Химизм процесса разрушения озонового слоя

Азотный фотохимический механизм:

Азот образованный в мезосфере под влиянием УФИ и реагирует с О₃

O3 + NO =NO2 +O2,	(1)
NO2 + O =NO + O2.	(2)

Хлорный механизм:

Cl + O3 → ClO + O2,	(3)
ClO + O → Cl + O2.	(4)

Хлорный цикл – разрушитель О₃в средних и высоких широтах. При этом 80 % Cl был образован человеком.

В 1973 г. М. Молина и Ш. Роуленд показали, что большую роль в разрушении озона играют хлорфторуглеводороды (ХФУ) или фреоны, которые использовались в холодильных установках. Попадая в стратосферу, фреоны под действием солнечного УФИ разрушаются таким образом: отрывается один атом хлора, оставшиеся радикалы легко окисляются, давая молекулу окиси хлора и новый (устойчивый) радикал. Таким образом, в результате диссоциации молекулы фреона образуются две активные хлорсодержащие частицы (атом Cl и молекула ClO), которые включаются в каталитический цикл разрушения озона.

Опасность ХФУ усугубляет продолжительность их жизни в стратосфере. В зависимости от типа ХФУ она оценивается в от 80 до 170 лет.

Рост производства фреонов во второй половине XX-го века шел огромными темпами. Так, с 1950 по 1980 выброс основных фреонов вырос F-11 примерно в 300 раз, а F-12 – более чем в 10 раз.

Фреоны не единственный источник антропогенного хлора в атмосфере. К ним, прежде всего, относятся четыреххлористый углерод CCl₄ и дихлорэтан CH₂Cl – CH₂Cl. Эти вещества являются промежуточными соединениями при многих важных химических процесса, и их поступление в атмосферу связано в основном с технологическими потерями. Их вклад в загрязнение атмосферы значительно уступает вкладу фреонов.

Основные озоноразрушающие вещества.

1) Хлорфторуглероды (ХФУ).

Он считается самым широко используемым озоноразрушающим веществом, поскольку он приписывает более 80% общего разрушения озона. Он использовался в качестве охлаждающей жидкости в бытовых приборах, таких как морозильники, холодильники и кондиционеры, как в зданиях, так и в автомобилях, которые были изготовлены до 1995 года. Это вещество обычно содержится в сухих чистящих средствах, стационарных стерилизаторах и промышленных растворителях. Вещество также используется в пенных изделиях, таких как матрасы и подушки и домашняя изоляция.

2) Гидрофторуглероды (ГХФУ).

На протяжении многих лет гидрофторуглероды служили вместо хлорфторуглеродов. Они не так вредны, как ХФУ для озонового слоя.

3) Галоны.

Он особенно используется в отдельных огнетушителях в сценариях, где оборудование или материал могут быть опустошены химическими веществами с водой или огнетушителем.

4) Тетрахлорид углерода.

Также используется в отдельных огнетушителях и растворителях.

5) Метилхлороформ.

Обычно используется в промышленности для холодной очистки, обезжиривания паром, химической обработки, адгезивов и некоторых аэрозолей.

 

Запуск ракет в космос

На озонный слой влияют продукты сгорания РН. Они не соизмеримы с промышленными выбросами, но они выбрасываются ракетами-носителями в широком диапазоне в разных высотах атмосферы. При полете любого РН в озонном слое возникает «окно», которое со временем затягивается. Размеры таких «окон» возрастают, если в составе РН используются ракетные двигатели на твердом топливе. Кроме аналогичного образования окиси азота (из воздуха), в их реактивных струях содержится большое количество хлористого водорода, который отнесен Венской конвенцией об охране озонного слоя (март 1985 г.) к особо активным озоноразрушающим веществам. Каждый атом хлора разлагает в тысячи раз больше молекул озона, чем одна молекула окиси азота. Поэтому с экологической точки зрения для реализации больших грузопотоков в космос целесообразно использовать ракеты-носители на базе жидкостных ракетных двигателей типа РН «Энергия», «Зенит», «Атлас-Центавр».

Эволюция следа РН происходит под влиянием атмосферной циркуляции и химических реакций между продуктами сгорания и воздухом. Количественно оценить изменения в озонном слое под воздействием ракетных выбросов можно с помощью разработанных фотохимических моделей, достаточно подробно описывающих весь сложный комплекс фотохимических превращений в тропосфере и стратосфере. При этом необходимо знать состав и количество продуктов сгорания, выбрасываемых ракетой по высоте траектории ее полета.

Модель разрушения озонового слоя при одиночном пуске РН (ракеты-носителя) «Энергия» можно представить следующим образом. В следе ракеты диаметром несколько сотен метров озон разрушается полностью на всех высотах практически мгновенно, Под влиянием макротурбулентной диффузии выброшенные вещества перемешиваются: в столбе диаметром несколько километров за несколько часов. Содержание озона в этом столбе на высотах 16-24 километров уменьшается на 15-20% через 2 часа, а затем происходит восстановление озона. Облако ракетных выбросов в атмосфере через неделю достигает нескольких сотен километров. Максимальное разрушение озона в облаке происходит на высотах 24-30 километров примерно через 24 дня после прохождения РН. Одновременно в тропосфере и ионосфере происходит образование озона. С учетом компенсирующего положительного эффекта общее содержание озона в районе пуска РН «Энергия» (в пределах вертикального столба диаметром 550 километров) снизится через 24 дня на 1,7% или в массовом отношении уменьшится на 27 тысяч тонн.

При запусках РН «Энергия» состав атмосферы под действием циркуляции воздушных масс переходит в новое равновесное состояние через 11 лет. Наибольший дефицит озона в атмосфере (0,4 - 0,6%) отмечается к северу от 40° северной широты. При еженедельных пусках РН «Энергия», что может потребоваться в перспективе при решении, например, такой крупномасштабной задачи, как развертывание на орбите солнечной электростанции, общие потери озона еще более возрастут. Необходимы специальные исследования по уточнению этих оценок и определению предельно допустимой интенсивности пусков РН различной грузоподъемности с точки зрения сохранения равновесного состояния озонного слоя Земли.