Причины образования «озоновой дыры»

2.2. Минеральные удобрения и озон

 

Озон в стратосфере может уменьшаться и за счет того, что в стратосферу попадает закись азота N2O, которая образуется при денитрификации связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхнем слое океанов и морей. Процесс денитрификации напрямую связан с количеством связанного азота в почве. Таким образом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почву минеральных удобрений будет в такой же  мере  увеличиваться и количество образованной закиси азота N2O. Далее, из закиси азота образуются окислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.⁴

 

2.3. Ядерные взрывы

 

При ядерных взрывах выделяется очень много энергии в виде тепла. Температура, равная 6000 К устанавливается уже через несколько секунд после ядерного взрыва. Это энергия огненного шара. В сильно нагретой атмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие при нормальных или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона, его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этих преобразованиях окислы азота. Так, за период с 1952 по 1971 г. в результате ядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 млн т. окислов азота. Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадают на разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химические реакции с участием озона, приводя к его разрушению.

 

 

2.4. Сжигание топлива и озон

 

Закись азота обнаруживается и в дымовых газах электростанций. Собственно, о том, что окись и  двуокись азота присутствуют в продуктах  сгорания, было известно давно. Но эти  высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно, загрязняют атмосферу, способствуют образованию  в ней смога, но довольно быстро удаляются  из тропосферы. Закись же азота, как  уже говорилось, опасна для озона. При низких температурах она образуется в таких реакциях:

 N2 + O + M = N2O + M,

2NH3 + 2O2 =N2O = 3H2.

Масштаб этого явления  очень значителен. Таким путём  в атмосфере  ежегодно образуется примерно 3 млн т. закиси азота! Эта цифра говорит о том, что этот источник разрушения озона существенный.

 

3. ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ  АТМОСФЕРЫ. АНТРОПОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

 

Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в  атмосферу больших масс различных  химических соединений. Большинство  антропогенных источников сконцентрировано в городах, занимающих лишь небольшую  часть территории нашей планеты. В результате движения воздушных  масс с подветренной стороны больших  городов образуется многокилометровый  шлейф загрязнений.

Источником загрязненности воздушного бассейна являются:

• автомобильный транспорт. Можно предполагать, что вклад транспорта в загрязнение воздуха будет увеличиваться с ростом численности автомобилей;⁵
• промышленное производство. Базовыми продуктами основного органического синтеза являются этилен (на его основе вырабатывают почти половину всех органических веществ), пропилен, бутадиен, бензол, толуол, ксилолы и метанол. В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленности присутствует широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья, промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза;
• аэрозоли. В качестве летучих компонентов (пропелентов) в аэрозольных упаковках широко применяются фторхлоруглеводороды (фреоны). Для этих целей использовалось около 85% фреонов и только 15% - в холодильных установках и установках искусственного климата. Специфика использования фреонов такова, что 95% их количества попадает в атмосферу через 1-2 года после производства. Считают, что почти всё произведённое количество фреонов рано или поздно должно поступить в стратосферу и включиться в каталитический цикл разрушения озона.⁶

 

4. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ  ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ.

 

Земная кора содержит различные  газы в свободном состоянии, сорбированные разными породами и растворённые в воде. Часть этих газов по глубинным разломам и трещинам достигают поверхности Земли и диффундирует в атмосферу. О существовании углеводородного дыхания земной коры говорит повышенное по сравнению с глобальным фоновым содержанием метана в приземном слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами.

