Проблемы истощения озонового слоя. Глобальные экологические проблемы

 Одна из таких локальных озоновых дыр наблюдается над Центральной Азией, которая первый раз бала замечена в августе 1984 г.  В дальнейшем, она наблюдалась в апреле 1985 г., в апреле 1988 г., с апреля по июнь 1990 г., в апреле 1992 г., с января по июнь 1993 г., с февраля по июнь 1995 г., с марта по май 1997 г. Максимальное истощение озонового слоя над горным регионом Центральной Азии было зарегистрировано в апреле 1997 года и составило 18%. Эти данные были получены в результате многолетних, круглогодичных, ежесуточных наблюдений параметров атмосферы над горным регионом Центральной Азии. Наблюдения проводились на уникальной научной станции Иссык-Куль, которая расположена на берегу озера Иссык-Куль, в 10 км западнее города Чолпон-Ата.  
 

Приведенные данные свидетельствуют, о том, что в конце ХХ столетия не только в Южном, но и в Северном полушарии, в том числе и над нашим регионом, появление озоновых дыр с дефицитом озона в 10–40%, т.е. в 2,5–9 раз превышающий максимальный уровень естественных колебаний, стало обыденным явлением. Проблема утраты озонового слоя может привести к возрастанию ультрафиолетовой радиации Солнца, что будет оказывать влияние не только на все население планеты, но и на все живое на Земле. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

              3.   Проблема истощения озонового слоя 
 
 

 В 1971 г. почти одновременно в научных журналах появились две статьи посвященные проблеме разрушения озонового слоя в результате человеческой деятельности. Одну написал американский ученый Гарольд Джонстон, другую – Пауль Крутцен из ФРГ. Рассматривая фотохимические процессы, эти ученые обратили внимание на цикл двух реакций: 

O3 + NO ® NO2 +O2 (8) 

NO2 + O ® NO + O2.  

 В левой части этих уравнений погибает одна молекула окиси азота и одна молекула двуокиси азота, а в правой появилось по одной молекуле NO и NO2. Отсюда следует, что расхода окиси и двуокиси азота в этих реакциях не происходит, эти вещества являются катализаторами. Но в этой реакции исчезли атом O и молекула O3 и образовались две молекулы O2. Если записать то, что произошло, в виде результирующей реакции можно получить: 

O + O3 ® O2 + O2. (9) 

 В процессе этой реакции уничтожаются и сами молекулы O3 и атомы O, необходимые для создания озона. Отличие системы реакций (8) от реакции (9) в том, что эффективность системы зависит от концентрации окислов азота NO и NO2, выступивших в роли катализатора. Очевидно, что при достаточно высоких концентрациях NO и NO2 скорость гибели O и O3 в результате действия системы может стать во много раз выше, чем при реакции (9). Если эффект системы (8) сильнее эффекта системы (9), то концентрация O3 будет определяться уже скоростью гибели O и O3 в этой системе и будет меньше, чем в случае действия только реакции (9) Насколько меньше это будет зависеть только от того, сколь велики концентрации NO и NO2. Очевидного предела здесь нет.  

 Таково упрощенное изложение идеи Крутцена и Джонстона. Если количество окислов азота, в результате деятельности человека, возрастет выше определенного уровня, равновесная концентрация озона начнет падать. И здесь неважно, какие именно окислы азота (NO, NO2, N2O), будут попадать в атмосферу. В ходе быстрых реакций с кислородными соединениями, Например типа тех же реакций (8), между окислами азота установится внутреннее соотношение, поэтому для проблемы разрушения озона существенно лишь суммарное количество всех попадающих в атмосферу азотных соединений. Обозначим их условно NOx.  

 Естественно встает вопрос о том, какого рода деятельность может привести к заметному росту количества NOx в стратосфере. Источников атмосферного загрязнения довольно много, но Крутцен и Джонстон сделали акцент на одном из них – на полетах стратосферной авиации. Дело в том, что при полете реактивного самолета в стратосферный воздух выбрасывается большое количество отработанных газов из двигателей, существенную часть которых составляют окислы азота и пары воды. С точки зрения загрязнения стратосферы важно не только общее количество производимых самолетами окислов азота, но и высота их введения в атмосферу, поскольку окись и двуокись азота в тропосфере быстро удаляются вымыванием.  

