Суммарное производство фреонов,
используемых при производстве пенопластов,
в холодильной, парфюмерной промышленности,
бытовых устройствах (аэрозольные баллончики)
в 1988 г. достигло 1 млн. т.
Эти высокоинертные вещества абсолютно
безвредны в приземных слоях атмосферы.
При медленной диффузии в стратосферу
они достигают области распространения
фотонов высоких энергий и при фотохимических
превращениях способны разлагаться с
выделением атомарного хлора. Один атом
Сl способен разрушить десятки и сотни
молекул O3. Хлор интенсивно
реагирует с озоном, действуя как катализатор:
О3 + Сl = Сl + О2.
СlO + O = Сl + O2.
O3 + О = 2O2.
Аналогично действует
и оксид азота NО, техногенное поступление которого
в атмосферу связано с реакциями горения
углеводородного топлива. Главными поставщиками
NО в атмосферу являются двигатели ракет,
самолетов и автомобилей. С учетом сложившегося
в настоящее время газового состава стратосферы
в порядке оценки можно говорить, что около
70 % озона разрушается по азотному циклу,
17 – по кислородному, 10 – по водородному,
около 2 % по хлорному и около 1–2 % поступает
в тропосферу. Вклад транспорта в разрушение
озоносферы чрезвычайно велик в связи
с выбросом в атмосферу оксидов азота.
Активную роль в
образовании и разрушении озона играют тяжелые металлы (медь,
железо, марганец). Поэтому общий баланс
озона в стратосфере регулируется сложным
комплексом процессов, в которых значительными
являются около 100 химических и фотохимических
реакций.
В этом балансе азот,
хлор, кислород, водород и другие компоненты
участвуют как бы в виде катализаторов,
не меняя своего «содержания», поэтому
процессы, приводящие к их накоплению
в стратосфере или удалению из нее, существенно
сказываются на содержании озона.
В связи с этим попадание в верхние слои
атмосферы даже относительно небольших
количеств таких веществ может устойчиво
и долгосрочно влиять на установившийся
баланс, связанный с образованием и разрушением
озона.
Метан CH4, как и оксид азота, относится
к естественным компонентам атмосферы,
также способен реагировать с озоном.
Его техногенное поступление в результате
принудительной вентиляции шахт, потерь
при добыче нефти и газа, заболачивании
низменных ландшафтов принимает все большие
масштабы. Поэтому зафиксированное уменьшение
концентрации озона не без оснований связывают
с антропогенной деятельностью – техногенезом.
Основные запасы
планетарного метана сосредоточены в
форме твердых газогидратов, локализованных
в прибрежных зонах полярных акваторий.
Переход твердых гидратов в газ минует
жидкую фазу. Характерно, что с 1972 до 1985
г. с помощью спутникового слежения (Nimbus-7)
выявлено более 200 высоконапорных метановых
струй на высотах до 22 км,
т. е. в озоноэффективных областях атмосферы.
Метан способствует не только разрушению
озона, но и повышению температуры приземного
воздуха («парниковый эффект»). В свою
очередь, такое потепление может вызвать
«взрыв» газогидратных панцирей и рост
концентрации метана в атмосфере.
Огромное влияние на снижение
содержания озона оказывают запуски ракет
и кораблей многоразового использования
типа «Шаттл» и «Энергия». Один старт «Шаттла»
– это потеря 10 млн. т озона. Метеорологи
и геофизики давно обращают внимание космических
корпораций на этот факт. Но слишком заманчиво
освоение космоса с его невиданными типами
энергии, а причины снижения концентрации
озона в озоносфере до сих пор до конца
не обоснованы. Кроме того, предполагается,
что первый массивный удар по озоновому
слою был нанесен высотными ядерными взрывами
1958–1962 гг. Хотя и по другим политическим
причинам, но в настоящее время от продолжения
таких ядерных взрывов благоразумно воздержались.
По оценкам специалистов, после «залечивания»
озоновой дыры в результате гелиогенерации
озона в течение
22-летнего солнечного цикла, в период спокойного
Солнца все равно будет наблюдаться снижение
концентрации озона. Более 60 % техногенного
вклада в это снижение дают запуски ракет,
и это может привести к расширению озонной
дыры до средних широт.
Есть еще одна гипотеза причин
увеличения озоновой дыры. Она могла образоваться
за счет «срыва» кометой Галлея соответствующего
слоя атмосферы на высотах 14–40 км. Образование
ее началось за несколько лет до прилета
кометы в центральные районы Солнечной
системы. И вот уже несколько лет как комета
уходит снова в космические просторы,
а вслед за этим и исчезает «озоновая дыра».
