Антропогенные изменения атмосферы. Источники, загрязнители, загрязнения воздуха и их последствия

Природные и антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функцио­нировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. В последние годы резко возросла роль антропогенных (техногенных) факторов.

Имеется множество различных источников антропо­генного характера, вызывающих загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По своим масштабам наибольшее воздей­ствие на биосферу оказывают два источника: транспорт и индустрия. В среднем на долю транспорта (например, в США) приходится 60 % общего количества атмосферных загрязнений, промышленности - 17 %, энергетики - 14 %, отопления и уничтожения отходов - 9 %.

Транспорт, в зависимости от используемого топлива, выбрасывает в воздух оксиды азота, серы, свинец и его соединения, оксид и диоксид углерода, сажу, бензопирен (вещество из группы полициклических ароматических углеводородов, являющееся сильным канцерогеном, вы­зывающим рак кожи). Реальную причину гибели деревь­ев, растущих вдоль крупных автомагистралей столицы, установили специалисты в 2000 году. Выяснилось, что придорожные зеленые насаждения умирают не только и не столько от выхлопных газов, сколько под воз­действием... технической соли. Результаты исследования причин массового засыхания деревьев, посаженных у дорог, оказались сенсационными. Свое убийственное влияние техническая соль, которой зимой обильно посыпают столичные автотрассы, оказывает не на корневую систему дерева, а на его будущую листву. Соленые брызги, летящие из-под колес машин, и испарения, поднимающиеся на высоту до четырех метров, оседают на ветках близко-растущих деревьев. Через некоторое время их ветви покрываются настоящими соляными кристаллами. Таким образом, зреющие почки попадают в своеобразный футляр, который не дает им раскрыться в назначенное время. Дерево, лишенное возможности обзавестись зеленой кроной, вскоре попро­сту засыхает.

Большинство веществ, выбрасываемых транспорт­ными средствами опасны для здоровья человека, пред­ставляют опасность для биоты в целом, нарушая баланс экосистем и влияя на урожайность сельскохозяйственных культур. Бензин поступает в организм главным образом через дыхательные пути, может заглатываться с воздухом и затем всасываться в кровь из желудочно-кишечного тракта. В основе действия бензина на организм лежит его способность растворять жиры и липоиды. Особенно сильное действие он оказывает на центральную нервную систему, кожный покров.

Индустрия приводит к промышленным выбросам в атмосферу сернистого газа, оксидов углерода, пыли (в сумме 85 % общего выброса), углеводородов, аммиака, сероводорода, серной кислоты, фенола, хлора и других соединений и элементов (15 %).

Результатом техногенного загрязнения является обра­зование аэрозолей, смога, кислотных дождей.

Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, состоящие из газовой дисперсной среды, в которой распределены твердые или жидкие дисперсные фазы (частицы). Размер частиц дисперсной фазы обычно составляет 10^-3 - 10^{-7 см.}

В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли можно подразделить на две группы. К первой относятся аэрозоли, состоящие из твердых частиц, дисперсированных в газообразной среде, ко второй - аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые обычно называют дымами, вторые - туманами. В механизме их образования существенную роль играют центры конденсации химических соединений, или ядра. В качестве ядер выступают вулканическая и космическая пыль, продукты промышленных выбросов, бактерии и др. Возможные источники и количество ядер непрерывно возрастают. Так, при уничтожении огнем сухой травы на площади 200 х 200 м образуется в среднем 2 х 10²² ядер аэрозолей.

Образование аэрозолей началось с возникновения нашей планеты. Природные аэрозоли всегда влияли на окружающую среду, но, уравновешиваясь общим круговоротом веществ в природе, не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные факторы их образования сдвинули это равновесие в сторону зна­чительных биосферных перегрузок, тем более что человек начал использовать специально создаваемые аэрозоли в практической деятельности, например - для защиты растений в сельском хозяйстве или в виде боевых отравляющих веществ.

Медленное оседание аэрозолей предопределяет изме­нение прозрачности воздуха; быстрое их оседание отрицательно сказывается на зеленом покрове Земли.

Наиболее опасны для растений аэрозоли сернистого газа, фтористого водорода, азота. При соприкосновении с влажной поверхностью листа образуются кислоты, вызывающие гибель живой ткани. Кислотные туманы, попадая с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы человека, агрессивно воздействуют на слизистые оболочки. Чрезвычайно опасны радиоактивные аэрозоли. Среди радиоактивных изотопов особую потенциальную опасность представляет ⁹⁰Sr, не только как долго живущий радиоактивный изотоп, но и как аналог кальция, замещающий его в костях живых организмов со всеми вытекающими последствиями.