Проведенные исследования показали, что в газах вулканов Никарагуа  содержится заметные количества HF. Анализ проб воздуха, отобранных из кратера  вулкана Масайя, также показали наличие в них фреонов наряду с другими органическими соединениями. Присутствуют галогенуглеводороды и в газах гидротермальных источниках. Эти данные потребовали доказательств того, что обнаруженные фторуглеводороды не имеют антропогенного происхождения. И такие доказательства были получены. Фреоны были обнаружены в пузырьках воздуха антарктического льда возрастом 2000 лет. Специалистами НАСА было предпринято уникальное исследование воздуха из герметично запаянного свинцового гроба, обнаруженного в штате Мериленд и достоверно датированного 17 веком. В нем также были обнаружены фреоны. Ещё одно подтверждение существования природного источника фреонов было «поднят» c морского дна. CFCl3 обнаружен в воде, извлеченной в 1982 году с глубины более 4000 метров в экваториальной части Атлантического океана, у дна Алеутской впадины и на глубине 4500 метров у берегов Антарктиды.

 

5. ЗАБЛУЖДЕНИЯ  ОБ ОЗОНОВЫХ «ДЫРАХ»

 

Существует несколько  широко распространённых мифов касательно образования озоновых дыр. Несмотря на свою ненаучность, они часто появляются в СМИ – иногда по неосведомлённости, иногда поддерживаемые сторонниками теорий заговоров. Ниже перечислены некоторые из них.

Основными разрушителями  озона являются фреоны. Это утверждение  справедливо для средних и  высоких широт. В остальных хлорный  цикл ответственен только за 15-25% потерь озона в стратосфере. При этом необходимо отметить, что 80% хлора имеет  антропогенное происхождение. То есть вмешательство человека сильно увеличивает вклад хлорного цикла. До вмешательства человека процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона. Механизм разрушения озона в полярных областях в принципе отличается от более высоких широт, ключевой стадией является превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды, которая протекает на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. И в результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами (за 40-50% ответственен хлор и порядка 20-40% — бром).

Фреоны слишком тяжелы, чтоб достигать стратосферы.

Иногда утверждается, что так как молекулы фреонов намного тяжелее азота и кислорода, то они не могут достигнуть стратосферы в значительных количествах. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не расслаиваются или сортируются по весу. Оценки требуемого времени для диффузионного расслоения газов в атмосфере требуют времён порядка тысяч лет. Конечно, в динамической атмосфере это невозможно. Поэтому даже такие тяжёлые газы, как инертные или фреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая, в том числе и стратосферы. Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это. Если бы газы в атмосфере не перемешивались, то такие тяжёлые газы из её состава как аргон и углекислый газ образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы поверхность Земли необитаемой. К счастью это не так.

Основными источниками галогенов  являются природные, а не антропогенные источники хлора в стратосфере.

Есть мнение, что природные  источники галогенов, например вулканы  или океаны, более значимы для  процесса разрушения озона, чем произведённые  человеком. Не подвергая сомнению вклад  природных источников в общий  баланс галогенов, необходимо отметить, что в основном они не достигают  стратосферы ввиду того, что являются водорастворимыми (в основном хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю.

Озоновая дыра должна находиться над источниками фреонов.

Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов  происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. В  виду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Поэтому они легко достигают верхних слоёв атмосферы. Антарктическая «озоновая дыра» существует не постоянно. Она появляется в конце зимы — начале весны.

Причины, по которой озоновая дыра образуются в Антарктике, связаны  с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного  вихря. Воздух внутри этого вихря  движется в основном по замкнутым  траекториям вокруг Южного полюса. В это время полярная область  не освещается Солнцем, и там озон не возникает. С приходом лета количество озона увеличивается и снова  выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над  Антарктикой — сезонные. Однако, если проследить усреднённую в течение года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется строго определённая тенденция к падению концентрации озона.

Озон разрушается только над Антарктикой.

Это неверно, уровень озона  также падает во всей атмосфере. Это  показывают результаты долговременных измерений концентрации озона в  разных точках планеты. Вы можете посмотреть на график изменения концентрации озона  над Аросой (Швейцария).

 

6. ОЗОННАЯ ДЫРА  НАД АНТАРКТИКОЙ.

 

О значительном уменьшении общего содержания озона над Антарктикой  впервые было сообщено в 1985 г. Британской антарктической службой на основании  анализа данных озонометрической станции Хэлли-Бей (76 гр. ю. ш.). Уменьшение озона наблюдалось этой службой и на Аргентинских островах (65 гр. ю. ш.).

