Изменение концентрации озона в стратосфере и образование озоновых дыр

Одной из острых проблем экологии является воздействие человека на химические процессы, протекающие в стратосфере и связанные с образованием озона.

Озон содержится в стратосфере в малых количествах и образует на высоте 15–25 км озоновый слой, толщина которого составляет в среднем 3 мм. Фотохимическая теория образования озона была предложена в 1930 г. С. Чепменом:

– реакции образования озона

O₂ + hν → O+O (λ < 175 нм);

O₂ + O + М (О₂/N₂) → O₃ + М*;

– реакции разрушения озона

O₃ + О→ 2O₂ + 392 кДж;

O₃ + hν→ O+O₂ (λ < 310 нм).

Озон имеет существенное эколого-биологическое значение. Он служит охранным щитом от жёсткого ультрафиолета, задерживая опасную для всего живого на Земле часть радиации Солнца с длинами волн менее 285 нм, значительно ослабляя излучение в диапазоне длин волн 285–315 нм. По своему воздействию на живые организмы ультрафиолет близок к ионизирующему излучению, однако из-за большей длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, поэтому поражает только поверхностные органы. Жёсткий ультрафиолет способен вызвать рак кожи, катаракту, иммунную недостаточность. Кроме того, жёсткий ультрафиолет плохо поглощается водой и представляет опасность для морских экосистем. Погибает планктон, обитающий в приповерхностных слоях воды, а он находится в основании пищевых цепей.

Экзотермическая реакция разложения озона приводит к нагреванию стратосферы и препятствует выхолаживанию нижних слоёв атмосферы из-за конвективного переноса тепла.

Установлено существенное влияние на озоновый слой различных веществ естественного и антропогенного происхождения, которые вызывают дополнительное разрушение озона. Это вулканические извержения, содержащие хлор, разложение минеральных удобрений, выделяющих закись азота, ядерные взрывы, при которых выделяется большое количество азота и т. д. Протекающие реакции разрушения озона можно описать в общем виде следующими уравнениями:

О₃ + Х ^.→ ХO +О₂ , где Х= Сl, Br, F, NO, OH

ХО + О^. → Х ^.+ О₂

О₃ + О^.→ 2О₂

Радикал Х^. выполняет роль катализатора, а сам процесс носит циклический характер, поскольку взаимодействие оксида ХО с атомарным кислородом приводит в последствии к образованию активного радикала Х, разрушающего озон.

В 1974 г. впервые была изложена гипотеза о разрушающем влиянии на озоновый слой хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны обладают уникальными потребительскими свойствами – негорючи, нетоксичны, практически безопасны в быту, поэтому нашли очень широкое применение в качестве хладогентов, пропеллентов в аэрозольных баллончиках, вспенивателей и растворителей. Например, СFCl₃, CF₂Cl₂, СHF₂Cl и т. п. Наиболее высокие темпы производства фреонов пришлись на 1960–1970 гг. Фреоны являются очень устойчивыми соединениями, инертными у поверхности Земли. “Время жизни” фреонов оценивают в 40–150 лет. Единственным путём их удаления из тропосферы считается перенос в стратосферу, где они подвергаются разложению под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. В результате разложения образуются атомы хлора, которые разрушают молекулы озона:

СFCl₃ + hν → СFCl₂ + Сl^.

В 1987 г. представители 43 стран подписали Монреальский протокол к Венской конвенции, согласившись заморозить производство фреонов до 1990 г., провести 20 % сокращение к 1994 г. и к 1999 г. на 30 %. В 1990 г. ограничения были ужесточены: производство и использование фреонов должны быть сокращены к 1995 г. на 50 % и полностью прекращены к 2000 г. (для развивающихся стран до 2010 г.).