Проблемы истощения озонового слоя. Глобальные экологические проблемы

 Человеческая деятельность также привносит воду в верхние слои атмосферы. При подъёмах крупных ракет (типа “Атлас”) в атмосферный газ выбрасывается большое количество молекул H2O. Вторым веществом, с помощью которого водород попадает в атмосферу, является метан CH4. До середины 70-х годов считалось, что количество метана в атмосфере достаточно стабильно и составляет примерно одну молекулу CH4 на миллион молекул воздуха, т. е. концентрация (CH4) = (1,1- 1,2) 10 в –6 степени, во всем интервале высот от 0 до 35 – 40 км. Антропогенными источниками метана являются выбросы из угольных шахт (рудничный газ), а также добыча нефти и природного газа. По различным оценкам, из источников в атмосферу ежегодно поступает метана от 16 до 210 мегатонн, что составляет заметную часть общего поступления (440 – 850 мегатонн в год).  

 В последние десятилетия стало ясно, что, начиная еще с XVIII в. происходит рост количества метана в атмосфере. В результате хозяйственной деятельности человека количество метана в атмосфере уже к середине 80-ч годов выросло по сравнению с приведенной выше цифрой на 30 – 40 %, и сегодня оно ежегодно увеличивается на 1 – 2%.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Разрушение  озонового слоя в  присутствии хлора (хлорный  цикл).

  К середине 70-х годов уже были известны две группы химических соединений антропогенного происхождения (семейство азота и семейство водорода) ведут войну со стратосферным озоном. В 1974 году химики Ф. Шервуд Роуленд и Марио Молинена привлекли внимание мировой научной общественности к возможности протекания наряду с реакциями (8) и (10) также каталитического цикла: 

Cl + O3 ® ClO +O2, (11) 

Cl + O ® Cl + O2. 

В этих реакциях атом хлора и молекула ClO являются катализаторами, а гибнут все те же атомы O и молекулы O3. При этом важно, что скорость распада  озона на одну молекулу Cl или ClO примерно в шесть раз выше, чем на одну молекулу NO или NO2. 

При попадании молекул  фреонов в стратосферу на них  будет действовать солнечное  ультрафиолетовое излучение, которое  приведет к разрушению (фотодиссоциации) молекул фреонов. Это разрушение происходит таким образом, что отрывается один атом хлора, оставшиеся радикалы легко окисляются имеющимися в избытке молекулами кислорода, давая молекулу окиси хлора и новый (устойчивый) радикал. Таким образом, в результате диссоциации одной фреона образуются две активные хлорсодержащие частицы атом хлора и молекула ClO, которые, как мы видели, включаются в каталитический цикл (11) разрушения озона. 

 Хлорный цикл представляет наибольшую опасность для жизни озонового слоя. Развитие цивилизации приводит к все более убыстряющемуся выбросу хлорных соединений в атмосферу, и одну из ведущих ролей в этом процессе играют так называемые фреоны. 

 Фреоны представляют собой хлорфторуглеродосодержащие соединения (хлорфторуглеводороды). Они появились еще в 20-х годах при развитии холодильной техники как хороший (недорогой и неядовитый) заменитель использовавшегося прежде аммиака. В дальнейшем фреоны получили широкое распространение при производстве различных аэрозолей (дезодорантов, лаков, инсектицидов и т.д.), а также в других областях техники (смазки, антикоррозийные покрытия, изготовления пенопластов и т.д.). Наиболее распространенными являются – F-11 (CFCl3) и F-12 (CF2Cl2). В нумерации фреонов зашифрована их химическая формула, поэтому наряду с F-11 и F-11существуют, например, F-22 , F-114 , F-116 и т. д. К фреонам также относятся фторуглеродные соединения, в которые вместо хлора входит бром. Так, в списке фреонов есть, например, F-13B1 (CF3Br) . 

 Рост производства фреонов во второй половине нашего века идет огромными темпами. За период с 1956 по 1975 г. промышленный выпуск F-11вырос почти в 50 раз, F-12 – в 20 раз. Соответственно растет и количество фреонов попадающих в атмосферу. Так, с 1950 по 1980 выброс F-11 выброс примерно в 300 раз, а F-12 – более чем в 10 раз. 

 Атмосфера не может остаться неизменной при таком нашествии фреонов, и их концентрация в атмосферном газе неуклонно растет. Например, за тот же период 1970 – 1980 гг. относительная концентрация фреона –11 возросла в стратосфере в четыре раза, а фреона –12 – в три раза (рис.3). И хотя молекул все еще, по нашим понятиям, очень мало – всего три – пять молекул воздуха – концентрация (F) = (3 –5)10 в – 10 степени, - они уже сейчас могут принести слою озона существенный ущерб. 

 Реальность опасности дальнейшего роста выбросов хлорсодержащих соединений в атмосферу потребовала принятия серьезных мер на международном уровне. По инициативе ученых ведущие государства мира, включая СССР, подписали в 1988 году так называемый Монреальский протокол, согласно которому в ближайшие годы должно быть резко сокращено использование наиболее опасных долгоживущих фреонов, в том числе F-11 и F-12.  

 Почему долгоживущих? Дело в том, что у одной молекулы фреона (ровно, как и у молекул N2O и H2O и т.д.) путь из среднеширотной тропосферы в среднеширотную стратосферу занимает около года. Если молекула “проживет” этот год (то есть не будет разрушена под действием солнечного излучения или химических реакций), стратосферный газ пополнится двумя частицами активного хлора. Если же время жизни молекулы будет меньше, она разрушится еще по пути и продукты разрушения будут вымыты вниз на поверхность Земли дождями. Ущерба стратосферному озону не будет. 

 Ряд промышленных стран (например, Япония) уже объявили об отказе от использования долгоживущих фреонов и переходе на короткоживущие, время жизни которых существенно меньше года. Однако в развивающихся странах такой переход (требующий обновления ряда областей промышленности и хозяйства) встречает понятные трудности, поэтому реально вряд ли можно ожидать полного прекращения в обозримые десятилетия выброса долгоживущих фреонов, а значит, и проблема сохранения озонового слоя будет стоять очень остро.  

 В ходе изучения возможности разрушения озона под действием хлорного цикла выяснилось, что фреоны не являются единственным источником антропогенного хлора в атмосфере. Мировая химическая промышленность выпускает в больших количествах и другие хлорсодержащие соединения. К ним, прежде всего, относятся четыреххлористый углерод CCl4 и дихлорэтан CH2Cl – CH2Cl. Эти вещества являются промежуточными соединениями при многих важных химических процесса, и их поступление в атмосферу связано в основном с технологическими потерями. В настоящее время их вклад в загрязнение атмосферы (и, соответственно, в разрушение озона) значительно уступает вкладу фреонов. Однако отметим, что при принятии на международном уровне эффективных мер по резкому уменьшению производства и использования фреонов, роль других хлорсодержащих веществ возрастет. Фактически (при нереальном положении, что выпуск фреонов прекращен полностью) такие вещества, как четыреххлористый углерод, дихлорэтан, хлористый этил и т.д. станут ограничителем наших возможностей уменьшить выброс хлора в атмосферу, поскольку они завязаны в большом числе процессов, от которых промышленность ближайшего будущего вряд ли может отказаться. 

Итак, у стратосферного озона есть целых три врага  – три фотохимических цикла (азотный, водородный и хлорный), три семейства  радикалов NOx, HOx и ClOx ,ряды которых непрерывно пополняются за счет выброса в  атмосферу все новых и новых порций загрязняющих веществ.  

 Казалось бы, под совместным натиском трех врагов слой озона должен был бы пасть. Но к счастью этот натиск не является совместным. Эффект действия трех циклов не равен сумме эффектов от отдельных циклов. Протекающие между членами различных семейств реакции (например, между NO2 и ClO) как бы отвлекают химически активные радикалы от взаимодействия с озоном. Так, цикл реакций окисления метана сильно влияет в верхней стратосфере на количество свободного хлора, а реакция NO2 с ClO ,дающая неактивный по отношению к озону ClONO2 ,ослабевает влияние на озон обоих циклов – и азотного, и хлорного. 

 Но, несмотря на такие “разногласия” над озоном нависла реальная опасность. Концентрация всех трех семейств NOx, HOx и ClOx в стратосфере неуклонно растут, и в результате увеличивается скорость разрушения озона в химических реакциях. Следовательно, должна падать равновесная концентрация O3. 

Озоновая антарктическая аномалия. 

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 Озонный 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 озонная "дыра". 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%. 

Если нарисовать изменение  общего количества озона в течение  года (сезонный ход) над какой-нибудь точкой в Антарктике (для определенности буду считать этой точкой Южный географический полюс), то можно увидеть, что до появления “дыры” оно было таким, как показано на рисунке 4. В течение весенних месяцев (сентябрь–ноябрь) наблюдались значения N(O3) около 300–320 е.Д. Хотя эта величина и менялась от года к году, изменения были относительно невелики (в пределах ± 30 е.Д.). 

Антарктической весной 1987г., когда эффект весеннего понижения N(O3) был наибольшим из пока наблюдавшихся, сезонный ход уже совсем иначе (пунктирная кривая на рисунке). В течение всего  года величина N(O3) была такой же, как  и во все предыдущие годы (с возможными отклонениями ± 30 е.Д.), однако в начале сентября она начала довольно быстро уменьшаться и уже к середине месяца упала до 150 е.Д. (следует помнить, что все цифры я даю лишь ориентировочно, чтобы проиллюстрировать сам характер и примерную амплитуду изменения). В течение последующих весенних месяцев (октябрь и ноябрь) общее количество озона оставалось низким и восстановилось до нормального уровня лишь в декабре. 

Принципиально такая  же картина получится, если построить  сезонный ход над другими точками Антарктики. Различно будет лишь наименьшее значение, до которого падало N(O3) весной 1987г. 

В 1987г. территория, где N(O3) уменьшилось до 200 е.Д., составляла около 40 миллионов квадратных километров, а её граница практически совпадала с кругом 60° ю. ш. 

По сегодняшним  представлениям причина образования  “озоновой дыры” связана прежде всего с систематическим увеличением  в стратосфере Земли количества хлора и других галогенов благодаря  все возрастающему выбросу в  атмосферу галогеносодержащих соединений (в первую очередь фреонов). Но к столь драматическим изменениям N ( O3 ) (в несколько раз) при сегодняшнем уровне загрязнения воздуха приводит специфика метеорологической обстановки в антарктической стратосфере зимой и весной. 

Зимой в полярной стратосфере южного полушария существует устойчивый циклон – так называемый циркумполярный. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям, не выходя за его границы. При этом в Антарктике зимой практически не происходит обмена воздухом между полярной и среднеширотной атмосферой. К конце зимы воздух внутри вихря сильно охлаждается (до –70ј –80° C), и в стратосфере появляются полярные облака, состоящие из кристалликов льда и капель переохлажденной жидкости.  

Частицы полярных облаков связывают азотные соединения (прежде всего NO2) и дают простор действию хлорного цикла разрушения озона. По мере нагревания антарктической стратосферы циркумполярный вихрь разрушается, при этом восстанавливается обмен воздухом с богатыми озоном средними широтами, стратосферные облака исчезают, освободившиеся молекулы NO2 связывают молекулы окиси хлора, разрушительное действие хлорного цикла ослабевает, и количество последнего восстанавливается до невозмущенных значений. 

Замечена связь  уменьшения количества озона над Антарктикой с задержкой разрушения циркумполярного вихря. Так, весной 1987г., когда падение N (O3) было максимальным, разрушение вихря произошло лишь в начале декабря, а не в октябре, как это бывает обычно.

Весной 1988 г. эффект уменьшения количества озона над Антарктикой был выражен слабее, чем годом раньше: наблюдалось понижение N (O3)лишь до 200 е.Д., да и область, где происходило такое понижение была значительно меньше, чем весной 1987 г. Весной 1989 г. “дыра” была почти столь же интенсивной, как и в 1987 г. Такое колебание эффекта “озоновой дыры” связывают с обнаруженными по другим наблюдениям квазидвухлетними колебаниями количества озона и ветрового режима средней атмосферы.