О2 + О=О3.
Атомарный кислород - еще более насыщенное энергией вещество - образуется при электрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере появляется под действием постоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения Солнца:
Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием, поэтому усредненная концентрация озона в течение длительного времени оставалась постоянной. Процесс образования и разложение озона называют циклом Чемпена. Результатом процессов в цикле является переход солнечной энергии в теплоту. Озоновый цикл ответственен за повышение температуры на высоте 15 км.
Защитная роль озонового слоя. Озон поглощает часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200-300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.
В химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH- радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона:
O3+h=O2+O
O+H2O=OH+OH
В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:
NO2+ h (L<400нм) =NO+O
O+O2=O3
О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении:
O3+NO=NO2+O2
O3+NO2=NO3+O2
В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды:
Н2 О+h=H+OH
H2O+O=2OH
Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения
HNO2, HNO3, H2O2
HNO2+h (L<400нм) =NO+OH
HNO3+h (L<330нм) =NO2+OH
H2O2+h (L<330нм) =2OH
В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:
RH+OH=HOH+R
R+O2=RO2
RO2+HOH=ROOH+OH
Наиболее типичным и основным по массе органическим загрязнителем атмосферы является CH4. Окисление CH4 под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:
ОН+СН4=Н2О +СН3
СН3+О2=СН3 О2
СН3 О2+NО=СН3 О+NО2
СН3 О+О2=СН2 О+НО2
В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде:
СН4+4О2=СН2 О+Н2 О+2О3
т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О3, а рост утечки СН4 многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О3 по сравнению с переносом О3 из стратосферы.
Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.
Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.
ОН+СН2 О=Н2 О+НСО
НСО+О2=НО2+СО
Летом и весной концентрация озона повышается; над полярными областями она всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980-х гг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получило название "озоновая дыра" (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не было) и стало внимательно исследоваться.
Позднее, в 1990-е гг., такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. Феномен Антарктической “озоновой дыры” пока не понятен: то ли “дыра" возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс.
Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что причина нежелательного явления - реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны - хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора.
Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (в России их поэтому называют "хладонами"), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные - для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т.
Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным "нарушителем порядка" в озоновом слое.
CF2Cl2=CF2Cl+Cl
Последующие реакции CF2Cl с О2 и hприводят к отщеплению второго атома хлора.
Хлор "съедает" и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:
О3 + Сl = О2 + ClO
СlO + O = Cl + O2
Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.
Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.
Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ.
| Разрушающий потенциал (усл. ед) | Продолжительность жизни (лет) | |
| CFCl 1 | 1.0 | 75 |
| CFCl 2 | 1.0 | 111 |
| CFCl 3 | 0.8 | 90 |
| CCl 4 | 1.0 | 185 |
| C2FCl 5 | 0.6 | 380 |
| HCFCl 2 | 0.05 | 20 |
| Метилхлороформ | 0.10 | 6.5 |
| Четырехлористый углерод | 1.06 | 50 |
Венская конвенция. В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.
Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:
разрушение озонового слоя окисями азота - соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету;
О3+NО NО3+О2
воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон;
разрушение озона соединениями хлора.
В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.
Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии:
Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды:
2NО+О2 = 2NО2
О2+NО2 = NО3+О2
NО3+NО2 = N2 О5
N2 О5+Н2 О = 2НNО3
Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N2+О2 2NО
Источником NО в стратосфере служит также газ N2 О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения:
N2 О+h (230нм) = N2+О
N2O+O= 2NO
Разрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям:
N2 О+h (250нм) = N2+О
N2O+O= N2+O2
Чтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся.
Также мы - все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги.
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.