Влияние на озон различных химических веществ и их источников.

Катализаторы - это вещества, изменяющие скорость реакции, не изменяясь сами. Ими являются металлы и их окислы (Pt, Ag, Cu, Mn, Ni, Co). В 1971 г. почти одновременно появились работы американца Гарольда Джонстона и немца Пауля Крутцена описавших реакции гибели О и О₃ в результате действия катализаторов. Следовательно, уменьшение концентрации озона зависит от того, сколь велики будут концентрации катализаторов. Ясно, что количество оксидов азота (NО, NO₂, N₂O₃) возрастает, плюс рост радикалов НО² НО₂⁰ (водородсодержащих соединений) - это и есть разрушители озона антропогенного происхождения. К ним надо добавить атомы хлора и молекулы ClO, причем скорость распада озона на одну молекулу Сl или СlО значительно выше, чем на одну молекулу NО или NО₂. Таким образом, есть три врага озона. Но к счастью, эффект действия трех этих циклов не равен сумме эффектов от отдельных циклов. Разрушителем озона является также бром Вr и оксид брома ВrО.

Загрязнение соединениями азота (NОх) будут изложены при рассмотрении проблемы "кислотных дождей". Приступим к рассмотрению источников загрязнения соединением водорода (НОх)

Водород поступает в стратосферу прежде всего в виде воды. Это хорошо понятно для тропосферы, где вода решает большинство вопросов погоды и др. процессов. А вот в случае со стратосферным озоном вода является загрязнителем. Молекулы воды, поступающие в стратосферу, разрушаются под действием солнечного УФ излучения (фотодисоциация) или различных химических реакций и образуют активные ионы гидроксида НО и перекиси водорода Н₂О₂. Эти процессы и формируют равновесные концентрации паров в стратосфере. Она стабильна и на высоте 15-30 км составляет 3-4_*10^-6 т.е. 3-4 молекулы воды на миллион молекул воздуха.

Это характерно для тропиков и средних широт. В полярных широтах это соотношение меняется. Вторым веществом, с помощью которого водород попадает в атмосферу, является метан СН₄. Он образуется в результате деятельности анаэробных бактерий. Больше всего его поставляют влажные тропические леса, леса умеренных широт, саванны. Американские и немецкие исследователи леса оценивают годовое поступление метана от 800 до 837 мегатонн. Это естественные источники поступления водорода. Антропогенные источники - это отбросы жизнедеятельности людей (экскрименты, мусорные свалки и др.) и животных, рисовые поля, ископаемое топливо, откачка рудничного газа, месторождения нефти и газа. Интенсивность их -215 - 550 мегатонн в год. При этом естественные источники уменьшаются, т.к. ежегодно вырубается до 17 млн.га тропического леса, а антропогенные источники растут. Общий рост метана в тропосфере равен 2 % в год.

Галогены - самые тяжелые для озона. Это уже не семейство, а целый синдикат семейств. Загрязнение галогеноуглеводородами убыстряется. Доминирующая роль принадлежит хлорфторуглеводородам (ХФУ). Они были неизвестны до 30 -х годов нашего века. И появились в связи с поиском оптимальной работы холодильников. Первая холодильная машина была построена в 1834 году с этиловым эффектом, только позже стали использовать метиловый эфир, хлористый этил и многие другие, позже отвергнутые за исключением аммиака, действующего и сейчас.

В 1930 году на американском химическом обществе было сообщено о синтезе нового хладагента - дихлордифторметана. Промышленное производство его пошло в 1932 году, в 1935 году были синтезированы другие галогенпроизводные метана. Сейчас есть 15 типов соединений галогенпроизводных метана, 55-этана, 332 - пропана, более 1000 - бутана и т.д.

ХФУ содержат в различных соотношениях фтор, хлор, бром, углерод, водород. Интернациональная организация по стандартам (ИОС) установила в 1965 году международную систему обозначения ХФУ, состоящую из буквы R (refrigerant) и числа, например, R¹¹⁵ это соединения С₂F₅Cl, а R¹²⁴ С₂FСl₄ и т.д. В холодильниках наиболее широко применяются R11, R12, R22, R113, R114 и R115. Фреон - это хладон R 12. Причем сейчас ХФУ нашли применение не только в холодильной технике, но и в аэрозольных упаковках дезодорантов, лаков для волос, лекарственных препаратов и др. Используются они и в энергетике, в строительстве как теплоизолятор, в автостроении, судостроении, мебельной промышленности, на транспорте, для производства пенополиуретана и т.д. Ряд ХФУ являются универсальными растворителями для промывки аппаратуры, электронных плат и т.д., для опреснения морской воды, для борьбы с пожарами и взрывами (т.е. в огнетушителях). Поставлен вопрос о физиологической и токсической опасности холодильных агрегатов. Для наиболее распространенных ХФУ установлены ПДК. Есть ХФУ практически не токсичные. Сроки жизни - десятки и сотни лет.

От естественных источников (океаны, вулканы) максимальное количество хлора поступает в виде HCL - от 0,3 до 10 мегатонн в год, от океанов - до 200 мегатонн в год.

Рост производства ХФУ в 70 г.г. превысило 1 млн. т в год, а в 1991 - 1,3 млн т год. Основным производителем является США - 40 %, Япония - 10 %, Россия - около 10 %. Украина ХВУ не производит, а потребность 7500 т в год погашается за счет импорта. Американское агентство по защите Окружающей Среды (ЕГА) прогнозирует рост потребления ХФУ в размере 2,5 % в год . Естественно, рост производства вызывает и рост выбросов в атмосферу. Например, с 1950 по 1980 гг. выброс RII вырос более чем в 300 раз. Молекулы ХФУ проходят тропосферу и достигают стратосферы, а здесь, как известно, действует УФ и происходит фотодиссоциация (разрушение) молекул. В результате диссоциации одной молекулы ХФУ образуется две активные хлорсодержащие частицы - атом Сl и молекула ClO. Обе они включаются в каталитический цикл разрушения озона.

Разумеется атмосфера не может оставаться неизменной при таком нашествии галогеноуглеводородов и их концентрация в воздухе неуклонно растет. Например, за 1970-80 гг. концентрация хладона (фреона) RII возросла в стратосфере в 4 раза, хладона R12 - в три раза. И хотя молекул ХФУ пока всего 3-5.10^-10 (т.е. 3-5 молекул ХФУ на 10 миллиардов молекул воздуха) они наносят существенный ущерб озоновому экрану планеты.