Озоновая дыра

Эволюция антарктической озоновой дыры 1957 - 2001 года
Озоновая дыра над Антарктидой 2006

Озоновая дыра - локальное падение концентрации озона в стратосфере на 10-40%. Связано это с действием фреонов, уменьшением количества кислорода при запусках космических кораблей и полетами реактивных самолетов. Четко проявляется при чрезмерно низких температурах. Общепринятая в научной среде теория, согласно которой во второй половине XX века все возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор - и бромвмисних фреонов (CFC) привела к значительному уменьшению озонового слоя [1]. Согласно другой гипотезе, процесс образования "озоновых дыр" в значительной степени является естественным и не связан исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации [2] [3].


1. История

Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была открыта 1985 года в Южном полушарии над Антарктидой группой британских ученых [ ]. Она появлялась в августе и до декабря или января исчезала. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра, значительно меньших размеров.

2. Механизм образования

Стратосферная химия озона

Механизм синтеза, а также распада ( фотолиз) озона, был предложен Сиднеем Чэпман 1930 года и назвали его именем. Реакции образования озона :

? В 2 + hν → 2О + 2О 2 → 2О 3

Фотодиссоциации молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны 175-200 нм и до 242 нм.

? В 3 + hν → О2 + О

? В 3 + O → 2О 2

Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом: К уменьшению концентрации озона в атмосфере ведет совокупность факторов, главным из которых является разрушение молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению озона с приполярных широт, и образование полярных стратосферных облаков (ПХГ) , поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее: из-за отсутствия континентальной поверхности температура на несколько градусов выше, чем в Антарктике, а ПСХ менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. Молекулы озона (O 3) химически очень активны и могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Основными веществами, разрушающими молекулы озона, являются:

В отличие от гидрофторфреонив (HFC), которые расщепляются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой (H 2 O) образуя стабильный фтороводорода (H 2 F 2). Таким образом, фтор (F) не участвует в реакциях распада O 3. Йод также не разрушает стратосферный озон, так йодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются еще в тропосфере.

Зависимости от цепи реакций, кроме механизма Чэпман (кислородный цикл O x), выделяют еще три цикла разрушения озона: галогеновый, азотный, водородный. Деятельность человека увеличила галогеновую долю расписания защитного слоя Земли. Доля разложения озона в зависимости от цикла разрушения [4] :

Давление, гПа азотный кислородный водородный галогеновый
1.31 0.10 0.26 0.41 0.21
3.78 0.50 0.14 0.11 0.25
8.93 0.68 0.11 0.08 0.13
21.9 0.46 0.12 0.19 0.20
55.8 0.12 0.03 0.48 0.14

2.1. Хлорный цикл ClO x

Схема реакции галогенов в стратосфере Земли, реакции с озоном включительно

Хлорный цикл является разновидностью галогенного цикла.

? CFCl 3 + hν → CFCl 2 + Cl

? Cl + O 3 → ClO + O 2

? ClO + O → Cl + O 2


2.2. Азотный цикл NO x

Оксиды азота играют важную роль в реакциях разрушения озона в средней стратосфере. Несмотря на то, что азота в атмосфере больше, чем любого другого газа, образование его оксидов непосредственно из молекулярного азота маловато, поскольку молекула N 2 очень стабильная, фактически инертна. Для ее распада нужно много энергии, например разряд молнии или очень жесткое излучение, солнечные протоны или галактическое излучение. В стратосфере этого нет, поэтому основным источником оксидов озота (NOx) является закись азота (N 2 O), который образуется на поверхности Земли и в океанах главным образом результатом деятельности бактерии. Человек тоже вносит свой вклад - треть от всего закиси азота. Главной реакцией, по которой N 2 O превращается в NOx является следующая:

? N 2 O + O (1 D) → NO + NO

Она может протекать только днем, только при наличии Солнца. Затем NO вступает в реакцию с озоном, одновременно разрушая его, что приводит к образованию другого оксида азота, NO 2 :

? В 3 + NO → NO 2 + О 2

Эта реакция может протекать и ночью, поэтому концентрация двуокиси азота растет в темное время суток, поскольку днем она превращается обратно по реакциям:

? NO 2 + О → NO + О 2

? NO 2 + hν → NO + О

Третий оксид азота, уже с тремя атомами кислорода в молекуле, который опять таки реагирует с озоном :

? NO 2 + О 3 → NO 3 + О 2

Он превращается обратно в NO и NO 2 через фотолиз :

? NO 3 + hν → NO 2 + O

? NO 3 + hν → NO + О 2

Поэтому опять же его ночью больше, чем днем. Таким образом, оксиды азота реагируя с озоном увеличивают число атомов кислорода в своих молекулах, а затем теряют их в реакциях с атомарным кислородом или при фотолизе. Суммарно это приводит к гибели озона. Процесс этот цепной и циклический, оксиды азота в нем могут рассматриваться как катализаторы.


2.3. Водородный цикл HO x

Другой важной семьей веществ, разрушающих озон, является заместители OH - и HO 2 март +, объединяемые общей формулой HOx. Их можно рассматривать как оксиды водорода. Однако в отличие от обычных оксидов они очень реакцийнопотентни (не могут существовать как вещество, так как обладают неразделенной электронной парой, то есть заместителями). Если два таких заместители встретятся вместе, то они прореагируют друг с другом, рекомбинируют, образуя совершенно другое вещество, например два HO - заместители дадут перекись водорода (H 2 O 2). Основным источником образования HOx реакция водяного пара с синглетно атомом кислорода :

? Н 2 O + O (1 D) → OH + OH

Эта реакция очень похожа на реакцию в которой закись азота N 2 O, реагируя тоже с синглетно кислородом дает две молекулы NO. Важная реакция с метаном :

? СН 4 + О (1 D) → СН 3 + OH

Аналогичные реакции:

? ОН + О 3 → НО 2 + О 2

? НО 2 + О → ОН + О 2

? НО 2 + О 3 → ОН + 2О 2

В них погибают две молекулы озона и регенерируется OH - заместитель, цикл замыкается. OH - дальше снова вступает в реакцию с озоном. Полный химический механизм состоит из сотен реакции.


3. Последствия

Задержка озоновым слоем ультрафиолетового излучения

Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.


4. Восстановление

Хотя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов хлор-и бромвмисних фреонов путем перехода на другие вещества, например фторсодержащие фреоны (CFC) [5], процесс восстановления озонового слоя займет несколько десятилетий. Прежде всего это обусловлено огромным объемом уже накопленных в атмосфере фреонов, имеют время жизни десятки и даже сотни лет. Поэтому затягивание озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года [6].


5. Предубеждение относительно озоновой дыры

Существует несколько распространенных мифов относительно образования озоновых дыр. Несмотря на свою ненаучность, они отчасти появляются в СМИ [7] - иногда благодаря неосведомленности, иногда поддерживаемые сторонниками теорий заговоров. Ниже перечислены некоторые из них.

5.1. Основными разрушителями озона являются фреоны

Молекула фреона

Это утверждение справедливо для средних и высоких широт. В высоких широтах (где возникают озоновые дыры) хлорный цикл ответственен только за 15-25% потерь озона в стратосфере. Необходимо отметить, что 80% хлора (Cl) имеет антропогенное происхождение [8]. Есть вмешательство человека увеличивает вклад хлорного цикла. При сохранении тенденции увеличения производства фреонов, которая была до вступления в силу Монреальского протокола) (рост 10% в год) 2050 года 30% -50% общих потерь озона объяснялось бы действием фреонов (CFC) [9]. До вмешательства человека процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности, сдвинули это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона. Что касается полярных озоновых дыр, то здесь ситуация совершенно иная. Механизм разрушения озона в принципе отличается от низких широт, ключевой стадией является превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды, которое протекает на поверхности частиц ПСХ. В результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами [10] :


5.2. Переход на озонозберигаючи технологии экономически обоснованный

Россия взяла на себя все обязательства СССР, и с 2000 года в соответствии с Монреальского протокола в стране прекращено производство озоноразрушающих веществ. Поскольку в силу ряда причин экономического, политического и финансового характера Россия не успела разработать и внедрить собственные альтернативные технологии, это привело к практически полной ликвидации производства аэрозолей и холодильного оборудования. Фактически альянс DuPont-ICI монополизировал производство оборудования для синтеза 1,1,1,2 - тетрафторэтан, который в период подписания протокола считался единственной альтернативой озоноразрушающим хладонов. К счастью, большая часть промышленных холодильных установок в России работает на аммиака [11] :

  • 70% - холодильных установок для овощебаз,
  • 60% - в мясной промышленности,
  • 50% - в кондитерском производстве,
  • 80% - в производстве пива и напитков.

Аммиак хотя и является высокотоксичным, пожаро-и взрывоопасным веществом, но не приводит к разрушению озона.

После обнародования данных об участии фреонов в разрушении стратосферного озона DuPont возразила эту теорию 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, ерунда что не имеет смысла [12]. Кроме DuPont целый ряд компаний со всего мира производили и производят различные типы фреонов без отчисления лицензионных платежей [13].


5.3. Фреоны очень тяжелые, чтобы достичь стратосферы

Вертикальное распределение фреона CFC-11 (CCl 3 F)

Иногда утверждается, что поскольку молекулы фреонов намного тяжелее азот (N 2) и кислород (O 2), то они не могут достичь стратосферы в значительных количествах. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не расслаиваются или сортируются по весу. Процессы вертикального переноса воздушных масс, конвекции и турбулентности полностью перемешивают атмосферу ниже турбопаузы гораздо быстрее. Поэтому даже такие тяжелые газы, как инертные или фреоны (CFC), равномерно распределяются в атмосфере, достигая, в частности, и стратосферы. Экспериментальные измерения концентраций в атмосфере подтверждают это, смотрите например график справа. Также измерения показывают, что нужно около 5 лет для того, чтобы газы, выделившиеся на поверхности Земли достигли стратосферы. Если газы атмосфере НЕ перемешивались, то такие тяжелые газы из ее состава как аргон (Ar) и углекислый газ (CO 2) образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы ее нежилой. К счастью это не так. Криптон (Kr) с атомарной массой 84, и гелий (He) с атомарной массой 4, имеют одну и ту же относительную концентрацию, у поверхности на высоте 100 км. Конечно, все вышесказанное верно только для газов, сравнительно стабильные, как фреоны или инертные. Вещества, которые вступают в реакции, а также подвергаются различному физическому воздействию, например, растворимы в воде, имеют зависимость концентрации от высоты.