Во время ядерных взрывов образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы радиусом 1-10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой они могут находиться до года и более. Аэрозольные облака возникают в результате не только ядерных взрывов, но и работы реакторов промышленных предприятий, производящих ядерное топливо, и аварий на АЭС типа Чернобыльской.

Смог - смесь аэрозолей с жидкой и твердыми дисперсными фазами, образующая туманную завесу над промышленными районами. Различают три типа смога:

смог ледяной (аляскинского типа) - сочетание газообразных загрязнителей, пылевых частиц и кристаллов льда, возникающих при замерзании капель тумана и пара отопительных систем;

смог влажный (лондонского типа), иногда называемый зимним, - сочетание газообразных загрязнителей, в основном сернистого ангидрида, пылевых частиц и капель тумана. Метеорологической предпосылкой для зимнего смога является безветренная тихая погода, при которой слой теплого воздуха расположен над при­земным слоем холодного воздуха (ниже 700 м). Движение воздуха вблизи поверхности земли почти отсутствует (менее 3 м/с). Горизонтальный и вертикальный обмен воздуха затруднен. Загрязняющие вещества, рассеиваю­щиеся обычно в высоких слоях, скапливаются в приземном слое;

смог сухой (лос-анджелесского типа = фотохими­ческий), называемый также летним, - сочетание озона, угарного газа, соединений азота (NO_х), кислот и др. Он образуется в результате вторичного разложения загрязняющих веществ солнечными лучами, особенно ультра­фиолетовыми. Метеорологической предпосылкой явля­ется атмосферная инверсия, выражающаяся в появлении слоя холодного воздуха под теплым. Обычно подни­маемые теплым воздухом газы и твердые частицы, затем рассеивающиеся в верхних холодных слоях, в данном случае накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза соединения азота, образующиеся при сгорании топлива в автомобильных двигателях, распадаются:

NO₂ → NO + О, λ < 240.

Затем происходит синтез озона:

О + О₂ + М → О₃ + М;

NO + О → NO₂,

сопровождаемый желто-зеленым свечением.

Эта реакция обусловливает желто-зеленую окраску смога.

Кроме того, происходят реакции по типу: SO₃+ H₂O → H₂SO₄, приводящие к образованию капелек кислот.

С изменением метеорологических условий, связанных с появлением ветра, холодный воздух смещается и смог исчезает. Рассмотрим это на примере динамики смога в долине Лос-Анджелеса.

При нормальных условиях температура воздуха понижается с высотой. Теплый воздух подни­мается вверх и рассеивает примеси, выбрасываемые у поверхности земли.

Когда устанавливается инверсионное распределение температуры, холодный воздух располагается под теплым, который поступает из калифорнийских пустынь. В этом случае температура снижается, а примеси (газы и твердые частицы) накапливаются в инверсионном слое. Это продолжается до тех пор, пока метеорологические условия не изменятся. При этом ветер вызывает смещение холодного воздуха и исчезновение смога.

Концентрация загрязняющих веществ в смоге раз­личных типов приводит к нарушению дыхания, раз­дражению слизистых оболочек, расстройству кровообра­щения, нередко к смерти (в Лондоне в 1952 г. от смога погибло 4000 человек). Особую опасность смог пред­ставляет для малолетних детей, вызывая заболевания ложным крупом.

Кислотные дожди - атмосферные осадки (дождь и снег), подкисленные из-за растворения в атмосферной влаге промышленных выбросов (SO₂, NO_X, HC1 и др.). При сжигании горючих полезных ископаемых (уголь, нефть и газ) большая часть содержащейся в них серы превращается в диоксид серы (SO₂). При всех видах сгорания различных материалов в воздухе происходит реакция атмосферного азота с атмосферным кислородом с образованием окислов азота (NO_X). Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование оксидов азота. Из всех выбросов оксидов азота (например, в ФРГ) 55 % приходилось на транспорт, 28 % -на энергетику, 14 % - на промышленные предприятия (1982). SO₂ и NO_X являются кислотообразователями, реагирующими с атмосферным кислородом и водой с образованием серной и азотной кислот.