 Крутцен и Джонстон, прикинув тенденцию будущего развития стратосферной авиации, оценили ожидаемое количество полетов на рубеже веков в несколько сот в сутки. Задавшись далее некоторыми исходными данными о количестве выбрасываемых в окружающую атмосферу окислов азота за один, они получили общее число молекул NOx , которое в результате окажется в стратосфере. Итог получился сенсационным. Оказалось, что попавшего таким образом в стратосферу количества окислов азота будет достаточно, чтобы к началу 80-х годов равновесная концентрация озона уменьшилась в результате действия системы реакций (8) на несколько десятков процентов! Заявления этих ученых вызвали настоящую сенсацию, а их прогнозы оказались на страницах общедоступной прессы. Но их прогнозы не сбылись, хотя они были правы. Это произошло по нескольким причинам: 

 Во-первых, не произошло ожидаемого бума с развитием стратосферных полетов. 

 Во-вторых, оказались неверными некоторые из использовавшихся исходных данных о количестве выбрасываемых молекул NOx и о скоростях ряда фотохимических реакций.  

 Работы Крутцена и Джонстона фактически положили начало детальному изучению химии стратосферы.  

 По мере изучения проблемы антропогенных загрязнений озона выяснилось, что выбросы стратосферных самолетов не являются единственным (и даже главным) искусственным источником поступления азотных окислов в атмосферу. Очень мощным источником

NOx являются азотные  удобрения Попадая в почву,  такие удобрения (прежде всего  это закись азота N2O) распыляются,  при этом некоторое количество  молекул попадает в приземный  воздух. 

 От попадания молекул N2O в приземную атмосферу до повышения концентрации NOx в стратосфере путь длинный. Целая цепочка процессов – турбулентность в приземном слое воздуха, восходящие движения в тропосфере, перенос обогащающего азотными окислами газа в низкие широты, восходящие потоки из тропосферы через тропопаузу в стратосферу, обратный горизонтальный перенос газа в более высокие широты в стратосфере – должна произойти, чтобы в результате над всем земным шаром увеличилось количество молекул NOx, представляющих угрозу для стратосферного озона.  

 Увеличение количества используемых азотистых удобрений идет быстрыми темпами. За 20 лет с1955 по 1975 г. производство таких удобрений возросло более чем в 10 раз (примерно с 3 до 40 миллионов тонн (мегатонн) в год) (см. рис 3). Оценки 80-х годов показывают, что за счет использования азотистых удобрений в атмосферу поступает ежегодно около 10 мегатонн N2O и что эта величина составляет 25 – 40% естественного поступления закиси азота.  

 Наконец, окислы азота поступают в атмосферный газ (главным образом в виде N2O) при сжигании промышленного топлива. По имеющимся оценкам, количество закиси азота, попадающее в воздух с дымом работающих на обычном (не ядерном) горючем электростанций, само по себе достаточно велико и составляет 3 – 4 мегатонны в год. 

 Результаты активного использования окислов азота не заставили себя ждать. Измерения показывают, что количество N2O в атмосфере (и, в частности, в стратосфере) растет со скоростью примерно 0,2% в год. Это значит, что если такой темп сохранится, количество закиси азота в атмосфере удвоится через 300 лет..

Существует еще  один антропогенный источник азотных  окислов, который может влиять на жизнь стратосферного озона. Речь идет о ядерных взрывах. 

За счет сильного нагрева  газа (в тепловую энергию переходит около трети всей энергии взрыва) и частично за счет мощного излучения состав воздуха в области взрыва сильно изменяется,– в нем появляется много азотных окислов. Сама вспышка излучения длится не очень долго, да и падение температуры после внезапного нагрева происходит достаточно резко. Однако быстро вернуться назад к исходному состоянию газа с измененным составом уже не может – время жизни относительно динамических и химических процессов составляет часы. В результате облако с высокой “добавкой” азотных окислов будет, постепенно расширяясь существовать большое время (некоторое превышение концентрации NOx над нормальным значением может наблюдаться и через сутки после взрыва).  

 По разным оценкам, при взрыве образуется от 1 до 10 килотонн NOx на 1 мегатонну мощности. На первой стадии в облаке присутствует в основном двуокись азота NO2. Именно ей облако обязано своим желтоватым цветом. При остывании облака происходит перераспределение азотных радикалов, и в облаке появляются другие окислы, прежде всего NO. На стадии, когда горизонтальный диаметр облака составляет несколько километров, концентрация молекул NOx в нем равна примерно10 в 12 степени см в –3 степени. Эта величина близка к концентрации самого озона в максимуме его слоя. Зная степень воздействия азотных окислов на озон можно заключить, что атомные взрывы должны разрушать стратосферный озон. А что на самом деле? 