5.4. Основные источники галогенов природные, а не антропогенные

Источники хлор - (Cl) содержащих соединений в стратосфере
Извержение вулкана Пинатубо Июнь 1991 года

Есть мнение, что природные источники галогенов, например вулканы или океаны, более значимы для процесса разрушения озона, чем деятельность человека. Не ставя под сомнение 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 (Cl 2 +) и хлороводород (HCl)) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю. Также природные соединения менее устойчивы, чем фреоны, например метилхлорид (CH 3 Cl) имеет атмосферное время жизни всего порядка года, по сравнению с десятками и сотнями лет для фреонов. Поэтому их вклад в разрушение стратосферного озона достаточно мал. Даже редкое по своей силе извержение вулкана Пинатубо в июне 1991 года вызвало падение уровня озона не за счет галогенов, высвобождаемых а за счет образования большой массы сернокислых аэрозолей (SO 4 2 +), поверхность которых катализировался реакции разрушения озона. К счастью, уже через три года практически вся масса вулканических аэрозолей была удалена из атмосферы. Таким образом, извержения вулканов являются сравнительно краткосрочным факторами воздействия на озоновый слой, в отличие от фреонов, имеют времена жизни в десятки и сотни лет [14].


5.5. Озоновая дыра должна располагаться над источниками фреонов

Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, в то время как основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. В виду 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 слоев атмосферы. Антарктическая "озоновая дыра" существует не постоянно. Она появляется в конце зимы - начале весны. Причины, по которым озоновая дыра образуются в Антарктике, связанные с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется преимущественно замкнутыми траекториями вокруг Южного полюса. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не образуется. С наступлением лета количество озона увеличивается и снова приходит в норму. Есть колебания концентрации озона над Антарктикой - сезонные. Однако, если отследить изменения усредненной за год концентрации озона и размера озоновой дыры за последние десятилетия, то есть определенная тенденция к падению концентрации озона.


5.6. Озон разрушается только над Антарктикой

Динамика изменения озонового слоя над Ароса, Швейцария с 1926 года

Это неправильно, так как уровень озона падает повсюду. Это показывают результаты долговременных измерений концентрации в различных точках планеты. Вы можете посмотреть на график изменения концентрации озона над Ароса в Швейцарии справа.


6. Интересные факты

Генеральная ассамблея ООН специальной резолюцией № A/RES/49/114 в 1994 году объявила 16 сентября ежегодным Международным днем охраны озонового слоя ( англ. International Day for the Preservation of the Ozone Layer ).

См.. также

Примечания

  1. 1 Доклад Всемирной метеорологической организации 2006 :
    These and other recent scientific findings strengthen the conclusion of the previous assessment that the weight of scientific evidence suggests that the observed middle-and high-latitude ozone losses are largely due to anthropogenic chlorine and bromine compounds.
    (Эти и другие недавно полученные научные данные укрепили вывод предыдущих оценок в том, что преимущество в пользу научных доказательств свидетельствует о том, что наблюдаемые потеря озона в средних и высоких широтах в целом обусловлена ​​антропогенными хлор - и бромвмиснимы соединениями (CFC)) (Англ.)
  2. "Знание-сила". Новости науки: 27.12.99 (Рус.)
  3. Стоит ли оно того? в журнале "Дуэль" (Рус.)
  4. Andrew Dessler. "The Chemistry and Physics of Stratospheric Ozone" Academic Press. 2000
  5. Production, Sales, and Atmospheric Release of Fluorocarbons throught 2004 (Англ.)
  6. Paul Newman. Recovery of the Antarctic Ozone Hole (Англ.)
  7. Подборка ненаучных статей о проблеме с комментариями специалиста (Рус.)
  8. Osterman, GB & etc. Balloon-Borne Measurements of Stratospheric Radicals and their Precursors Implications for the Production and Loss of Ozone / / Geophys. Res. Lett .. - 1997. - Т. 24. - № 9. - С. 1107-1110 (Англ.)
  9. National Academy of Sciences. Halocarbons: Effects on Stratospheric Ozone. - 1976. Галогеновуглеводни: влияние на стратосферный озон (Англ.)
  10. Stratospheric Ozone. An Electronic Textbok Учебник по исследованию стратосферного озона. (Англ.)
  11. Бабакин Б.С. Хладогенты: история появления, классификация, применение (Рус.)
  12. Jeff Masters. Climate of Fear (Англ.)
  13. John R. Hess. R-12 Retrofitting: Are we really doing it because DuPont's patent for Freon ? ran out? (Англ.)
  14. Myth: Volcanoes and the Oceans are Causing Ozone Depletion (Англ.)