Мерой кислотности является значение рН. Чистая вода имеет рН = 7, дождевая вода - рН = 5,6. Умень­шение значения рН на единицу соответствует 10-крат­ному повышению кислотности. Максимальная, зарегист­рированная в Западной Европе, кислотность осадков составляет 23 рН.

Кислотные дожди оказывают агрессивное воздействие на восковой налет листьев на деревьях, на кирпичные и бетонные сооружения, увеличивая скорость химического выветривания последних. Повышение кислотности пре­пятствует саморегулирующейся нейтрализации почв, в которых происходит растворение питательных веществ. Эти вещества выносятся в грунтовые воды. Одновре­менно выщелачиваются из почв и тяжелые металлы, которые потом усваиваются растениями, вызывая у них серьезные повреждения и проникая в пищевые цепи человека.

Наиболее опасным является подкисление океанских мелководий, ведущее к невозможности размножения многих морских беспозвоночных, гибели рыб, разрыву пищевых цепей (пищевой или трофической цепью назы­вают ряд видов, звено в котором служит пищей для следующего вида) и нарушению экологического равно­весия в океане (рис. 12).

Из-за кислотных дождей под угрозой гибели ока­залось не менее 20 % площади лесов ФРГ, Канады (рис. 13).

На территории бывш. СССР площадь существенного закисления лесов достигла 46 млн га. В основном это результат переноса подкисленных осадков из Западной Европы в Прибалтийские республики, Карелию и на весь Северо-Запад России.

Помимо аэрозольных облаков, смога и кислотных дождей важнейшими следствиями антропогенного воз­действия на атмосферу являются усиление парникового эффекта и нарушение озонового слоя.

Парниковый эффект. Поглощая значительную часть губительного коротковолнового излучения, озоновый слой стратосферы влияет также на явление, получившее название "парниковый эффект". По аналогии с повы­шением температуры и влажности в замкнутом про­странстве парника (теплицы и оранжереи) под парни­ковым эффектом атмосферы понимают разогрев призем­ного слоя воздуха, вызывающий потепление климата. Парниковый эффект, его усиление и ослабление обуслов­лены тепловым балансом Земли и атмосферы.

У поверхности Земли тепловой режим определяется солнечным нагревом (инсоляцией) и внутренним теплом, поступающим из недр (тепловым потоком). Величины тепла от обоих источников качественно неодинаковы. На долю инсоляции приходится около 99,5 % всей суммы тепла, получаемого поверхностью, а на внутреннее на­гревание падает около 0,5 %. Коротковолновое солнечное излучение в значительной степени поглощается озоно­вым слоем, атмосферной влагой, углекислотой, аэрозо­лями и облаками, рассеивается в тропосфере и частично отражается от поверхности Земли обратно в атмосферу (рис. 14). На поверхность Земли попадает около поло­вины солнечных лучей, главным образом видимой и инфракрасной областей спектра.

Лишь часть (около 22 %) коротковолнового солнечного излучения проникает внутрь Земли на глубину, не превышающую 30-40 м.

Кроме того, земная поверхность нагревается за счет длинноволнового земного излучения от внутренних тепловых источников. Длинноволновое земное излучение большей частью поглощается атмосферой и возвращается обратно. Именно этот процесс и определяет возник­новение парникового эффекта. Часть длинноволнового излучения уходит в космическое пространство. Зна­чительную роль в этом играют "окна" в озоновом слое (озоновые дыры). Таким образом, озоновый слой вы­ступает в качестве естественного природного барьера, предохраняющего Землю от глобального похолодания.

Поглощение длинноволнового излучения происходит за счет таких примесей в атмосферном воздухе, как озон, углекислый газ и водяные пары (рис. 15), а не за счет поглощения азотом и кислородом - главными составными частями атмосферы. Одно время считалось, что главное воздействие на парниковый эффект оказывает вода. Однако, поглотительная способность воды незначительна. "Парниковое" воздействие углекислого газа в два раза ниже озона. Вместе с тем действие примесей СО₂, О₃ и Н₂О проявляется в различных областях спектра, так что каждое из них эффективно само по себе.

Из изложенного выше вытекает, что парнико­вый эффект обязателен для атмосферы, так как присутствие в атмосферном воздухе энергопоглощающих примесей определяется в первую очередь природными факторами.

Из изложенного выше вытекает, что парниковый эффект обязателен для атмосферы, так как присутствие в атмосферном воздухе энергопоглощающих примесей определяется в первую очередь природными факторами.

