4.10. Размышления об озоне и не только

Моделирование химических процессов, участвующих в формировании полей концентраций озона в стратосфере, является чрезвычайно трудной задачей [8, с.260]. Даже самые скромные компьютерные модели, создаваемые для расчета стационарной концентрации О₃ и ее изменения под влиянием человеческой деятельности, включают более 150 реакций и около 50 различных компонентов. Такие модели должны адекватно описывать динамику атмосферы, определяющую перенос как самого озона, так и участвующих в его образовании и разрушении частиц.

Решение таких задачи усложняется еще тем, что вклад в разрушение стратосферного О₃ вносят не только газофазные реакции, но и гетерогенные процессы на поверхности аэрозольных частиц. Наглядное доказательство тому было получено при наблюдении эволюции продуктов происшедшего в апреле 1982 г. извержения вулкана Эль-Чичон (Мексика). В ходе этого извержения на высоты 25–35 км было заброшено около 3,3 Тг диоксида серы. Окисление вулканического SO₂ привело к образованию сернокислотного аэрозоля, максимальные концентрации которого наблюдали примерно через год после извержения. Аэрозольное облако постепенно заняло зону, простирающуюся от экватора до 50 ^о с.ш., и просуществовало почти 2 года. При этом происходило уменьшение содержания О₃, причем в такой степени, которую нельзя было приписать падению притока солнечной радиации в стратосферу.

В настоящее время сложилось представление о том, что «озоновая дыра» возникает вследствие уникальных особенностей динамики и физико-химических процессов, отличающих стратосферу Антарктиды от высоких слоев атмосферы в других регионах планеты.

Другая особенность заключается в аномально низкой зимней температуре в антарктической стратосфере: в низких ее слоях в ночные часы температура обычно бывает ниже 195 К. В этих условиях образуются так называемые «полярные стратосферные облака» (ПСО). Период таких низких температур и существования ПСО над Антарктидой может достигать пяти месяцев в году, как это было, например, зимой 1991–1992 гг. При большей величине удельной поверхности льда ПСО сток на его частицах становится сравнимым с обусловленным азотным циклом:

ClONO_{2 тв} + HCl_тв  Cl_{2 газ} + HNO_{3 тв}.

В дальнейшем молекулы хлора подвергаются фотодиссоциации:

Cl₂ + hV Cl^.

Этот гетерогенный сток озона в зимней антарктической стратосфере не связан с антропогенным загрязнением атмосферы.

В разработанной некоторыми группами западных исследователей «химической гипотезе» основная роль в разрушении стратосферного озона над Антарктидой отводится активным формам хлора, образующимся из антропогенных хлорфторуглеродов (ХФУ) CFCl₃ и CF₂Cl₂. Однако в зимней стратосфере внутри вихря фотолитическая деструкция этих устойчивых соединений невозможна [2]. Нельзя исключить (Исидоров В.А., 1997 г.) наличие источника соединений хлора на самом антарктическом континенте. Им могут быть действующие вулканы Антарктиды. Таким является постоянно действующий вулкан Эребус. Выбрасываемые им газы содержали 1,1 млн^-1 НС1. Таким образом, аномально высокое содержание хлора зимой связывают с естественными причинами – формированием изолирующего полярного вихря и поступлением в стратосферу вулканического НС1.

Обнаружение феномена антарктической «озоновой дыры» решающим образом повлияло на принятие международных соглашений об ограничении и последующем полном прекращении производства и использования озонразрушающих ХФУ. Подготовка этих соглашений стимулировала срочные меры по замене CFCl₃, CF₂Cl₂ и других ХФУ на компоненты, обладающие близкими потребительскими свойствами, но не представляющие опасности для озоносферы.

В качестве таких заменителей выступила целая серия галогенсодержащих органических соединений. Это – частично галоидированные спирты, простые эфиры, хлорфторуглеводороды типа CHFCl₂(HCFC-21), CHF₂Cl(HCFC-22) CHCl₂ CF₃(HCFC-123) или относящиеся «к третьему поколению» фреонов фторуглеводороды CH₃CF₃ (НCF-143а) и т.п.

Существование тропосферного стока

CHF₂Cl + HО^  ^CF₂Cl +H₂О

(фреон-22)

значительно уменьшает время жизни фторхлоруглеводородов в сравнении с фторхлоруглеродами и делает их менее опасными для стратосферного озона. Тем не менее эти соединения не являются абсолютно безопасными, поскольку для их полного уничтожения мощность тропосферного стока недостаточна.