1.4.2. Озоновые аномалии
Нарушить экологический баланс,
как показывает жизнь, совсем несложно.
Неизмеримо сложнее восстановить его.
Разрушающие озон вещества на редкость
стойки. Различные виды фреонов, попав
в атмосферу, могут существовать в ней
и оказывать свое разрушительное действие
от 75 до 100 лет.
Малозаметные поначалу,
но накапливающиеся изменения в озоновом
слое привели к тому, что в Северном полушарии
начиная с 1970 г., общее содержание озона
сократилось на 4 % зимой и на 1 % летом. Над
Антарктидой в озоновом слое каждую полярную
весну открывается огромная «дыра», с
каждым годом все увеличивающаяся. Если
в 1990–1991 гг. размеры озоновой «дыры» не
превышали 10,1 млн. км2, то в 1996 г.,
как сообщает бюллетень Всемирной метеорологической
организации (ВМО), ее площадь уже составляла
22 млн. км2. Эта площадь
в 2 раза больше площади Европы. Количество
озона над шестым континентом было вполовину
ниже нормального распределения в других
частях озоносферы.
Более 40 лет МВО
наблюдает за озоновым слоем над Антарктидой.
Феномен регулярного образования «дыр»
именно над ней и Арктикой объясняется
тем, что озон особенно легко уничтожается
при низких температурах.
Впервые беспрецедентная по
своим масштабам озоновая аномалия в Северном
полушарии, «накрывшая» гигантскую площадь
от побережья Ледовитого океана до Крыма,
была зафиксирована в 1994 г. Озоновый слой
угасал на 10–15 %, а в отдельные месяцы –
на 20–30 %. Однако мало кто предполагал,
что изменения в озоносфере могут стать
еще более значительными.
Но уже в феврале 1995 г. ученые
Центральной аэрологической обсерватории
(ЦАО) Росгидромета зарегистрировали катастрофическое
падение концентрации (на 40 %) озона над
районами Восточной Сибири. К середине
марта ситуация еще более осложнилась.
Это означало только одно – над планетой
образовалась еще одна озоновая «дыра».
Однако до сих пор трудно прогнозировать
о периодичности появления новых «дыр»,
расширении уже возникших и какую территорию
они захватят – это покажут наблюдения.
Происшедшее в Восточной
Сибири аномальное явление вызвало настоящий
шок у мировой научной общественности.
На ряде международных конференций, посвященных
глобальному экологическому кризису,
активно обсуждалась и Сибирская аномалия.
Однако учеными не было выработано единого
мнения о причинах возникновения подобных
явлений.
Если составить хронологию
озоновых потрясений, то вырисовывается
довольно мрачный сюжет. В 1985 г. над Антарктидой
исчезла почти половина озонового слоя,
при этом появилась «дыра», которая через
два года расползлась на десятки миллионов
квадратных километров и вышла за пределы
шестого континента. С 1986 г. истощение озонового
слоя не только продолжалось, но и резко
усиливалось. Концентрация озона снижалась
в 2–3 раза быстрее, чем прогнозировали
ученые.
В 1992 г. озоновый слой уменьшился не только
над Антарктидой, но и над другими регионами
планеты. В 1994 г. была зарегистрирована
гигантская аномалия, захватившая территории
Западной и Восточной Европы, Северной
Азии и Северной Америки.
Если вникнуть в эту динамику,
то складывается впечатление, что атмосферная
система действительно вышла из равновесия
и неизвестно, когда стабилизируется.
Возможно, озоновые метаморфозы в какой-то
мере есть отражение длительных циклических
процессов, о которых мы мало что знаем.
Для объяснения нынешних озоновых пульсаций
нам не хватает данных.
1.4.3. Меры по сохранению
озонового слоя
Многие страны мира разрабатывают
и осуществляют мероприятия по выполнению
Венских конвенций об охране озонового
слоя и Монреальского протокола по веществам,
разрушающим озоновый слой.
В чем заключается конкретность
мер по сохранению озонового слоя над
Землей?
Согласно международным соглашениям
промышленно развитые страны полностью
должны прекратить производство фреонов
и тетрахлорида углерода, которые также
разрушают озон.
Вторым этапом должен
стать запрет на производство метилбромидов
и гидрофреонов. Уровень производства
первых в промышленно развитых странах
с 1996 г. заморожен, гидрофреоны полностью
снимаются с производства к 2030 г. Однако
развивающиеся страны до сих пор не взяли
на себя обязательств по контролю над
этими химическими веществами.