Техногенез приводит к резкому возрастанию кон­центраций всех энергопоглощающих соединений и, в первую очередь, углекислого газа. В настоящее время содержание СО₂ в атмосфере составляет примерно 336 p.p.m. Усиление поступления СО₂ в воздух до 400-450 p.p.m. в процессе сжигания углеводородного топлива должно привести к глобальному повышению темпе­ратуры. В настоящее время ежегодное увеличение составляет примерно 1-2 p.p.m. При концентрации СО₂ в 600-700 p.p.m. возможны катастрофические изменения климата.

В мире существует около десяти главных климато­логических центров, где созданы компьютерные моде­ли будущего климата, обладающие широкими возмож­ностями. Такие модели, известные как модели глобаль­ной циркуляции (МГЦ), учитывают множество взаи­мосвязанных природных факторов, определяющих бу­дущий климат планеты. МГЦ предсказывают повыше­ние средней глобальной температуры на величину от 1,5 до 4,5°С вследствие «эффективного удвоения» (усиления парникового эффекта в 2 раза) количества двуокиси углерода по сравнению с ее уровнями в доиндустриальную эпоху. Подобное эффективное удвоение может произойти примерно в 2030 г., если выбросы парниковых газов будут происходить на уровне, близком современному. Однако, в связи с тепловой инертностью океанов - их медленным прогреванием - климатологи говорят лишь о «фактическом» потеплении. Фактическое потепление, прогнозируемое учеными Межправительственной группы экспертов по проблемам изменения климата (IPCC), составит примерно 1°С относительно настоящего уровня к 2025 г. и 3°С к концу следующего столетия. Следует учитывать, что ученые дают свои «компьютерные» прогнозы на ограниченный срок - от 50 до 100 лет.

Воспрепятствовать глобальному потеплению может только появление крупных озоновых дыр, через которые будет "улетучиваться" значительная часть тепла призем­ных слоев атмосферы.

Техногенные выбросы в тропосферу оксидов азота также приводят к усилению парникового эффекта бла­годаря обогащению тропосферного воздуха энергопоглощающим озоном. Появление высоких концентраций озона в приземных воздушных слоях, возникающих при выбросах разнообразных оксидов азота (NO_X), подтверж­дается существованием сухого смога лос-анджелесского типа.

Нарушение озонового слоя. Возникновение озоновых дыр. Озоновый слой, образующийся в результате фотолиза молекулярного кислорода, непрерывно разру­шается. В его разложении, согласно современным представлениям, участвуют четыре цикла химических преобразований: кислородный, водородный, азотный и галоидный.

В соответствии с кислородным циклом (Чепмена) в озоновом слое часть озона распадается на молекулярный и атомарный:

О₃ → О₂ + О, λ< 900 нм.

На долю кислородного цикла приходится до 20 % потери атмосферного озона на высотах 20-40 км (рис. 16).

Определенную роль в разложении озона играет и водородный цикл, обусловленный взаимодействием озона с радикалом (ОН)^-. Образование гидроксила происходит при взаимодействии водорода, метана и воды с атомарным кислородом по общей схеме:

Н₂О ОН

СН₄ } + О → ОН + { СН

Н₂ Н

Сам водородный цикл может быть записан следующим образом:

ОН + О₃ → НО₂ + О_2;

НО₂ + О₃ → ОН + 2О₂.

В результате:

2О₃ → 3О₂.

Эти реакции весьма эффективны: они имеют большие скорости. Особенно большую роль играет водородный цикл на высотах 15-25 км, где на его долю приходится от 20 до 60 % потери атмосферного озона.

В конце 60-х - начале 70-х гг. исследователи для более точного согласования расчетных и наблюденных данных о состоянии озонового слоя ввели в модельные пред­ставления азотный цикл разложения озона, основанный на способности оксидов азота эффективно разрушать озон:

NO₂ + О → NO + О₂;

NO + О₃ → NO₂ + О₂;

NO₂ + О₃ → NO₃ + О₂;

NO₃ → NO + O₂.

Кроме того, при довольно низких температурах озон способен реагировать даже с относительно инертным азотом:

N₂ + О₃ → N₂O + О₂

(последняя реакция может объяснить появление озоно­вых дыр в высоких полярных широтах).

В 1974 г. был открыт хлорный (галоидный) цикл разложения озона:

Cl + О₃ → ClO + О;

ClO + О → Cl + О₂,

которому в последние годы многие исследователи пытаются придать определяющий характер в плане­тарном балансе стратосферного озона.