Уже самые первые исследования механизмов разложения галогенсодержащих заменителей показали, что конечными продуктами являются весьма токсичные соединения (дифторфосген; хлорфторфосген). Уникально большим временем пребывания в тропосфере (около 5 лет) характеризуется фторангидрид муравьиной кислоты HCOF, образующийся с выходом 70–80 % из HCF-134 а и со 100 %-м выходом из HCFC-21 (CH₂FCl).

Таким образом, замена ХФУ на фторхлоруглеводороды, не устраняя полностью угрозы озоновому слою, усугубляет проблему парникового потепления. Почему?...

[1] тропосферный сток заменителей фреонов зависит от концентрации радикалов НО; уменьшение концентрации гидроксила происходит из-за увеличения антропогенного выброса СО, метана и других углеводородов;

[2] при уменьшении в тропосфере концентрации гидроксила в стратосферу будут проникать большие количества фторхлоруглеводородов и увеличиться их ОДР – озонразрушающий потенциал;

[3] так как величина ОДР не является постоянной характеристикой компонента, а зависит от химического состава атмосферы – ее окислительного потенциала;

[4] происходит хроническое воздействие чрезвычайно токсических продуктов окисления на все живые организмы, соприкасающиеся с атмосферным воздухом.

В интересах сохранения биосферы на повестку дня должен быть поставлен вопрос о безусловном контроле за выпуском этих опасных загрязняющих компонентов.

Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания экологов всего мира, так как крупнейшие глобальные экологические проблемы современности – «парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей, связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы. В дальнейшем, мы продолжим разговор об антропогенном воздействии на среду нашего обитания, включив проблемы не только атмосферы, но и гидросферы и литосферы.

Ответы к тестам

Глава Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Глава 1	2	1, 4	3	4, 5	4	3	1	1, 2	1, 2	1
Глава 2	3	3, 4	3	4	1,2,3	1,2,3	3, 4	3	1, 2	3
Глава 3	3	2	4	4	1	1, 4	3	1	4	1
Глава 4	3	4	2	3	1	2	3, 4	1, 4	3	1

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Алекин О.А. основы гидрохимии. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1970. 443 с.

2. Александров Э.Л., Израэль Ю.А. , Кароль И.Л., Хршаи А.Х. Озоновый цикл Земли и его изменения. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.

3. Алексенко В.А. Экологическая геохимия: Учебник. М.: Логол, 2000. 627 с.

4. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и её окружение. М.: Наука, 1965. 374 с.

5. Городиская В.С., Иванов В.Ф. Природа. Человек. Закон. М.: Юридическая литература, 1990. 384 с.

6. Горшкова В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М.: ВИНИТИ, 1995. 470 с.

7. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Высш. шк., 1998. 413 с.

8. Исидоров В.А. Органическая химия атмосферы. СПб.: Химиздат, 2001. 352 с.

9. Константинов В.М. Охрана природы: Учеб. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2000. 240 с.

10. Кормилицын В.И., Цицкишвили М.С., Яламов Ю.И. Основы экологии: Учебное пособие. М.: МПУ, 1997. 368 с.

11. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Ростов н/Д.: Изд-во Феникс, 2001. 576 с.

12. Опаловский А.А. Планета Земля глазами химика. М.: Наука. 1990. 224 с.

13. Потапов А.Д. Экология: Учебник. М.: Высш. шк., 2004. 528 с.

14. Путь в ХХI век / Под ред. Д.С. Львова. М., 1999. 40 с.

15. Розанов С.И. Общая экология: Учебник. – СПб.: Издательство «Лань», 2001. 288 с.

16. Степановский А.С. Общая экология. Курган: ГИПП «Зауралье», 1999. 512 с.

17. Сузюмов Е.М., Ципоруха М.И. Открывая тайны океана. М.: Знание, 1991. 192 с.

18. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А. и др. Задачи и вопросы по химии окружающей среды. М.: Мир, 2002. 368 с.

19. Фелленбер Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию: Пер. с нем. М.: Мир, 1997. 232 с.

20. Эколого-экономические проблемы России и её регионов: Учеб. пособие / Под ред. В.Г. Глушковой, А.Т. Шевченко. М.: Московский лицей, 2002. 288 с.