Взаимодействие атмосферных газов с солнечным излучением
Взаимодействие атмосферных газов с солнечным излучением.
Как принято считать, озоновый слой играет в жизни нашей планеты исключительную роль. При этом, атмосферный озон – явление, динамичное во многих смыслах. В силу своей высокой окислительной способности, его молекулы, составляющие озоновый слой и вообще присутствующие в атмосфере, часто распадаются и синтезируются заново. Таким образом, наблюдаемая концентрация озона – результат баланса (фотохимического равновесия) между его распадом и синтезом, причем интенсивность обоих процессов определяется различными факторами.
На всех высотах в атмосфере идут процессы диссоциации (т.е. разрушения молекул), приводящих к появлению атомарного кислорода. Эти процессы компенсируются быстрыми реакциями обратного соединения атомов в молекулы, поэтому концентрации атомарного кислорода ниже 100 км очень малы. С увеличением абсолютной высоты скорость процессов диссоциации растет, а обратных реакций падает, поэтому относительная концентрация атомарных компонентов увеличивается. Но лишь примерно со 100 км атомарный кислород становится одним из основных компонентов атмосферы, а на высоте около 150 км концентрации атомов и молекул кислорода сравниваются. На большой высоте кислород существует уже главным образом в виде атомов. Количество атомарного кислорода (хотя и очень малое) с увеличением высоты над поверхностью Земли растет. Диссоциация O2 на два атома кислорода – реакция эндотермическая, требующая внешнего источника энергии, в качестве которого чаще всего выступает ультрафиолетовое излучение Солнца, но могут быть и частицы, входящие в состав космических лучей. Образовавшиеся свободные атомы кислорода могут либо воссоединяться в молекулу O2, либо, взаимодействуя с молекулой O2, участвовать в синтезе молекулы O3. Поскольку образование озона происходит главным образом в результате фотохимических реакций в стратосфере, здесь сосредоточена его основная масса. Но с некоторого уровня высоты разрушение молекул O3 солнечным излучением растет с высотой быстрее, чем их образование из атомов O, поэтому, начиная с этого уровня (так называемого максимума слоя озона) концентрация озона с высотой начинает уменьшаться.
Роль озонового слоя в жизни планеты определяется тем, что озон – основной постоянный газовый компонент атмосферы, способный поглощать ультрафиолетовое излучение. Озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца с длиной волны <280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б , наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%.
Озоновая молекула способна поглощать также инфракрасное, т.е. собственно тепловое, излучение. Поглощая солнечное излучение в указанных диапазонах озоновый слой формирует тепловую структуру атмосферы. Особенность ее состоит в том, что температура воздуха в тропосфере на высоте 10 км падает до -50o С, а в стратосфере на уровне 35-40 км она возрастает до 0o С и выше. Озоновый слой поглощает инфракрасное излучение в полосе 957 нм. Эта частота лежит вблизи максимума излучения Земли и перекрывает в значительной мере окно прозрачности атмосферы в диапазоне 800-1200 нм. Через него в космос уходит до 17% земного тепла.
Образно говоря, озоновый слой играет роль не экрана, а одеяла, которое укутывает Землю и, с одной стороны, закрывает доступ на ее поверхность ультрафиолетовому и инфракрасному излучению Солнца, а с другой – удерживает земное тепло от ухода в космическое пространство. Если толщина озонового "одеяла" будет изменяться, а тем более в нем появятся дыры, это неизбежно приведет к аномальным изменениям энергетических потоков. Сказанное и определяет климатическую роль озонового слоя.
В последние десятилетия и в средствах массовой информации, и среди специалистов состояние озонового слоя, его изменения активно обсуждаются. Такой термин, как «озоновая дыра», стал широко известен широкой публике. На уровне законодательств государств и межгосударственных соглашений предпринимаются различные меры, которые направлены на предотвращение разрушения озонового слоя. О чем же идет речь?
Деструкция озоносферы имеет два аспекта. Первый это образование озоновых дыр, т.е. локальных (сотни тысяч-миллионы квадратных километров), кратковременных (дни-недели), но глубоких (десятки процентов) снижений общего содержания озона. Процесс этот не вызывает сомнения, так как фиксируется наземными озонометрическими станциями и со спутников. Другой, но, несомненно, связанный с первым аспект - глобальная убыль стратосферного озона. Выявление ее – чрезвычайно сложная научная задача, тем не менее, большинство исследователей склонны считать, что такой процесс идет, и Земля потеряла с конца 60-х годов от 3-4% до 12-14% озона, и скорость этого процесса нарастает.
