3. Разрушение озонового слоя

Среди климатических факторов большое значение имеет ультрафиолетовое излучение (УФИ). Во многих крупных городах из-за загрязнения снизилась прозрачность атмосферы и в связи с этим уменьшилось поступление ультрафиолета.

При недостатке УФИ снижается сопротивляемость организма к действию неблагоприятных факторов (уничтожает микроорганизмы на коже, предотвращает рахит, нормализует обмен минеральных веществ, повышает стойкость организма к инфекционным и другим болезням).

Избыточное УФИ может привести к ослаблению иммунной системы организма, повысить вероятность или интенсивность инфекционных заболеваний, вызвать тяжелые заболевания глаз, рак кожи (меланому). УФИ ослабляется атмосферой, иначе оно было бы гибельно для всего живого. Роль защитного экрана выполняет озон, образуется из O₂ при электрических разрядах и под действием УФИ.

Озон подразделяется на три вида: тропосферный, стратосферный, мезосферный.

В тропосфере он является вредным для здоровья людей токсикантом, разрушает микроструктуру покрывающего хвою воска. Его содержание в тропосфере за последние десятилетия удвоилось.

Стратосферный озон защищает биоту на Земле. Основная масса сосредоточена на высоте 10-50 км, максимальная концентрация - в слое 15-25 км (примерно в 10 раз выше, чем у поверхности Земли). Содержание озона изменяется в зависимости от времени года, широты.

В мезосфере роль озона относительно невелика - он является одним из компонентов атмосферного воздуха, участвующим в сложной системе фотохимических взаимодействий.

Реакции образования озона:

O₂ + hV= О + О (1), где hV- УФИ;

О + O₂ = О₃ (2);

О + О = O₂ (3).

Реакции разложения:

О₃+ hV = O₂ + О (4).

О + О₃ = O₂ + O₂ (5).

Следовательно, концентрация озона будет зависеть от соотношения скорости его образования и разрушения.

Определенные факторы хозяйственной деятельности приводят к разрушению озонового слоя. В качестве катализаторов служат оксиды азота, оксиды водорода, ХФУ (реактивная авиация и запуски космических ракет, азотистые удобрения, промышленность и энергетика) Скорость распада О₃, на одну молекулу хлора примерно в 6 раз выше, чем на одну молекулу оксидов азота.

Виды использования хфу.

Область использования ХФУ	Доля от общего использования, %
Пропелленты аэрозолей и другие смешанные виды использования	5
Растворители для чистки металлических поверхностей и деталей электронных устройств	12
Стерилизация медицинского оборудования и инструментов	4
Производство пенопластов и пеноизоляции	28
Торговые и бытовые холодильники и кондиционеры (воздуха)	9
Кондиционеры в транспортных средствах	19
Неучтенное производство*	22

Анализ поступления хлорсодержащих веществ в атмосферу показал, что сегодня они стали главной опасностью. Наиболее опасны хлорфторуглероды (ХФУ- фреоны).

Фреоны применяются: в холодильниках, кондиционерах, тепловых насосах как хладагенты; в производстве пористых пластмасс (для их вспенивания); для очистки компьютерных микросхем; как носители в аэрозольных баллонах и стерилизующие растворы в медицине. Озоноразрушающий потенциал ХФУ обусловлен их высокой химической стабильностью, из-за которой они не разрушаются в тропосфере и достигают стратосферы.

Хлорфторуглеродам, выброшенным в атмосферу сегодня, понадобиться от 8 до 12 лет, чтобы достичь озонового слоя, где они будут сохраняться еще десятки лет, постепенно истощая его.

Атомарный хлор образуется в стратосфере в результате фотохимического разрушения ХФУ, или хладонов (CF₂Cl₂, CFCl₃) (рис.34). Свободные атомы хлора затем вступают в реакцию с озоном следующим образом:

Cl + О₃ = ClO + O₂

ClО + О = Cl + O₂

и в результате получается

О + О₃ = 2О₂.

В первой реакции атомы хлора разрушают озон, образуя монооксид хлора СlO и обычный молекулярный кислород О₂.

Во второй реакции атом хлора Cl регенерируется и высвобождается, чтобы начать новый цикл. Атом кислорода, потерянный при второй реакции, является эквивалентом другой молекулы озона, теряемый постольку, поскольку иначе О и О₂ образовали бы озон О₃.