Вклад указанных циклов в разложение озона различен (см. рис. 16). На озоновый слой влияет главным образом азотный цикл, тогда как галоидный оказывается не столь существенным. Приведенные выше реакции относятся к каждому, отдельно взятому циклу. Взаимодействие по­следних друг с другом еще очень мало изучено. В химии атмосферного озона многое продолжает оставаться неясным.

В проблеме разрушения озонового слоя могут быть выделены два аспекта. Первый - это глобальная убыль стратосферного озона. Выявление этого процесса -чрезвычайно сложная научная задача, тем не менее большинство исследователей склонны считать, что такой процесс реален. По существующим оценкам, с конца 60-х гг. Земля потеряла от 3-4 до 12-14 % стратосферного озона и скорость этого процесса нарастает.

Вторым аспектом проблемы является образование озоновых дыр - локальных (десятки тысяч - сотни мил­лионов км), кратковременных (дни, недели), но сильных (десятки процентов) снижений общего содержания озона. На существование нарушений озонового слоя иссле­дователи обратили внимание сравнительно недавно (1985), когда английские ученые выявили сильное разрушение озонового слоя в Антарктиде. В августе -сентябре 1987 г. исследователи США зафиксировали над Антарктидой резкое снижение озона до 100 единиц Добсона*⁾.

*⁾ Единица Добсона - мера содержания озона, отвечающая условно толщине слоя озона в 10^{-3 см, приведенного к приземным условиям в средних широтах. В средних широтах концентрация озона равна 345 е. Д., что составляет толщину слоя озона 0,345 см (при} t = 0°C, давлении, равном атмосферному).

Эту область атмосферы они назвали озоновой дырой. 6 октября 1991 г. со спутника "Нимбус-7" над Антарктидой было зарегистрировано примерно такое же (до 110 е. Д.) снижение содержания озона. С началом 90-х гг. процесс разрушения озонового слоя стал наблюдаться и в северном полушарии. Зимой 1994-92 гг. заметное понижение общего содержания озона (ОСО) было отмечено над Северной Европой. 28 января 1992 г. на озонометрических станциях Риги, Вельска, Санкт-Петербурга зарегистрирован абсолютный минимум ОСО за весь почти 20-летний период наблюдений, составивший 200 е. Д., что на 40-45 % ниже многолетней нормы (рис. 17).

В 1993 г. сетью озонометрических станций США было отмечено появление озоновой дыры над всей терри­торией США и частично Канады.

В 1995 г. процесс разрушения озонового слоя резко усилился над территорией бывш. СССР. Наиболее силь­ная потеря озона (до 40 %) наблюдалась в сентябре над Северо-Востоком России. Кроме того, значительные по глубине и времени проявления отрицательные аномалии наблюдались над озерами Байкал, Балхаш, над Прикас­пийской впадиной, Полярным Уралом, Памиром.

С середины января до середины марта 1996 г. в стратосфере над некоторыми крупными районами Арктики концентрация озона снизилась на 40 % и более. Над Британскими островами в первой неделе марта потеря озона приблизилась к 50 %. Так, мощность озонового слоя над Великобританией зимой составляла в среднем 365 е. Д., а 5 марта она упала до 195 е.Д.

Биологические последствия нарушения озонового слоя. Периодически возникающие озоновые дыры различной протяженности негативно воздействуют на биотическую компоненту экосистем, что определяется биологической ролью ультрафиолетового излучения.

Солнце во всем диапазоне волн (от 1 нм до 1000 м) излучает огромное количество энергии. В жизнедея­тельности организмов значительная роль принадлежит коротковолновой части солнечной радиации с длиной волны менее 4 мкм. В зависимости от длины волны меняются свойства солнечного излучения, что опреде­ляется его квантовой природой. В соответствии с законом Планка:

Е = h • с / λ,

где: Е - энергия; h - постоянная Планка, (h = 6,54 • 10²⁷ эрг/см); с - скорость света; λ - длина волны.

Другими словами, чем короче длина волны, тем боль­шей энергией обладают кванты энергии и, следовательно, тем более сильное действие они оказывают на различные процессы.

Ультрафиолетовая радиация (УФ) представляет собой часть солнечной радиации, лежащей в диапазоне длин волн от 0,1 до 0,4 мкм. По интенсивности воздействия на органическую среду ультрафиолетовую часть спект­ра подразделяют на три области: УФ-С (длина волны < 280 нм), УФ-Б (длина волны - 280-320 нм) и УФ-А (длина волны - 320-400 нм).