Рекомендуемые материалы
В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической Службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона проостирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный Самолетный Антарктический Озонный Эксперимент. В его ходе ученые из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озонная «дыра». В начале 80-х по измерениям со спутника «Нимбус-7» аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико – около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.
Зимой 1991-1992 гг. заметное понижение общего содержания озона было отмечено над Северной Европой. В 1993 г. беспрецедентное снижение общего содержания озона произошло над всей территорией США. В штатах Мэн и Виржиния дефицит общего содержания озона достигал 18%, в среднем же он составлял 12,6%. Аналогичные данные были получены и в Канаде. В 1995 г. процесс разрушения озонового слоя резко усилился над территорией бывшего СССР. Наиболее сильная потеря озона (около 40%) наблюдалась в октябре над Северо-Востоком России на протяжении 25 суток. Кроме того, значительные по глубине и времени проявления отрицательные аномалии наблюдались над озерами Байкал, Балхаш, Прикаспийской впадиной, Полярным Уралом, Памиром и плато Путорана. В середине марта 1997 г. над Северной частью России образовалась огромная озоновая аномалия, центр которой располагался над Тикси, а края достигали Кольского полуострова на западе и Камчатки на востоке. Среднемесячный дефицит общего содержания озона превышал в центре 40%. Аномалия существовала до середины мая того же года.
Открытие «озоновых дыр» обеспокоило как ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большей опасности, чем считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Особенно опасным представляется увеличение количества жесткого ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли. Естественно, у ученых и общественных деятелей всего мира неминуемо возникли два вечных для русской интеллигенции вопроса: кто виноват и что делать. Ну, а о том, насколько уместна эта моя ирония, попробуем поговорить.
Дело в том, что единого мнения о причине возникновения «озоновых дыр» нет до сих пор. А из этого следует то печальное обстоятельство, что степень правильности тех мер, которые предпринимаются в ответ на это явления, по меньшей мере, спорна. Рассмотрим основные точки зрения на причину возникновения «озоновых дыр».
Начну с наиболее известной и, если так можно выразиться, «раскрученной» точки зрения. Суть ее состоит в техногенной природе разрушения озонового слоя. Основывается же она на том, что озон при определенных условиях легко разрушается при взаимодействии с летучими химическими соединениями, содержащими галогены, прежде всего хлор.
В 1974 г. Марио Молина и Шерри Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что хлорфторуглероды могут вызывать разрушение озона. Первооткрыватели разрушающего действия фреонов на озоновый слой – Молина, Роуланд и Крутцен (Германия) получили в 1996 году Нобелевскую премию по химии. Начиная с этого времени так называемая хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков. Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит не токсичны. Как это ни парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. Хлорфторуглероды не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и в конце концов проникают в стратосферу. Когда молекулы хлорфторуглеродов поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы хлорфторуглеродов, которые распадаются на компоненты обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом, хлорфторуглероды переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 1000 молекул озона, прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс хлорфторуглеродов в атмосферу исчисляется миллионами тонн. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых фреонов составляет 75 и 100 лет соответственно.
Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования хлорфторуглеродов. С 1978 г. в США было запрещено их использование в аэрозолях. К сожалению, использование хлорфторуглеродов в других областях ограничено не было. Однако впоследствии Было заключено несколько международных соглашений о запрещении производства фреонов: в 1980 г. – Венская конвенция по сокращению выпуска хлорфторуглеводородов; в 1987 г. – Монреальский протокол о замораживании производства и потребления хлорфторуглеводородов к 1990 г. на уровне 1986 года, сокращении производства на 20% к 1994 г., на 30% к 1999 г. В связи с ухудшением состояния озонового слоя, был принят ряд Поправок к Монреальскому протоколу: в 1990 г. – Лондонская; в 1992 г. – Копенгагенская; в 1997 г. – Монреальская и в 1999 г. – Пекинская поправки. Поправки к Протоколу расширяют список регулируемых озоноразрушающих веществ, ужесточают сроки поэтапного сокращения и прекращения производства и потребления озоноразрушающих веществ, условия проведения импортно-экспортных операций с озоноразрушающими веществами с государствами, не являющимися Сторонами Протокола, предусматривают создание глобальной системы лицензирования импорта и экспорта озоноразрушающих веществ.
Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель хлорфторуглеродов – пропанобутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее, такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками - вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы хлорфторуглеродов имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает хлорфторуглеродам по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена. Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня хлорфторуглеродов в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов – концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.
Обратите внимание на лекцию "15 Особенности медико-социальной реабилитации больных с психическими нарушениями и интеллектуальной недостаточностью".