Окончательный результат таков, что каждый раз при возобновлении цикла поглощаются две молекулы озона. Хлор высвобождается в каждом цикле и снова инициирует процесс.

Озон

Свободные

атомы

хлора Cl

Cl

Кислород

Cl

Рис.34. Разрушение озонового экрана

Поскольку в атмосферу выбрасываются миллионы тонн хлорфторуглеродов, то этот процесс приведет к накоплению этих веществ в стратосфере в концентрации достаточной для серьезных повреждений озонового экрана. Более того, даже если мы немедленно прекратим выброс хлорфторуглеродов, разрушение будет продолжаться и в следующем столетии, т.к. то количество веществ уже попавшее в атмосферу останется в ней на десятилетия. Две основные разновидности Ф-11(CFCL₂) и Ф-12(CF₂CL₂) - ''живут'' в атмосфере 75 и 100 лет соответственно.

После того как выяснилось, что ХФУ столь губительны для стратосферного озона, было предложено использовать заменители - хлорфторуглеводороды (ХФУВ) и фторуглеводороды (ФУВ), имеющие в составе своих молекул атом водорода, химическая связь с которым менее прочная. Эта особенность снижает стойкость соединения, и оно может разрушаться уже в тропосфере.

Озоновые дыры ведут к прорыву жесткого УФИ, нарушению состояния экосистем, климатическим изменениям, глобальному потеплению. Абсолютный минимум содержания озона обнаружен над Санкт-Петербургом, над Архангельском его на 45 %, а над Антарктидой - на 50 % ниже нормы. Одновременно отмечено очень высокое содержание хлорсодержащих соединений - в 10-15 раз больше нормы

В 1985 г. была обнаружена «озоновая дыра» над южным полюсом, площадь которой равнялась примерно площади территории США. В 1989 г. ученые обнаружили «озоновую дыру» и над Антарктикой.

В марте 1985 г. в Вене была принята “Конвенция об охране озонового слоя”.

Стратегии борьбы с озоновым кризисом

Для предотвращения возможной глобальной экологической катастрофы, должна быть разработана комплексная программа, включающая:

- Наблюдение за озоновым слоем и измерение полей ультрафиолетового излучения в тропосфере и на поверхности Земли;

- Углубленное изучение процессов, определяющих образование и разрушение озона в атмосфере;

- Изучение динамических процессов и определение их роли в измене-

нии газового и аэрозольного состава атмосферы;

- Определение влияния изменения концентрации озона на климат и

биосферу;

- Анализ основных причин его разрушения, как антропогенного, так и естественного происхождения;

- Поиск научно-технических мероприятий, направленных на восстановление озонового слоя Земли;

- Анализ эффективностим и экологической безопасности различных методов его восстановления.

Научно-технические мероприятия, направленные на восстановление озонового слоя Земли, можно разделить на пассивные и активные. К пассивным относятся меры по уменьшению или полному исключению промышленных выбросов веществ, прямо и косвенно разрушающих озон в атмосфере. Так как помимо хлорфторуглеводороды к таким веществам относятся оксиды азота, серы, углерода, метан и другие соединения, то понятно, что эти мероприятия уменьшат антропогенное загрязнение атмосферы и улучшат общую экологическую обстановку. Именно им сейчас и уделяется большее внимание. Они рассчитаны на долговременную перспективу и будут развиваться по мере совершенствования технологических процессов, создания новых методов очистки выхлопных газов электроустановок, расширения использования нетрадиционных источников энергии.

Фирма “Дюпон”, например, потратила на поиски заменителя ХФУ около 240 млн. долларов. Одной из ведущих японских электронных компаний разработан новый тип хлорфторуглеродного фреона, который безвреден для озонового слоя. Новый фреон может использоваться в воздушных кондиционерах и холодильниках. Во всем мире уже истрачено на замену фреонов около 100 млрд. долл.

Однако пассивные методы хотя и позволяют уменьшить вредное воздействие антропогенных факторов на озонный слой, все таки не решают проблемы в целом. Дело в том, что в атмосфере столько хлорфторуглеводородов, что разрушение озона не прекратиться еще 50-80 лет, даже после полного устранения опасности промышленных выбросов. Поэтому необходимы исследования и по активным методам, основанных на сложных физико-химических процессах, способствующих либо уменьшению скорости разрушения озона в стратосфере, либо ускорению его образования. Теоретические и экспериментальные исследования по такого рода воздействиям уже начаты в России и США.