Спасут ли русские озон?

О том, что биологи спасают вымирающие виды животных и растений, экологи – меняющиеся ландшафты, лингвисты – исчезающие языки, многие наверняка знают. Но о необходимости спасения химического вещества, точнее о поддержании его в определенных зонах планеты в нужной концентрации заговорили сравнительно недавно. Проблема эта необычна, имеет мировое, глобальное значение и, похоже, становится все более острой.

Проблеме озона посвящена обширная научная, популярная и учебная литература, однако название предлагаемой статьи навеяно совсем небольшой публикацией «Заштопают ли русские космонавты озоновую дыру?..» в экологическом бюллетене «Зеленый листок» (1999, № 6). Часть материала статьи заимствована из этого бюллетеня, выпускаемого издательством «Радон-пресс».

Озон в природе. Озон – трехатомный кислород – газ довольно редкого интенсивного синего цвета; при низких температурах (–112 °С) превращается в темно-синюю жидкость, а при еще более глубоком охлаждении образует темно-фиолетовые кристаллы. Своим голубым цветом атмосфера Земли отчасти обязана озону.

Известно, что основная часть природного озона сосредоточена в стратосфере на высоте от 15 до 50 км над поверхностью Земли. Больше всего озона в пятикилометровом слое (20–25 км), который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако общее его количество в стратосфере достигает очень внушительной цифры – более 3 млрд т.

Как возник озоновый слой? Образование озона из обычного двухатомного кислорода требует довольно большой энергии – почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция – взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:

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.

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. Уменьшение концентрации стратосферного озона всего на 1% приводит к тяжелым последствиям:

• возрастает число онкологических заболеваний кожи у людей и животных;
• растет число заболеваний в связи с подавлением иммунной системы человека;
• замедляется рост наземных растений;
• снижается скорость роста фитопланктона;
• начинается вымирание животных, морских и океанских подводных форм жизни из-за уменьшения количества растительной пищи.

Поглощение солнечного света важно и для поддержания теплового равновесия планеты. При разложении озона выделяется тепло, которое повышает температуру стратосферы, создает своего рода «одеяло» вокруг Земли.

Озоновая дыра. 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.

Почему пропадает озон? «Естественное» расходование озона происходит при поглощении им ультрафиолетового излучения, а также при протекании некоторых реакций, например:

О₃ + О = 2О₂,

О₃ + NО = NO₂ + O₂.

Однако к этим процессам во второй половине ХХ в. постепенно стали добавляться и другие. 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. 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.

Главным образом из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.

Венская конвенция. Когда все это было осознано, представители разных стран мира собрались в Вене (1985) и подписали Венскую конвенцию об охране озонового слоя. 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: требуются десятилетия, прежде чем при полном прекращении поступления фреонов в атмосферу он начнет возвращаться в свое естественное состояние.

Новые пути решения проблемы. 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.

Иной путь предлагает российский консорциум «Интерозон»: производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой «Даза» планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода.

Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции «Мир» и создать на высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта.

У этого проекта был предшественник – американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для «звездных войн».

Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете.