2.11 Озон в атмосфере. Озоновый слой планеты
Контроль за уровнями озона в тропосфере. Уровень озона в тропосфере зависит прежде всего от выбросов оксидов азота и углеводородов в сочетании с .солнечным светом (рис. ). Таким образом, снижение уровня озона требует комплексного применения методов контроля на входе и на выходе, уже обсуждавшихся применительно к оксидам азота и автотранспорту.
Это требует также уменьшения выбросов углеводородов. В 1989 г. Окружной совет по управлению качеством воздуха побережья Южной Калифорнии предложил радикальную программу уменьшения содержания озона и фотохимического смога в районе Лос-Анджелеса. Федеральным агентством охраны окружающей среды, потребуется:
- строгий контроль за переработкой нефти, сухой чисткой одежды, окраской автомобилей, типографиями, пекарнями, мусоросжигающими заводами и другими ^промышленными производствами, выбрасывающими большое количество углеводородов и других загрязнителей, или перемещение этих предприятий; должны быть запрещены типы шин, выделяющие твердые частицы;
- запрещение использования аэрозольных распылителей, красок, домашних очистителей, жидкостей для растопки шашлычных, а также других продуктов, служащих источником углеводородов, или нахождение им замены;
- постепенная замена бензиновых двигателей в течение двух десятилетий путем перевода к 1998 г. 40% легковых автомобилей и 70% грузовиков, автобусов и газонокосилок на альтернативные виды топлива — метанол, этанол, природный газ или электричество. Автобусный парк должен осуществить это к 1991 г., такси и прокат машин ~ к 1993 г.; к 2009 г. должны быть запрещены все виды машин и судов, работающих на бензине;
- использование систем переработки паров углеводородов на бензоколонках и продажа альтернативных видов топлива;
- повышение стоимости парковки, для сокращения использования автомобилей и поощрения маршрутных перевозок и общественного транспорта;
- запрещение 70% парка грузовиков выезжать на улицы в утренние и вечерние часы пик в рабочие дни.
Осуществление этого плана обойдется в 2,8—15 млрд. долларов в год, причем он может быть похоронен под влиянием общественного мнения, когда жители начнут ощущать неудобство от таких радикальных перемен. Однако сторонники этого плана доказывают, что альтернатива, состоящая в дальнейшем ухудшении качества воздуха в самом загрязненном городе страны, обойдется потребителям и предпринимателям намного дороже.
Истощение озона в стратосфере. В 1974 г. химики Шервуд Роланд и Марио Молина теоретически предположили, что хлорфторуглероды (ХФУ) — более известные как фреоны — понижают среднюю концентрацию озона в стратосфере. В 1930 г., когда были изобретены хлорфторуглероды, предположить об этом их свойстве никто не мог.
Устойчивые, без запаха, не воспламеняющиеся, не ядовитые, не вызывающие коррозию вещества были мечтой химиков. Скоро их стали широко использовать в качестве охладителей в кондиционерах воздуха и холодильниках, а также в аэрозольных баллончиках. ХФУ применяют для чистки электронных деталей, в качестве стерилизаторов в больницах, для изготовления пенополистирола и других пенопластов для изоляции и упаковки. После 1945 г. резко возросло использование четырех основных типов ХФУ. Широко использовались также соединения, содержащие бром, — халоны, главным образом в огнетушителях. На долю индустриальных стран приходится 84% всех производимых в мире хлорфторуглеродов, причем лидирующая роль принадлежит Соединенным Штатам, за которыми следуют Япония и западноевропейские страны.
С 1978 г. использование ХФУ в аэрозольных баллончиках запрещено в США, Канаде и в большинстве Скандинавских стран. Однако во всем мире резко возросло их использование в других целях, а в странах Западной Европы ив аэрозолях, на долю которых все еще приходится 25% глобального потребления ХФУ. Основным источником поступления ХФУ в атмосферу являются аэрозольные баллончики, выброшенные или протекающие холодильники и кондиционеры, а также сжигание пенопластов. В зависимости от типа ХФУ сохраняются в атмосфере от 22 до 111 лет.
Рисунок 20 – Разрушение озона оксидами азота
В течение нескольких десятилетий хлорфторуглероды постепенно перемещаются в стратосферу. Там под воздействием высокоэнергетической УФ-радиации они распадаются с высвобождением атомов хлора, что ускоряет превращение озона в кислород. Со временем один-единственный атом хлора может превратить до 100 тыс. молекул О3 в молекулы О2. Атомы брома, выделяемые в стратосфере из халонов, также превращают озон в кислород. ХФУ относятся к парниковым газам и вносят свой вклад в глобальное потепление.
В 1988 г. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) опубликовало исследование, показавшее, что количество стратосферного озона над наиболее густонаселенными районами Северной Америки, Европы, Китая и Японии уменьшилось после 1969 г. на 3% . Над Скандинавией и Аляской среднее сокращение озона зимой составляет 6%.
В 1980-х годах ученые были потрясены, обнаружив, что ежегодно с сентября по ноябрь разрушается до 50% озона в верхней стратосфере над Антарктикой. В 1987г. эта озоновая дыра покрывала территорию, равную площади Соединенных Штатов. Исследования свидетельствуют, что ежегодное уменьшение количества озона над Южным полюсом вызвано присутствием ледяных облаков, которые активизируют разрушающие озон ХФУ. В 1989 г. присутствие хлорфторуглеродов было обнаружено и в стратосфере над Северным полюсом. Таким образом, в ближайшее время ежегодно в течение нескольких месяцев над Арктикой будет, по-видимому, наблюдаться еще одна озоновая дыра.
На озоновый слой в стратосфере могут оказать влияние сильные извержения вулканов и естественные климатические процессы, такие, как циклические изменения солнечной активности. Однако имеются убедительные и все крепнущие свидетельства того, что ХФУ, галогены и другие содержащие хлор вещества (такие, как тетрахлорид углерода и метиловый хлороформ, используемые как средства для очистки и удаления жиров) являются главной причиной истощения озонового слоя стратосферы.
Последствия истощения озона. Чем меньше будет озона в стратосфере, тем больше ультрафиолетовой радиации будет поступать на землю. Уменьшение количества стратосферного озона на 5% вызовет следующие последствия, например, для Соединенных Штатов:
- ежегодно дополнительно будет регистрироваться 940 тыс. случаев рака кожи в базальных и сквамозных клетках, обезображивающих, но не фатальных при своевременном лечении видов рака;
- ежегодно регистрируемые случаи, как правило, смертельного меланомного рака кожи, который в настоящее время убивает 9000 американцев/ в год, возрастут на 30 тыс.;
- резко участятся случаи катаракты глаз и сильных солнечных ожогов у людей, а также чаще будут отмечаться случаи рака глаз у скота;
- иммунная система человека будет нарушаться, что уменьшит сопротивляемость разнообразным инфекционным болезням;
- увеличится содержание крайне вредного озона в вызывающем раздражение глаз фотохимическом смоге и кислотных осадков в тропосфере;
- сократятся урожаи важных пищевых культур, таких, как кукуруза, рис, соя, пшеница;
- будет причинен ущерб некоторым видам водных растении, являющихся важными элементами пищевых цепей в океане;
- ежегодный ущерб от разрушения пластиков и других полимеров составит 2 млрд. долларов;
- произойдет глобальное потепление (парниковый эффект), которое приведет к изменению климата, продуктивности сельского хозяйства и лесов и повлияет на выживание диких животных.
Защита озонового слоя. Модели атмосферных процессов показывают, что для: поддержания количества ХФУ, в атмосфере на уровне 1987 г. необходимо немедленно снизить величину их выбросов во всем мире на 85%. Аналитики считают, что первым шагом на пути к этой цели должно быть незамедлительное глобальное запрещение использования ХФУ, которым уже имеются доступные по цене заменители, в аэрозольных распылителях и в производстве пенопластов. Следует также потребовать от станций обслуживания автомобилей вторично использовать ХФУ из автомобильных кондиционеров, а продажа небольших баллончиков, содержащих ХФУ, которые используются потребителями для подзарядки протекающих автомобильных кондиционеров, должна быть запрещена к 2002 г.
Следующим шагом должно бы быть запрещение любого использования хлорфторуглеродов, галогенов, метилового хлороформа и тетрахлорида углерода к 1995 г. Заменители охладителей в холодильниках и воздушных кондиционерах будут, по-видимому, более дорогими.
Однако даже если бы все хлорфторуглероды были запрещены завтра, планете потребуется около 100 лет, чтобы ликвидировать последствия современного истощения озона и, следовательно, обезопасить ХФУ и галогены, уже находящиеся в атмосфере. Ключевой вопрос заключается в том, могут ли развивающиеся страны согласиться пожертвовать кратковременной экономической выгодой, отказавшись от использования ХФУ и галогенов ради защиты жизни на Земле в предстоящие десятилетия.
Озоновый слой. Озоновый слой часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), в которой под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулярный кислород (О2) диссоциирует на атомы, которые затем соединяются с другими молекулами О2, образуя озон (О3). Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20—25 км, наибольшая часть в общем объёме — на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.
Рисунок 21 - Озоновый слой в атмосфере
Механизм образования, а также расходования озона был предложен Сидни Чепменом. Реакции образования озона:
О2 + hν → 2О. О2 + O → О3. (42)
Фотолиз молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны 175—200 нм и до 242 нм.
Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом:
О3 + hν → О2 + О. О3 + O → 2О2.
Кроме реакций, входящих в механизм Чепмена, имеется целый ряд других реакций, приводящих к гибели озона. Их все объединяют в несколько семейств, главными из которых является азотное, кислородное (из механизма Чепмена), водородное и галогеновое. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.
Азотный цикл (NOx):
N2O + O(1D) → NO + NO, (43)
О3 + NO → NO2 + О2, (44)
NO2 + О → NO + О2. (45)
Глобальное потепление в результате парникового эффекта. Поступление одного или нескольких парниковых газов в атмосферу вызвало бы повышение средней температуры ее нижнего слоя в результате усилившегося парникового эффекта (рис. 5-5, с. 180, т. 1).. По-видимому, именно это и случилось главным образом из-за антропогенных эмиссий газов в атмосферу (рис. 4-14). За период с 1860 по 1988 г. средний уровень диоксида углерода в атмосфере Земли вырос на 25%, резкий скачок отмечался после 1958 г. (рис. 4-14а). На 80% такой подъем обусловлен сжиганием ископаемого топлива, причем 75% диоксида углерода поступает из развивающихся стран. Около 22% мировых выбросов диоксида углерода приходится на Соединенные Штаты, где доля сжигания ископаемого топлива в промышленности составляет 29%, на электростанциях — 28, на транспорте - 27, в жилых и служебных помещениях — 16%. Горящие леса также являются источником поступления в атмосферу СО2, в то время как леса в целом поглощают углекислый газ. В среднем за год на одного американца приходится 4,5 метрических тонны (5 тонн) эмиссий СО2, больше, чем где-либо в мире. Сведение лесов, особенно массовая рубка и выжигание тропических лесов, обусловило примерно 20% роста концентрации диоксида углерода.