УФ-А - излучение озоном не поглощается, но особой угрозы не несет. УФ-С - излучение кроме озона погло­щается и другими атмосферными газами, поэтому поверхности Земли практически не достигает.

Активно выраженным биологическим воздействием обладает УФ-Б излучение. Именно оно поглощается молекулами стратосферного озона. Его влияние на биоту сводится к следующему:

1. Воздействие на наземные микроорганизмы. Под влиянием УФ-Б на ДНК и клеточные мембраны микро­организмы теряют способность к фотоориентации, что ведет к неадекватным реакциям на изменение окру­жающей среды и к гибели популяции. Их гибель приводит к нарушениям в пищевых цепях и представляет серьезную экологическую опасность.

2. Воздействие на растения суши. После облучения нарушается рост растений, уменьшается количество и размер листьев, подавляются реакции фотосинтеза (особенно у тыквенных и бобовых). Даже небольшое снижение концентрации озона приводит к резкому снижению урожаев. Негативные воздействия на расти­тельные сообщества усиливаются также гибелью почвен­ных микроорганизмов.

3. Воздействие на водные экосистемы. Большая часть УФБ - излучения поглощается водой. В результате подавляется фотосинтез фитопланктона, снижается его продуктивность. Особенно чувствительны к УФБ -излучению молодые организмы зоопланктона, в которых появляются патологические изменения, приводящие к массовой гибели отдельных видов (например, при 20%- ном снижении содержания озона за 15 дней гибнут личинки анчоусов в 10-метровом слое воды).

4. Воздействие на человека. У человека критическим является воздействие на глаза, кожу и иммунную систему. В результате УФБ - излучения возникают заболевания конъюнктивитом, катарактой, появляются фотоэластоз - морщинистость кожи, эритема - солнечный ожог, рак кожи и меланома. Считается, что снижение озона на 1 % вызовет увеличение заболевания меланомой на 1-2 % и рост смертности на 0,8-1,5 %.

Важнейшим является иммуносупрессивное действие УФ-Б излучения, приводящее к снижению иммунитета и гибели популяций кожных микроорганизмов.

В связи с негативными экологическими последст­виями, связанными с появлением озоновых дыр и гло­бальной убылью стратосферного озона, вопросы происхождения озоновых дыр и разработка единой концепции озоногенеза приобретают не только теоретическое, но и важнейшее практическое значение.

Проблема образования озоновых дыр. Современные представления о происхождении озоновых дыр могут быть сгруппированы в три концепции (гипотезы): метеоролого-климатическую, техногенно-фреоновую и эндо­генную гипотезу. Последняя известна как гипотеза водородно-метановой продувки озонового слоя, связан­ной с процессами дегазации внешнего ядра земли.

Метеоролого-климатическая гипотеза связывает обра­зование озоновых дыр с естественными процессами озоногенеза, протекающими в атмосфере. В соответствии с этой гипотезой общее содержание озона в конкретном объеме атмосферы зависит от характера метеороло­гических процессов и перепадов температуры, которые определяют не только направления воздушных движений, но и скоростные параметры реакций рассмотренных выше кислородного, азотного и водородного циклов.

Доказательством правомерности гипотезы, по мнению ее сторонников, являются фиксируемые четко выра­женные колебания общего содержания озона - суточные, сезонные (для внетропических областей), связываемые с вспышками или ослаблениями фотохимических реакций.

Наблюдаются определенные корреляции между содержаниями озона и возмущением воздушных масс. Многократно установлено, что на фронтах циклонов резко понижается концентрация озона. В хорошо раз­витых штормах и тайфунах снижение общего содер­жания озона (ОСО) достигает 4-8 е. Д. Сезоны активного образования циклонов совпадают с временем мини­мальных значений ОСО в тропической и субтропической областях. Планетарная озоновая дыра над Северной Атлантикой совпадает с родиной циклонов. Маршруты циклонических вихрей в Каспийском регионе, над Японией и Сахалином (рис. 18) совпадают с центрами озоновых аномалий (ср. с рис. 17).

Возникновение озоновых дыр в полярных областях связывают также с крайне низкими температурами, существующими в определенные периоды в страто­сферном слое, при которых происходит увеличение скорости озоноразрушающих реакций. Многолетние метеоданные показывают, что истощение озоносферы обычно наступает в стратосфере по мере падения температуры, когда в пределах полярной воронки, охватывающей обычно север Канады, Сибирь, Сканди­навию или европейский север Арктики, образуются переохлажденные ледяные облака. Именно в них и происходит разрушение молекул озона. Так, в январе -феврале 1996 г. над Европейской Арктикой рекордно низкие температуры держались неделями. Необычность ситуации заключалась в том, что из-за крайне низких температур полярные стратосферные облака на этот раз возникали по краям воронки, что приводило к зна­чительному разрушению озоносферы даже на средних широтах, включая Великобританию.

Определенное значение имеют, по-видимому, и изме­нения солнечной активности (солнечные бури), влия­ющие на фотохимические реакции в озоновом слое. Однако встречающиеся в литературе оценки влияния на озоносферу изменчивости солнечной активности проти­воречивы, вплоть до взаимоисключающих.

Техногенно-фреоновая гипотеза (ТФГ) базируется на роли в разрушении озонового слоя техногенных газов-фреонов, широко используемых в холодильной промышленности и в качестве распыляющих веществ в аэро­зольных упаковках. Фреоны представляют собой галоидо-производные метана, этана, пропана с обязательным содержанием фтора: CFC1₃, CF₂C1₂, CF₃C1, CF₄, C₂H₄F_2, C₂H₂F₄ и т.д.

Авторы техногенно-фреоновой гипотезы - американ­ские ученые М. Молина и Ш. Роуленд, открывшие хлор­ный цикл разложения озона, еще в 1974 г. предположили, что активный хлор в составе фреонов может поступать в стратосферу, где происходит его фотолиз в условиях сверхнизких температур (над Антарктидой):

CFCl₃ → CFCl₂ + Cl;

CF₂C1₂ → CF₂C1 + Cl.

В свою очередь, С1 инициирует галоидный цикл разложения озона, например:

С1 + О₃ → ClO + О₂

ClO + О₃ → ClO₂ + О₂.

В условиях тропосферы фреоны инертны, так как плохо растворимы в воде и не горят.

В августе - сентябре 1987 г. прямые замеры, произведенные американскими исследователями с борта самолета У-2, выполнявшего полеты в нижней атмосфере из чилийского города Пунта-Аренас в глубь Антарктиды, выявили значимую корреляцию между содержаниями озона и оксида хлора в пределах озоновой дыры.

Благодаря средствам массовой информации ТФГ стала практически господствующей как в науке, так и в общественном сознании. В 1986 г. ООН в рамках про­граммы по окружающей среде провела встречу в Монреале. Страны-участницы подписали Монреальский протокол о резком снижении к 1989 году производства фреонов. Монреальский протокол подписали и Россия, Украина, Белоруссия, которые должны перепрофили­ровать свои предприятия на производство новых типов хладоносителей.

В октябре 1995 г. авторы ТФГ получили за эту работу Нобелевскую премию.

Вместе с тем после появления ТФГ появился ряд данных, заставляющих усомниться в ее основных посту­латах. К ним относятся:

1. Модельные расчеты, выполненные на основе ТФГ, с 1985 г. резко расходятся с фактическими данными о глобальной убыли озона (рис. 19).

2. Существуют исследования, указывающие на воз­можность разложения фреонов при контакте с неко­торыми видами почвы, кварцевыми песками. Таким образом, уязвимо базовое положение ТФГ о длитель­ности жизни и инертности фреонов в тропосфере.

3. Озоновая дыра наиболее проявлена в Антарктиде, в то время как максимальное потребление и производство фреонов сконцентрировано в средних широтах северного полушария. Сторонники ТФГ считают, что атмосфера за год перемешивается и концентрация веществ в ней выравнивается. Вместе с тем четко установлено существование резкого градиента в концентрациях метана в Северном и Южном полушариях, стабильного из года в год и связанного с потоком биогенного метана из болот умеренного пояса Северного полушария.

4. ТФГ не учитывает альтернативных источников фреонов, кроме техногенных. Однако в пузырьках воздуха внутри антарктического льда с возрастом 1100-2600 лет обнаружены фреоны, имеющие, несомненно, вулканическое происхождение. Повышенные концентра­ции фреонов зафиксированы над рядом вулканов Курильской островной дуги (влк. Тятя, Менделеева, Головина).

Кроме фреонов другим существенным источником природного хлора являются лесные пожары. Обра­зующийся при этом хлористый метил (СН₃С1) восхо­дящими потоками нагретого при пожаре воздуха способен достигать верхних частей атмосферы.

5. Поток природного метана в атмосфере (рис. 20, 21) на 3 порядка превосходит поток фреонов любой при­роды. В присутствии метана реакция взаимодействия хлора с озоном не идет. Таким образом, при подобных соотношениях СН₄ и С1 галоидный цикл как процесс планетарного масштаба невозможен.

В основе гипотезы водородно-метановой продувки озонового слоя лежит положение о взаимодействии эндогенных флюидов (водород, метан, азот) со стратосферном озоном. Гипотеза сформулирована российским ученым-геологом В.Л. Сывороткиным в 1990-1996 гг. и поддержана академиком РАН А.А. Маракушевым [12].

Как было показано, наиболее активными в процессе разрушения озона являются водородный и азотный циклы. Поэтому с точки зрения химии процесса гипотеза не является оригинальной. Ее основные принципиально новые положения сводятся к следующему:

1. Решающую роль в разложении озонового слоя играют эндогенные газы (флюиды). Потоки эндогенных газов обусловлены процессами дегазации внешнего ядра Земли, насыщающегося флюидами в обстановке высокого водно-водородного давления на ранних этапах существования планеты (рис. 22).

Существование газовых потоков водорода, метана, азота с примесью гелия и углеводородов подтверждается результатами исследований в глубоких скважинах и шахтах, составом газово-жидких включений минералов в интрузивных горных породах, базальтовых лавах, фумаролах и гидротермах. Так, в Калифорнийском заливе и на Восточно-Тихоокеанском поднятии между 20 и 35° ю.ш. обнаружены водородные струи. Гидротермы с газами существенно водородного состава выявлены в Центральном грабене Исландии, на дне Красного моря, в желобе Тонга. Эндогенные флюидные потоки установлены в кимберлитовых трубках Удачная, Юбилейная, Айхал, Мир. В трубке Удачная дебит газовой струи достигает 1150 л/с, причем в ее составе на долю водо рода приходится 56 %, метана - 44 %. Выбросы метановых потоков связаны также с местами нарушения газогидратного слоя (например, "Охотоморский мета­новый факел" у подножия вулкана Алаид - остров Атласова в зоне Парамуширского поперечного разлома (рис. 25).

Главными каналами дегазации, через которые рас­творенные во внешнем ядре газы выходят на дневную и морскую поверхность, являются грандиозные расколы литосферы - рифтовые зоны, максимально сближаю­щиеся вокруг Антарктиды. Таким образом, атмосфера над Антарктидой подвержена максимальной продувке озоноразрушающими газами.

Часть озоновых дыр возникает над базальтовыми щитовыми вулканами, для которых характерно обра­зование лавовых озер, флюидная продувка которых приводит к появлению "волос Пеле". Этот редкий феномен обнаружен на Гавайях (вулкан Килауэа), в Антарктиде (вулкан Эребус), в Восточной Африке (Нирагонго), возле Красного моря (вулкан Эрта-Але), на Азорских островах (вулкан Капельиниш). Все из пе­речисленных районов совпадают с районами появления озоновых дыр. Необходимо подчеркнуть, что крупнейшая научно-исследовательская станция в Антарктиде Мак-Мердо, где проводится изучение Антарктической озоновой дыры расположена у подножия вулкана Эребус - крупнейшего вулкана Земли, для которого вулканологами отмечается явление газово-водородной продувки.

Общий объем эндогенных газов многократно превышает объем антропогенных озоноразрушающих соединений, в связи с чем связь глобальных трендов в содержании озона с производством фреонов пред­ставляется сомнительной. В ТФГ трудноразрешимой проблемой является транспортировка фреонов на стратосферные высоты. Фреоны тяжелее воздуха, в то время как водород в 14 раз, а метан в 1,8 раза легче воздуха. Вулканические извержения, способные вы­брасывать свои продукты, в том числе и газы, на многокилометровые высоты, разрешают это проти­воречие.

Из всего изложенного выше вытекает общий вывод, что формирование и разрушение озонового слоя представляет многофакторный процесс. Изменение любого из параметров оказывает влияние на общее содержание и локальные концентрации озона. Попытка абсолютизации какого-то одного фактора в рамках изложенных гипотез явно обречена на неудачу.

Дата добавления: 2015-06-28