В последнее время
появилось несколько проектов по восстановлению
озонового слоя. Так, восстановить озоновый
слой над Антарктидой при помощи запуска
специальных воздушных шаров с установками
для производства озона надеется английская
группа защитников окружающей среды, которая
называется «Помогите озону». Один из
авторов этого проекта заявил, что озонаторы,
работающие от солнечных батарей, будут
установлены на сотнях шаров, наполненных
водородом или гелием.
Несколько лет назад была разработана
технология замены фреона специально
подготовленным пропаном. Ныне промышленность
уже на треть сократила выпуск аэрозолей
с использованием фреонов. В странах ЕЭС
намечено полное прекращение использования
фреонов на заводах бытовой химии и т.
д.
Разрушение озонового
слоя связывают с глобальным изменением
климата на нашей планете. Последствия
этого явления, названного «парниковым
эффектом», крайне сложно прогнозировать.
Согласно пессимистическим прогнозам
ученых ожидаются изменения количества
осадков, перераспределение их между зимой
и летом; говорят о перспективе превращения
плодородных регионов в засушливые пустыни,
повышении уровня Мирового океана в результате
таяния полярных льдов.
Последствия разрушения озонового
слоя можно проиллюстрировать примерами.
Так, предполагают, что 1%-ное сокращение
озонового слоя вызывает 4%-ный скачок
в распространении рака кожи. Вызывая
рак кожи и ее старение, ультрафиолетовые
лучи одновременно подавляют иммунную
систему, что приводит к возникновению
инфекционных, вирусных, паразитарных
и других заболеваний, к которым относятся
корь, ветряная оспа, малярия, лишай, туберкулез,
проказа и др. Вероятно, что десятки миллионов
жителей планеты полностью или частично
потеряли зрение из-за катаракты, которая
возникает в результате повышенной солнечной
радиации.
Рост губительного воздействия
ультрафиолетового излучения вызывает
деградацию экосистем и генетические
изменения у флоры и фауны, снижает урожайность
сельскохозяйственных культур и продуктивность
Мирового океана.
К ультрафиолетовым лучам очень
чувствительны хвойные деревья и злаки,
овощи, бахчевые культуры, сахарный тростник
и бобовые. Данные экспериментов свидетельствуют
о том, что рост некоторых растений сдерживается
существующим уровнем радиации.
Формирование и разрушение
озонового слоя.
Как
уже было сказано, озон в стратосфере –
это продукт воздействия самого ультрафиолета
(УФ) на молекулы кислорода (О2). В результате
некоторые из них распадаются на свободные
атомы, а те в свою очередь могут присоединяться
к другим молекулам кислорода с образованием
озона (О3). Однако весь кислород не превращается
в озон, так как свободные атомы О, реагируя
с молекулами озона, дают две молекулы
О2. Таким образом, количество озона в стратосфере
не статично; оно представляет собой результат
равновесия между этими двумя реакциями. Разрушение
озонового слоя – это разделение молекул
озона, которое вызывают встречаемые в
стратосфере вещества, разрушающие озоновый
слой (OSNV), возникающие в результате природных
процессов (например, извержения вулканов)
или эмитированные (высвобожденные) в
результате деятельности человека, и содержащие
хлор (Cl) или бром (Br); а также метан или
оксид азота (I) – (N2O).
Самые
существенные этапы разрушения озонового
слоя:
1)Эмиссии:
в результате деятельности человека, а
также в результате природных процессов
на Земле эмитируются (высвобождаются)
газы, содержащие галогены (бром и хлор),
т.е. вещества, разрушающие озоновый слой.
2)Аккумулирование
(эмитированные газы, содержащие галогены,
аккумулируются (накапливаются) в нижних
атмосферных слоях, и под воздействием
ветра, а также потоков воздуха перемещаются
в регионы, которые не находятся в прямой
близости с источниками такой эмиссии
газов).
3)Перемещение
(аккумулированные газы, содержащие галогены,
с помощью потоков воздуха перемещаются
в стратосферу).
4)Преобразование
(бóльшая часть газов, содержащих галогены,
под воздействием ультрафиолетового излучения
Солнца в стратосфере преобразуется в
легко реагирующие галогенные газы, в
результате чего в полярных регионах Земного
шара разрушение озонового слоя происходит
сравнительно активнее).
5)Химические
реакции (легко реагирующие галогенные
газы вызывают разрушение озона стратосферы;
фактор, способствующий реакциям – полярные
стратосферные облака).
6)Удаление
(под воздействием воздушных потоков легко
реагирующие галогенные газы возвращаются
в тропосферу, где из-за присутствующей
в облаках влажности и дождей разделяются,
и таким образом из атмосферы полностью
удаляются).
Глава 3.
Причины разрушения озонового
слоя.
В
1970-е годы учёные предположили, что свободные
атомы хлора катализируют процесс разделения
озона. А люди ежегодно пополняют состав
атмосферы свободным хлором и прочими
вредными веществами. Причём относительно
небольшое их количество может наносить
значительный ущерб озоновому экрану,
причём это влияние буде продолжаться
неопределённо долго, так как атомы хлора,
например, покидают стратосферу очень
медленно.
Большая
часть хлора, используемая на земле, например,
для очистки воды, представлена его растворимыми
в воде соединениями ионами. Следовательно,
ни вымываются из атмосферы осадками задолго
до того, как попасть в стратосферу. Хлорфторуглероды
(ХФУ) очень летучи и нерастворимы в воде.
Следовательно, они не вымываются из атмосферы
и, продолжая распространяться в ней, достигают
стратосферы. Там они могут разлагаться,
высвобождая атомарный хлор, который собственно
и разрушает озон. Таким образом, ХФУ наносят
ущерб, выступая в роли переносчиков атомов
хлора в стратосферу.
Хлорфторуглероды
относительно инертны химически, негорючи
и ядовиты. Более того, будучи газами при
комнатной температуре, они ожигаются
при небольшом давлении в выделением тепла,
а испаряясь, вновь его поглощают и охлаждаются.
Эти свойства позволили применять их в
следующих целях.
1)Хлорфторуглероды
используются практически во всех холодильниках,
кондиционерах воздуха и тепловых насосах
как хлорагенты. Поскольку эти приспособления
рано или поздно ломаются и выбрасываются,
содержащиеся в них ХФУ обычно попадают
в атмосферу.
2)
Вторая важнейшая область их применения
– производство пористых пластмасс. ХФУ
подмешивают в жидкие пластмассы при повышенном
давлении (они растворимы в органических
веществах). Когда давление понижают, они
вспенивают пластмассу, как углекислый
газ вспенивает содовую воду. И при этом
улетучиваются в атмосферу.
3)Третья основная область их применения
– электронная промышленность, а именно
очистка компьютерных микросхем, которая
должна быть весьма тщательной. И опять
же, хлорфторуглероды попадают в атмосферу.
Наконец, в большинстве стран, кроме США
их, до сих пор используют как носители
в аэрозольных баллончиках, которые распыляют
их в воздухе.
Ряд
промышленных стран (например, Япония)
уже объявили об отказе от использования
долгоживущих фреонов и переходе на короткоживущие,
время жизни которых существенно меньше
года. Однако в развивающихся странах
такой переход (требующий обновления ряда
областей промышленности и хозяйства)
встречает понятные трудности, поэтому
реально вряд ли можно ожидать полного
прекращения в обозримые десятилетия
выброса долгоживущих фреонов, а значит,
и проблема сохранения озонового слоя
будет стоять очень остро.
В.Л.Сывороткин
разработал альтернативную гипотезу,
согласно которой озоновый слой уменьшается
по естественным причинам. Известно, что
цикл разрушения озона хлором не единственный.
Существуют также азотный и водородный
циклы разрушения озона. Именно водород
- "главный газ Земли". Основные его
запасы сосредоточены в ядре планеты и
через систему глубинных разломов (рифтов)
поступают в атмосферу. По примерным оценкам,
природного водорода в десятки тысяч раз
больше, чем хлора в техногенных фреонах.
Однако решающим фактором в пользу водородной
гипотезы Сывороткин В.Л. считает то, что
очаги озоновых аномалий всегда располагаются
над центрами водородной дегазации Земли.
Разрушение
озона происходит также из-за воздействия
ультрафиолетовой радиации, космических
лучей, соединений азота, брома. Деятельность
человека, приводящая к разрушению озонового
слоя, вызывает наибольшую тревогу. Поэтому
многие страны подписали международное
соглашение, предусматривающее сокращение
производства озоноразрушающих веществ.
Однако озоновый слой разрушает также
реактивная авиация и некоторые пуски
космических ракет.
Предполагается
множество других причин ослабления озонового
щита. Во-первых,– это запуски космических
ракет. Сгорающее топливо «выжигает» в
озоновом слое большие дыры. Когда-то предполагалось,
что эти «дыры» затягиваются. Оказалось,
нет. Они существуют довольно долго. Во-вторых,
самолеты, летящие на высотах в 12-15 км.
Выбрасываемый ими пар и другие вещества
разрушают озон. Но, в то же время самолеты,
летающие ниже 12 км, дают прибавку озона. В
городах он – один из составляющих фотохимического
смога. В-третьих – окислы азота. Их выбрасывают
те же самолеты, но больше всего их выделяется
с поверхности почвы, особенно при разложении
азотных удобрений.
Очень
важную роль в разрушении озона играет
пар. Эта роль реализуется через молекулы
гидроксила OH, которые рождаются из молекул
воды и в конце превращаются в них. Поэтому
от количества пара в стратосфере зависит
скорость разрушения озона.
Таким
образом, причин разрушения озонового
слоя немало, и несмотря на всю его важность,
большинство их – это результат человеческой
деятельности.
разрушение озонового
слоя
Озоновый слой (озоносфера)
охватывает весь земной шар и располагается
на высотах от 10 до 50 км С максимальной
концентрацией озона на высоте 20-25 км.
Насыщенность атмосферы озоном постоянно
меняется в любой части планеты, достигая
максимума весной в приполярной области.
Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание
широкой общественности в 1985 г:; когда
над Антарктидой было обнаружено пространство
с пониженным (до 50%) содержанием озона,
получившее название «озоновой дыры».
С тех пор результаты
измерений подтверждают повсеместное
уменьшение озонового слоя практически
на всей планете. Так, например, в России
за последние 10 лет концентрация озонового
слоя снизилась на 4-6% в зимнее время и
на З% - в летнее.
В настоящее
время истощение озонового слоя признано
всеми как серьезная угроза глобальной
экологической безопасности. Снижение
концентрации озона ослабляет способность
атмосферы защищать вt:e живое на земле
от жесткого ультрафиолетового излучения
(УФ - радиация). Живые организмы весьма
уязвимы для ультрафиолетового излучения,
ибо энерI1lИ даже одного фотона из этих
лучей достаточно, чтобы разрушить химические
связи в большинстве органических молекул.
Не случайно поэтому в районах с пониженным
содержанием озона многочисленны солнечные
ожоги, наблюдается рост заболеваемости
людей раком кожи и др. Так, например, по
мнению ряда ученых - ЭКОЛОГОВ, России
при сохранении нынешних темпов истощения
озонового слоя заболеют раком кожи дополнительно
6 млн. человек. Кроме кожных заболеваний
возможно развитие глазных болезней (катаракта
и др.), подавление иммунной системы и т.
д.
Установлено также, что растения
под влиянием сильного ультрафиолетового
излучения постепенно теряют свою способность
к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности
планктона приводит к разрыву трофических
цепей биоты водных эко-
систем, и т. д.
Наука еще до конца установила,
каковы же основные процессы, нарушающие
озоновый слой. Предполагается как естественное,
так и антропогенное происхождение «озоновых
дыр,. Последнее по мнению большинства
ученых. более вероятно и связано с повышенным
содержанием хлорфторуглероодов (фреонов).
Фреоны широко применяются в промышленном
производстве и в быту (хладоагрегаты,
растворители, распылители, аэрозольные
упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу,
фреоны разлагаются с вьщелением оксида
хлора, губительно действующего на молекулы
озона.
По данным международной экологической
организации «Гринпис , основными поставщиками
хлорфторуглеродов (фреонов) являются
США - 30,85%, Япония - 12,42; Великобритания
- 8,62 и Россия - 8,0%. США пробили в озоновом
слое «дыру площадью 7 млн. км2, Япония -
3 млн. км2, что В семь раз больше, чем площадь
самой Японии. В последнее время в США
и ряде западных стран построены заводы
по производству новых видов хладореагентов
(гидрохлорфторуглеродов) с низким потенциалом
разрушения озонового слоя ..
Согласно протоколу Монреальской
конФеренции (1987 г.), пересмотренному затем
в Лондоне (1991 г.) и Копенгагене (1992 г.), предусматривалос~
снижение выбросов хлорфторуглеродов
к 1998 г. на 50 %. В соответствии с Законом
РФ «Об охране окружающей среды (2002) охрана
озонового слоя атмосферы от экологически
опасных изменений обеспечивается посредством
регулирования производства и использования
веществ, разрушающих озоновый слой атмосферы,
на основе международных договоров Российской
Федерации и ее законодательства. В будущем
необходимо продолжать решать проблему
защиты людей от УФ - радиации, поскольку
многие из ХЛОрфторуглеродов могут сохраняться
в атмосфере сотни лет.