10.Федоров Е. К. Экологический кризис и социальный прогресс. Л., Гидрометеоиздат,

11.Хргиан А. Х., Кузнецов Г.И. Проблема наблюдений и исследований атмосферного озона. М., 1981.

12.Хргиан А.Х. Физика атмосферного озона. Ленинград, «Гидрометеоиздат», 1973.