Последствия Монреальской конвенции оказались весьма серьезными для России – правоприемницы Советского Союза, подписавшего этот договор. Согласно этой конвенции, промышленность нашей страны должна переориентироваться с использования хлорфторуглеродов на использование альтернативных хладагентов. Такое переоснащение требует затрат, исчисляемых миллиардами долларов. В то же время, экономика России и без того переживает непростые времена. С 1-го января 1996 года в отношении России вступили в силу санкции, которыми резко ограничен экспорт российских хладоносителей, даже в страны СНГ. Проводится переоснащение действующих предприятий технологиями и оборудованием западных фирм. Отечественное производство несет убытки. Оно находится под прессингом постоянной угрозы закрытия. Речь идет не только о холодильной промышленности. Использование фреонов, запрещенных Монреальским протоколом, очень широко. Они применяются в электронной промышленности, в ракетной технике, в связи и др.
Очевидно, что никакие экономические трудности не могут служить оправданием действий, создающих опасность всей биосфере, включая человечество. Однако, дело состоит еще и в том, что действие хлорфторуглеродов – по меньшей мере, не единственная причина снижения концентрации озона в озоновом слое. А возможно, что и не главная.
Попробую привести известные мне возражения против только что изложенных представлений о причинах возникновения «озоновых дыр». Так, Владимир Леонидович Сывороткин в своей диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук подвергает техногенно-фреоновую гипотезу достаточно серьезной критике. Так, по его оценкам, поток природного метана в атмосферу на три-четыре порядка превосходит поток фреонов любой природы. При этом в присутствии метана реакция взаимодействия хлора с озоном не идет. При указанных выше соотношениях потоков хлора и метана в стратосферу очевидно, что хлорный цикл как процесс планетарного масштаба невозможен. Следовательно, по мнению Сывороткина, авторы техногенно-фреоновой гипотезы допустили грубую методологическую ошибку. Изучив реакцию взаимодействия хлора с озоном "в пробирке", они применили ее для объяснения планетарного химического, т.е. геохимического процесса. Главное упущение авторов и сторонников техногенно-фреоновой гипотезы состоит в том, что они не учитывают естественные потоки озоноразрушающих веществ. Взамен Сывороткин предложил свою концепцию, основанную на предположении о возможности взаимодействия выделяющихся из глубин Земли водорода, метана и, возможно, азота – со стратосферным озоном. Сывороткин обращает внимание на то, что главные каналы выхода газов планеты – срединно-океанские рифты – максимально сближаются возле Антарктиды, где и сливаются в единый Циркумантарктический рифт. Таким образом, Антарктида – это участок планеты, над которым суммируются наиболее обильные их потоки и атмосфера подвержена максимальной для планеты продувке озоноразрушающими газами. Поэтому разрушение озонового слоя максимально именно здесь. С другой стороны, три наиболее устойчивых озоновых минимума Северного полушария – о. Исландия, Красное море, Гавайские острова – максимально удалены от промышленных районов, но отличаются интенсивной вулканической деятельностью, которая сопровождается потоками озоноразрушающих газов. Аналогично, Сывороткин связывает экваториальные озоновые аномалии с вулканической деятельностью, а расположенные над территорией России – с крупными геологическими разломами, также сопровождающимися выходом озоноразрушающих газов.
Наконец, сезонные колебания выраженности озоновых дыр (максимум – октябрь-декабрь и в Южном, и в Северном полушариях) он связывает с усилением выделения озоноразрушающих газов из глубин Земли под влиянием гравитационного воздействия Солнца. Именно в это время Земля проходит точку перигелия своей околосолнечной орбиты.
Справедливости ради, следует заметить, что как только мы попытаемся с таких позиций объяснить общее уменьшение содержания озона именно за последние 12 лет, мы столкнемся с определенными трудностями. Сам Сывороткин пытается объяснить гипотетическое усиление выделения озоноразрушающих газов 11-летним солнечным циклом. Однако механизм его действия остается непонятным, а наблюдаемое явление давно перевалило за 11-летний возраст.
Как же относиться к роли фреонов и подобных им веществ к разрушению озонового слоя? Я бы пока посоветовал относиться достаточно критично к мнениям и сторонников, и противников техногенно-фреоновой гипотезы. К сожалению, с одной стороны, ситуация с озоновым слоем – это не тот случай, когда можно поставить эксперимент с опытной и контрольной планетами. Возможно, качественно разработанные математические модели могли бы пролить свет на природу происходящих процессов. И, с другой стороны, нельзя забывать, что слишком много людей не заинтересованы в объективности исследований – это и производители фреонов и их не разрушающих озон заменителей, и политики, спекулирующие на проблеме, имеющей вид угрозы для биосферы и человечества и, возможно, действительно такую угрозу представляющей.
