Проблема стратосферного озону. 
Хлорфторвуглеці (ХФВ) та їхнього вплив на озоновий кулю

Проблема стратосферного озону. Хлорфторвуглеці(ХФВ) та їхнього вплив на озоновий шар

У 1985 р. фахівці із Британської Антарктичної Служби дослідження атмосфери повідомили про абсолютно несподіваний факт: весняний вміст озону в атмосфері над станцією Халлі-Бей в Антарктиді зменшився за період із 1977 по 1984 р. на 40%. Незабаром це підтвердили інші дослідники, що показали, що область зниженого вмісту озону іде за межі Антарктиди й за висотою охоплює кулю від 12 до 24 км, тобто значну частину нижньої стратосфери. Найбільш докладним дослідженням озонового кулі над Антарктидою було б міжнародний Літаковий Антарктичний Озоновиий Експеримент. Протягом експеременту вчені із 4 країн декілька разів піднімалися до зони зниженого вмісту озону й зібрали детальні дані про її розміри й хімічні процеси, котрі там вібуваються. Фактично це означало, що в полярній атмосфері є озонова «дірка ». На початку 80-х за вимірюваннями зі супутника «Німбус-7 «аналогічна дірка був виявлена й в Арктиці, щоправда вона охоплювала значно меншу площу й зниження рівня озону в ній було б не таке суттєве — біля 9%. У середньому на землі із 1979 по 1990 р. вміст озону впавши на 5%.

Принцип проблеми. Наслідки для «живого».

Це відкриття стурбувало як вчених, то й широку громадськість, оскільки це означало, що кулю озону, який охоплює нашу планету, знаходиться в більшій небезпеці, ніж вважали раніше. Потоншення цого кулі може призвести до серйозних наслідків для людства. Вміст озону в атмосфері менше за 0.0001%, однак саме озон повністю поглинає смертельне ультрафіолетове випромінювання сонця із довжиною хвилі l<280 нм й значно ослабляє смугу УФ-Б із 280.

Зниження концентрації озону на 1% забезпечувати середньому до збільшення інтенсивності жорсткого ультрафіолету у поверхні землі на 2%. Ця оцінка підтверджується вимірюваннями, проведеними в Антарктиді (щоправда, через низьке положення сонця, інтенсивність ультрафіолету в Антарктиді все ще нижче, ніж в середніх широтах). За своїм впливом на живі організми жорсткий ультрафіолет подібний до іонізуючих випромінювань, однак, через більшу, ніж у g-випромінювання довжину хвилі він не здатний проникати глибоко в тканини, й тому вражає лише поверхневі органи. Жорсткий ультрафіолет володіє достатньою енергією для руйнування ДНК й інших органічних молекул, що викликає рак шкіри, осбливо швидкоплинну злоякісну меланому, катаракту й імунну недостатність. Природно, жорсткий ультрафіолет здатний викликати й звичайні опіки шкіри й рогівки. Вже тепер у всьому світі помітне збільшення захворювання на рак шкіри, однак значна кількість інших чинників (наприклад, популярність засмазі зросла, котра призводить доти, що люди понад години проводять на сонці, таким чином отримуючи велику дозу СФ опромінення) неоднозначно стверджувати, що цьому сприяло зменшення вмісту озону. Жорсткий ультрафіолет зле поглинається водою й тому представляє велику небезпеку для морських екосистем. Експерименти показали, що планктон, який мешкає в приповерхневому шарі при збільшенні інтенсивності жорсткого СФ може серйозно постраждати й навіть загинути повністю. Планктон знаходится в основі харчових ланцюжків практично всіх морських екосистем, тому неприкрашений можна сказати, що практично все життя приповерхневих шарів морів й океанів може зникнути. Рослини менш чутливі до жорсткого СФ, але й при збільшенні дози можуть постраждати й смердоті. Якщо вміст озону в атмосфері значно зменшиться, людство легко знайде засіб захисту від жорсткого СФ випромінювання але й при цьому ризикує померти від голоду.

Проблема із «хімічної» точки зору.

Утворення озону описується рівнянням реакції:

O2+O0 >O3.

Необхідний для цієї реакції атомарний кисень вище за рівеню 20 км утвориться при розщепленні кисня под дією ультрафіолетового випромінювання із l<240 нм.

O2+hО0>2O.

Нижче за цей рівень такі фотони майже не проникають, й атоми кисня утворяться, в основному, при фотодиссоціації двоокисі азотуфотонами м «якого ультрафіолета із l<400 нм:

NO2+hО0>NO+2О.

Руйнування молекул озону проходити при їхнього попаданні на частки аерозолів чи на поверхню землі, але й основний стік озону визначають цикли каталітичних реакцій в газовій фазі:

O3+Y0>YO+O2 YO+O0>Y+O2.

де Y=NO, OH, Cl, Br.

Вперше думка про небезпеку руйнування озонового кулі був висловлена ще 1960;х років, тоді вважалось, що основну небезпеку для атмосферного озону являють викиди водяної парі й окисів азоту (NOХ) із двигунів надзвукових транспортних літаків й ракет. Однак, надзвукова авіація розвивалася значно менш бурхливими темпами, ніж передбачалося. Зараз у комерційних цілях використовується лише «Конкорд », що здійснює декілька рейсів в тиждень між Америкою й Європою, із військових літаків в стратосфері літають практично лише надзвукові стратегічні бомбардувальники, такі як B1-B чи Ту-160 й розвідувальні літаки типу SR-71. Таке навантаження навряд чи представляє серйозну загрозу для озонового кулі. Викиди окисів азоту із поверхні землі внаслідок спалення викопного палива, масового виробництва й застосування азотних добрив також представляє певну небезпеку для озонового кулі, але й окису азоту нестійкі й легко руйнуються в нижніх кулях атмосфери. Запуски ракет також відбуваються нечасто, проте, хлоратні тверді палива що використовуються в сучасних космічних системах, наприклад в твердопаливних прискорювачах «Спейс-Шаттл «чи «Аріан », можуть наносити серйозної локальної шкоди озоновому кулі в районі запуску.

Хлорфторвуглеці(-водні) (ХФВ).

У 1974 р. М. Моліна й Ф. Роуленд із Каліфорнійського університету в Ірвіне показали, що хлорфторвуглеці (ХФВ) можуть руйнувати озон. З того години так кликана хлорфторвуглецева проблема стала однією із основних в дослідженнях на забруднення атмосфери. Хлорфторвуглеці уже понад за 60 років використовуються як «холодагенти» в холодильниках й кондиціонерах, пропелленти для аерозольних сумішей, піноутворюючі агенти у вогнегасниках, очищувачі для електронних приладів, при хімічному чищенні одягу, при виробництві пінопластиків. Колись смердоті розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини оскільки смердоті дуже стабільні й неактивні, а означати не токсичні. як це ані пародоксально, але й саме інертність цих із «єднань робить їхні небезпечною для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, який має межі від поверхні землі до висоти 10 км), як це відбувається із більшістю оксидів азоту, й зрештою проникають в стратосферу, верхня межа якої розташовується на висоті біля 50 км. Колі молекули ХФВ підіймаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, смердоті зазнають інтенсивного впливу ультрафіолетового випромінювання, який не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону. Ультрафіолет руйнує стійкі в звичайних умовах молекули ХФВ, котрі розпадаються на компоненти що володіють високою реакційною здатністю, зокрема атомний хлор. Таким чином ХФВ переносити хлор із поверхні землі через тропосферу й нижні шари атмосфери, де менш інертні із «єднання хлору руйнуються, в стратосферу, до кулі із найбільшою концентрацією озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: в ході хімічного процесу його кількість не зменшується.

Внаслідок цого один атом хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону перш ніж якщо дезактивован чи повернеться в тропосферу. Зараз викид ХФВ у повітря оцінюється мільйонами тонн, але й потрібно зазначити, що навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва й використання ХФВ негайного результату досягнути не вдасться: дія ХФВ, що уже потрапили до атосферу якщо продовжуватися декілька десятиріч. Вважається, що годину життя в атмосфері для двох ХФВ фреон-11 (CFCl3), що найбільш широко використовуються й фреон-12 (CF2Cl2) становить 75 й 100 років відповідно.

Окису азоту здатні руйнувати озон, однак, смердоті можуть реагувати й із хлором.

Наприклад:

O3+Cl0>ClO+O2.

ClO+NО0>NO2+Cl.

NO2>NO+О0.

O2+O0>O3.

У ході цієї реакції вміст озону не міняється. Більш важливою є інша реакція:

ClO+NO2>ClONO2.

Сполука, що утворюється в ході реакції хлористий нітрозил є так званим «резервуаром» хлору. Хлор, який міститься в йому неактивний й не може вступити в реакцію із озоном. Зрештою така молекула-резервуар може поглинути фотон чи вступити в реакцію із будь-якою іншою молекулою й вивільнити хлор, але й вона також може покинути стратосферу. Розрахунки показують, що якби в стратосфері були відсутні окису азоту, то руйнування озону йшло б набагато швидше. Іншим важливим резервуаром хлору є хлористий водень HCl, що утворюється при реакції атомарної хлору й метану СH4.

ХФВ в промисловості.

Приймаючи до уваги ці аргументи багато країн почали вживати заходів направлених на скорочення виробництва й використання ХФВ. З 1978 р. США було б заборонене використання ХФВ в аерозолях. На шкода, використання ХФВ в інших галузях обмежене не було б. У вересні 1987 р. 23 найрозвинутіші країни світу підписали в Монреалі конвенцію, що вол «язує їхнього знизити споживання ХФВ. Згідно із досягнутою домовленістю розвинені країни повинні до 1999 р. знизити споживання ХФВ до половини рівня 1986 р. Для використання в якості пропеллента в аерозолях уже знайдений непоганий замінник ХФВ — пропан-бутанова суміш. По фізичних параметрах вон практично не поступається фреонам, але й, на відміну від них, вогненебезпечна. Проте такі аерозолі уже використовують в багатьох країнах світу. Складніше із холодильними установками — іншим по величині споживачем фреонів. Праворуч до того, що через полярність молекули ХФВ мають високу теплоту випаровування, що дуже важливо для робочого тіла в холодильниках й кондиціонерах. Кращим відомим на сьогодні замінником фреонів є аміак, але й він токсичний й усе ж таки поступається ХФВ за фізичними параметрами. Непогані результати отримані для повністю фторованих вуглеводнів. У багатьох країнах ведуться розробки нових замінників й уже досягнуті непогані практичні результати, але й повністю ця проблема ще не вирішена.

Використання фреонів продовжується й поки далеко навіть до стабілізації рівня ХФВ в атмосфері. Так, за даними мережі Глобального моніторинга змін клімату, в фонових умовах — на берегах Тихого й Атлантичного океанів й на островах, далеких від промислових й густонаселених районів — концентрація фреонів -11 та -12 за годину зростанні із швидкістю 5−9% на рік. Вміст в стратосфері фотохімічно активних із «єднань хлору за годину в 2−3 рази вище в порівнянні із рівнем 50-х років, до початку швидкого виробництва фреонів.

Інший погляд на проблему.

Разом із тім, ранні прогнози, котрі передбачали, що при збереженні сучасного рівня викиду ХФВ, до середини XXI ст. вміст озону в стратосфері може впасти вдвічі, можливо були дуже пессемістичними. По-перше, «дірка» над Антарктидою багато в чому є слідством метеорологічних процесів. Утворення озону можливо лише при наявності ультрафіолету й под годину полярної ночі не йде. Зимою над Антарктикою утвориться стійкий вихор, який перешкоджає припливу багатого на озон повітря із середніх широт. Тому до весни навіть невелику кількість активного хлору здатна завдати серйозної шкоди озоновому кулі. Такий вихор практично відсутній над Арктикою, тому у північній півкулі падіння концентрації озону значно менше. Багато дослідників вважають, що на процес руйнування озону впливають полярні стратосферні хмари. Ці висотні хмари, котрі набагато частіше спостерігаються над Антарктикою, чим над Арктикою, утворяться зимою, коли відсутнє сонячне світло й в умовах метеорологічної ізоляції Антарктиди температура в стратосфері падає нижче за -80°. Можна передбачити, що із «єднання азоту конденсуються, замерзають й залишаються заговорили українською у «язаними із хмарними частками й тому позбавляються можливості вступити в реакцію із хлором. Можливо також, що хмарні частки здатні каталізувати розпад озону й резервуарів хлору. Усі каже про ті, що ХФВ здатні спричинити помітне зниження концентрації озону лише в специфічних атмосферних умовах Антарктиди, а помітного ефекту в середніх широтах, концентрація активного хлору винна бути набагато вищою. По-друге, при руйнуванні озонового кулі жорсткий ультрафіолет почне проникати глибше у повітря. Алі це означає, що утворення озону якщо відбуватися як й раніше, але й лише трохи нижче, в області із великим вмістом кисня. Щоправда, в цьому випадку озоновий кулю якщо в більшій мірі схильний до дії атмосферної циркуляції.

Хоч Перші песимістичні оцінки були переглянені, це ані не означає, що проблеми немає. Швидше зрозуміли, що немає негайної, серйозної небезпеки. Навіть найбільш оптимістичні оцінки передбачають при сучасному рівні викиду ХФВ у повітря серйозні біосферні порушення у другій половині XXI ст., тому скорочувати використання ХФВ усеж таки необхідно.

Висновок.

Можливості впливу людини на природу постійно ростуть й уже досягли такого рівня, коли людина може зруйнувати планету, знишити все живе, повністю змінити кліматичні умови інш. Вже над перший раз речовина, який довгий годину вважався абсолютно нешкідливою, виявляється на самом деле надто небезпечною. Років двадцять тому навряд чи хто-небудь міг передбачити що звичайний аерозольний балончик може представляти серйозну загрозу для планети загалом. На нещастя, далеко ще не завжди вдається вчасно передбачити, як та чи інша сполука якщо впливати на біосферу. Однак у випадку із ХФВ така можливість був: усі хімічні реакції, що описують процес руйнування озону ХФВ надто прості й давно відомі. Алі навіть после того, як проблема ХФВ був 1974;го р. сформульована, лише США вжили які-небудь заходів по скороченню виробництва ХФВ хоча заходь ці були абсолютно недостатні. Була потрібна досить серйозна демонстрація небезпеки ХФВ у тому, щоб були прийняті серйозні заходь в світовому масштабі. Потрібно помітити, що навіть после виявлення озонової «дірки», ратифікування Монреальської конвенції якийсь годину знаходилося под загрозою. Може проблема ХФВ навчить із великою увагою й із застереженням ставитися до всіх речовин, що попадають в біосферу внаслідок діяльності людства.