 При обсуждении влияния высотных взрывов на озон нужно различать кратковременные и долговременные эффекты. Вряд ли можно ожидать, что в облаке, насыщенном окислами азота сохранится неизменным. Однако по теоретическим моделям дают уменьшение концентрации озона в области максимума слоя в 3-30 раз в зависимости от параметров взрыва. Измерить, однако, такие эффекты достаточно трудно, кроме того, в последние полтора десятилетия высотные взрывы не проводятся (основная серия была в 60-ч годах), и поэтому нет возможности проверить теоретические оценки изменения концентрации озона с помощью наблюдений современными методами. 

 Серии высотных ядерных испытаний 60-ч годов привели в сумме к образованию в стратосфере дополнительно большого количества азота, сравнимо с их естественным источником. Так, в 1961г. ядерный источник NOx дал примерно 600 килотонн, а в 1962 г. – 1100 килотонн, что лишь немного меньше естественного поступления NOx – 1600 килотонн в год. Казалось бы такая “добавка” к обычному фону азотных соединений не могла сказаться на количестве озона в эти годы в глобальном масштабе. Однако все попытки найти по мировой сети озонометрических станций тех времен следы какого-либо систематического уменьшения концентрации озона в этот период не дали определенного результата. Более того, по некоторым данным количество озона в последующие годы даже возросло. Не удалось обнаружить глобальных эффектов в концентрации озона и после высотных ядерных взрывов весной 1970г., хотя тогда уже велись наблюдения концентрации озона со спутника “Нимбус-4”.

 Все эти данные поставили под сомнение даже сам факт отрицательного влияния высотных взрывов на количество озона и позволили некоторым ученым высказать предположение, что в результате всего комплекса процессов, проходящих в облаке, количество озона может не уменьшаться, а возрастать.

 Более реальным с позиции сегодняшних знаний о физике стратосферного озона, представляется уменьшение концентрации озона в результате взрыва  

 Одним из немаловажных результатов интенсивного изучения озона и его фотохимии явилось установление того факта, что каталитический цикл разрушения озона типа реакций (8) возможно при участии не только окислов азота, но также и окислов водорода. В последнем случае этот цикл выглядит так:  

OH + O3 ® HO2 + O2, (10) 

HO2 + O ® OH + O2.  

 Смысл этих реакций такой же, как и при реакции с азотом: произошла гибель гидроксила OH, – молекула перекиси водорода HO2 образовалась, молекула HO2 погибла, – гидроксил OH восстановился. Убыли ни HO2, ни OH нет. А молекулы O3 и атомы O гибнут. 

Итак, разрушения озона  в атмосфере возможно и в каталитических реакциях с участием окислов водорода. Здесь (как и в случае азотного цикла) участвует много водородосодержащих соединений, которые обозначают как семейство HOx. Катализаторы в виде окислов NO, NO2, OH, HO2 существуют в атмосферном газе в результате действия многочисленных реакций с участием в первую очередь тех реагентов, которые непосредственно поступают в атмосферу в виде продуктов естественных процессов или загрязняющих веществ. Водород поступает на Землю в виде воды. Но путь воды из тропосферы в стратосферу совсем не прост. Законы атмосферной динамики таковы, что переноса масс воздуха через тропопаузу практически не происходит, поэтому и молекулы малых составляющих попасть из тропосферы в стратосферу, просто двигаясь вверх, не могут. Исключение составляет очень холодная и высоко расположенная (17 – 18 км) тропопауза тропических широт, где такой перенос происходит. В результате молекулы реагентов, попавших в тропосферу в средних широтах, должны проделать длинный путь: сначала в тропосфере к экватору (горизонтальный перенос), затем через тропическую тропопаузу (вертикальный перенос) и, наконец, назад в средние широты уже на стратосферных высотах (горизонтальный перенос). Небольшим, видимо, добавлением к описанному выше механизму служит проникновение в стратосферу мощных кучевых облаков, которые иногда “пробивают” тропопаузу и возносят свои башни на несколько километров в стратосферу. В этом случае перемещение воздуха внутри облаков забрасывает некоторое количество тропосферного газа со всеми содержащимися в нем малыми примесями непосредственно в стратосферу. В результате описанных процессов в стратосферу регулярно поступают молекулы H2O, которые затем разрушаются под действием солнечного ультрафиолетового излучения (фотодиссоциация) или в результате химических реакций и образуют HO и HO2. Эти процессы и формируют равновесные концентрации паров воды в стратосфере. В тропосфере количество паров воды в воздухе меняется очень сильно, то в стратосфере относительная концентрация паров воды довольно стабильна и на высотах 15 – 30 км составляет (3 – 4) 10 в –6 степени (3 – 4 молекулы воды на миллион молекул воздуха). Впрочем, такая стабильность характерна лишь для низко- и среднеширотной стратосферы. В полярных областях концентрация H2O на тех же высотах меняется несколько раз.