 С 28 августа по 29 сентября 1987 г. было выполнено 13 полётов   самолёта-лаборатории над Антарктикой.  Эксперимент позволил  зарегистрировать  зарождение озонной дыры. Были  получены её размеры. Исследования  показали, что наибольшее уменьшение  количества озона  имело место  на высотах 14 - 19 км. Здесь же  приборы зарегистрировали  наибольшее  количество аэрозолей (аэрозольные  слои). Оказалось, что, чем  больше  имеется аэрозолей на данной  высоте, тем меньше там озона.  Самолёт - лаборатория зарегистрировал  уменьшение озона, равное 50%. Ниже 14 км. изменений озона было несущественным.  Уже к началу октября 1985 г. озонная дыра (минимум количества озона) охватывает уровни с давлением от 100 до 25 гПа, а в декабре диапазон  высот, на которых она наблюдается, расширяется.  Во многих экспериментах измерялось не только количество озона и других малых составляющих атмосферы, но и температуры. Была установлена  самая  тесная связь между количеством озона в стратосфере и температурой  воздуха там же. Оказалось, что характер изменения количества озона тесно связан с тепловым режимом стратосферы над Антарктидой.

 Образование и развитие озонной дыры в Антарктиде наблюдали английские учёные и в 1987 г. Весной общее содержание озона уменьшилось на 25%. Американские исследователи проводили измерения в Антарктике зимой и ранней весной 1987 г. озона и других малых составляющих атмосферы (HCl, HF, NO, NO2, HNO3, ClONO2, N2O, CH4) c помощью специального спектрометра. Данные этих измерений позволили очертить область вокруг Южного полюса, в которой количество озона уменьшено. Оказалось, что эта область совпадает практически в точности с крайним полярным стратосферным вихрем. При переходе через край вихря резко менялось количество не только озона, но и других малых составляющих,  оказывающих влияние на разрушение озона. В пределах озонной дыры  (или, другими словами, полярного стратосферного вихря) концентрация  HCl,  NO2 и азотной кислоты была значительно меньше, чем за пределами вихря. Это имеет место потому, что хлорины в продолжении холодной  полярной ночи разрушают озон  в соответствующих реакциях, выступая в  них как катализаторы. Именно в каталитическом цикле с участием хлора  происходит основное уменьшение  концентрации озона (по крайней мере  80% этого уменьшения).

 Эти реакции протекают  на поверхности частиц, составляющих  полярные стратосферные облака. Значит, чем больше площадь этой  поверхности, т. е. чем больше  частиц стратосферных облаков,  а значит, и самих облаков, тем  быстрее в конце концов распадается озон, а значит, тем эффективнее образуется озонная дыра.

 Пресса: Озоновая «дыра» над Антарктидой... стала еще больше, чем прежде. Сейчас «дыра» достигла размера около 17 миллионов квадратных километров, что на 5% больше, чем в 1996 году, когда ее размеры были максимальными. Обычно размера «дыры» увеличиваются, когда в южное полушарие приходит весна, как сейчас. Однако из года в год ее размеры увеличиваются.⁷

 

7. ПУТИ РЕШЕНИЯ  ПРОБЛЕМ

 

Чтобы начать глобальное восстановление, нужно уменьшить доступ в атмосферу  всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся. Люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, в частности нужны  новые посадки лесов.

Для восстановления озонового  слоя его нужно подпитывать. Сначала  с этой целью предполагалось создать  несколько наземных озоновых фабрик и на грузовых самолетах «забрасывать»  озон в верхние слои атмосферы. Однако этот проект (вероятно, он был первым проектом «лечения» планеты) не осуществлен. Иной путь предлагает российский консорциум «Интерозон»: производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой «Даза» планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода. Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции «Мир» и создать на высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта.