Концепции современного естествознания

Раздел: Учебники

Атмосфера Земли содержит одно- и двухатомные молекулы кислорода О и О₂ и еще один аллотроп – озон О₃ . Озон – светло-синий газ с характерным запахом – образуется в атмосфере при ультрафиолетовом облучении и грозовых разрядах. Он сконцентрирован в основном над тропосферой, в атмосфере и наблюдается от поверхности Земли до высот 80– 90 км. Воздух в стратосфере – безоблачной, сухой, холодной области – перемешивается очень медленно по вертикали и относительно быстро по горизонтали. Поэтому опасные вещества, однажды попавшие в стратосферу, остаются в ней на долгие годы и легко распространяются вокруг Земли, и тем самым загрязнение стратосферы приобретает глобальные масштабы.

Озон выполняет весьма важную роль естественного фильтра, поглощающего губительное для всего живого коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца. Концентрация озона сравнительно небольшая. Если собрать озоновый слой в окружающую земной шар тонкую оболочку при нормальном атмосферном давлении, то толщина ее составит всего около 3 мм. Распределение озона в атмосфере зависит от сезона, активности Солнца, широты места, техногенного воздействия и т. п. Локальные распределения озона могут отличаться на порядок.

Разрушение озона осуществляется в результате цепной реакции, в которой одна примесная молекула может разрушить много тысяч молекул озона прежде, чем попадет в более плотные слои атмосферы и достигнет поверхности Земли вместе с осадками.

Сравнительно недавно схема образования озона в средних слоях атмосферы сводилось всего лишь к четырем химическим и фотохимическим реакциям с участием только кислородных одно- и многоатомных частиц (О, О₂ и О₃). К настоящему времени известно, что для описания динамического состояния стратосферы необходимо учесть не менее 150 химических реакций. Химический процесс начинается с поглощения молекулами кислорода О₃ ультрафиолетового излучения. При таком поглощении разрываются химические связи, образуется озон О₃ и атомы кислорода. При попадании моноксида азота NО в атмосферу начинается цепная реакция. Моноксид азота реагирует с озоном. Образуется диоксид азота NО₂, который вступает в реакцию с атомами кислорода, регенерируя NО. Данные две реакции составляют по существу настоящий каталитический цикл, в котором NО и NО₂ играют роль катализаторов. В таком цикле исчезают один атом кислорода и одна молекула озона, а соединения азота – NО и NО₂ – полностью восстанавливаются (рис. 10.4). Предполагается, что рассмотренный каталитический цикл с участием оксидов азота – главный механизм разрушения озона, в результате которого возникают озоновые дыры.

Существуют два основных вида источников оксида азота в стратосфере. Первый из них – естественный – обусловливается бактериями: в природе оксиды азота образуются в основном в виде N₃O при жизнедеятельности почвенных и морских бактерий. Такое относительно инертное соединение медленно поднимается в атмосфере, где в результате поглощения ультрафиолетового излучения образуются оксиды азота NО и NO₂. Второй источник – различного рода газы искусственного происхождения, а также газы, образовавшиеся при ядерных взрывах.

С деятельностью человека связан еще один существенный источник загрязнения стратосферы – галогенпроизводные углерода CFCl₃ и CF₂Cl₃ (хлорфторметаны), широко применяемые в качестве хладагентов и аэрозольных наполнителей. Данные соединения химически инертны, и какие-либо вредные воздействия их на живые организмы пока не обнаружены. Однако вследствие той же инертности они легко поднимаются вверх, достигая стратосферы, где возможен фотолиз под действием ультрафиолетового излучения. Хлорсодержащие продукты фотолиза Сl и СlО могут породить свой каталитический цикл, разрушающий озон подобно оксидам азота (рис. 10.5).

Предполагается, что данный каталитический цикл включает не две как это считалось раньше, а около 40 реакций с участием Сl, СlО, НСl, НОСl, HClNO₂, и многих других соединений хлора. Большинство подобного рода реакций никогда ранее не изучалось в лаборатории. Только в последние десятилетия благодаря применению современных экспериментальных методов и технических средств появилась реальная возможность получать в лабораторных условиях многие реакционноспособные химические соединения и определять скорость их взаимодействия с многочисленными компонентами атмосферы.

Современные методы исследований аналитической химии, разработанные для обнаружения чрезвычайно малых количеств реакционноспособных молекул в лабораторных условиях, применяются для определения в естественной стратосфере таких веществ как О, ОН, С1 и С1О, концентрация которых составляет около триллионных долей. В то же время в результате исследования многих фотохимических и химических процессов, а также измерений концентрации многих примесей в стратосфере пока не обнаружены два вида соединений хлора: НОСl и ClONO₂ принимающих участие в каталитическом цикле разрушения озона хлорфторметаном.

Ученые-естествоиспытатели своевременно подготовили необходимую и научно обоснованную базу для законодательных актов, ограничивающих применение хлорфторметанов. Для их замены в холодильных камерах, кондиционерах воздуха и т. п. химическая промышленность синтезирует вещества, которые легко разрушаются и не наносят вреда окружающей среде. Последовательное рациональное решение проблемы сохранения озонового слоя – один из характерных примеров научного подхода в анализе реального состояния атмосферы и поиске путей предотвращения потенциальной угрозы окружающей среде без введения необдуманных запретительных мер.