научная статья по теме ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ: НОВЫЙ ВЗГЛЯД Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ: НОВЫЙ ВЗГЛЯД»

Науки о Земле

Озоновые дыры: новый взгляд

Ю.Е. БЕЛИКОВ,

доктор физико-математических наук С.Ш. НИКОЛАЙШВИЛИ

Институт прикладной геофизики им. Е.К. Фёдорова

Анализ экспериментов в Арктике и Антарктике позволяет сделать вывод о том, что молекулы озона в полярной стратосфере разрушаются при столкновении с заряженными частицами, в основном с ионами, а не в результате химических реакций с участием хлорных соединений. Источник заряженных частиц в полярной стратосфере - космические лучи. Ионизация атмосферных газов усиливается в высоких широтах. Ионы "прилипают"к частицам полярных стратосферных облаков и затем накапливаются на их верхней и нижней границе в результате функционированиягло-

бальной электрической цепи (слабых токов, текущих вертикально в атмосфере). В полярном вихре озон опускается вместе с воздухом в область с повышенным содержанием заряженных частиц, что

ускоряет процессы разрушения молекул озона и приводит к появлению над полярными регионами Земли областей пониженного (по сравнению с нормой) содержания озона -озоновых дыр.

© Беликов Ю.Е., Николайшвили С.Ш. 27

ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ И МОНРЕАЛЬСКИЙ ПРОТОКОЛ

В атмосфере нашей планеты озон (О3) присутствует в виде одной из малых атмосферных составляющих на высотах от поверхности Земли до 90 км. Но основная масса озона сосредоточена на высоте 15-30 км, и поэтому, когда говорят об озоновом слое, подразумевают, что он находится в этом диапазоне высот. Как и полагается малой составляющей, содержание озона не превышает миллионных долей общего числа молекул воздуха. Несмотря на столь мизерное количество, озон играет важную роль в сохранении жизни на Земле. Он поглощает биологически активный ультрафиолет, защищая от его губитель-

28

ного воздействия живые организмы. Образование озоновых дыр площадью десятки миллионов квадратных километров встревожило все человечество. Отметим, что озоновые дыры возникают в основном весной в Антарктике, в Арктике до недавнего времени наблюдались только мини-дыры. Весной 2011 г. в Арктике впервые сформировалась озоновая дыра, сопоставимая с антарктической.

Весной 1984 г. над антарктической станцией Халли-Бей английские ученые во главе с Д. Фар-маном впервые обнаружили озоновую дыру. Об этом открытии исследователи сообщили в статье, опубликованной в 1985 г. в журнале "Нэй-чер" (Природа). Для объяснения этого феномена

Озоновая дыра над Арктикой 19марта 2011 г. и Антарктикой 4 октября 2008 г. По данным NASA.

был выдвинут ряд гипотез. Дискуссии продолжались, пока в 1987 г. в самолетных экспериментах над Антарктикой внутри полярного вихря не было найдено повышенное содержание окиси хлора (ClO). Оказалось, что высоким концентрациям CIO соответствуют низкие концентрации О3 и наоборот, при низких концентрациях CIO наблюдаются высокие концентрации O3 (такое соответствие измеряемых величин называется антикорреляцией). Это стало главным аргументом в пользу антропогенной

хлорной (галогеновой) теории, сегодня общепринятой, несмотря на возражения склонявшихся к альтернативным гипотезам ученых.

Признание хлорной теории привело к подписанию Монреальского протокола в 1987 г., его исполнение резко снизило выбросы хлора в атмосферу. Тем не менее впоследствии некоторые специалисты выдвигали возражения против хлорной теории. Самые серьезные сомнения возникли после мощного извержения вулкана Пи-натубо на Филиппинах в 1991 г., когда снизилось содержание О3 в средних и тропических широтах. В данном районе Земли окиси хлора в стратосфере относительно немного по сравнению с полярными областями, зато много серных окислов. Высказывалось мнение, что именно они способствовали разрушению озона. Кроме того, вызвали дискуссии в научном сообществе результаты измерений сечения поглощения излучения молекулой С1202 в некоторых экспериментах. Из них следовало, что это поглощение слишком слабое для формирования озоновой дыры, которая образуется при участии рассматриваемой молекулы. Другие противоречия, связанные с хлорной теорией, будут рассмотрены ниже.

ХЛОРНАЯ ТЕОРИЯ

Согласно современным представлениям, для молекулы озона опасен только атом хлора. Взаимодействие молекул О3 и С1 приводит к разрушению озона и образованию окиси хлора и кислорода. Мы будем рассматривать только атомы хлора, так как роль других галогенов второстепенна. В полярной стратосфере хлор содержится в основном в виде двух газовых соединений: паров соляной кислоты (НС1) и нитрата хлора (СЮЫ02), но не молекул фторхлоруглеро-дов, запрещенных Монреальским протоколом. Дело в том, что фтор-хлоруглероды попадают в полярную стратосферу из верхних слоев атмосферы, где их частично разрушает жесткое ультрафиолетовое излучение и после ряда химических реакций образуются С10Ы02 и НС1.

Не останавливаясь подробно на вопросах циркуляции атмосферы, отметим, что фторхлор-углероды поднимаются в ее верхние слои нагретым воздухом в тропических и умеренных широтах. Достигнув полярных широт в результате горизонтального переноса, они опускаются с холодным воздухом. Внутри полярного вихря, существующего, как правило, в зимне-весенний период, вертикальная скорость

фторхлоруглеродов увеличивается. Именно тогда и возможен перенос хлорсодержащих соединений до высоты максимума концентрации озона.

Как же происходит извлечение атомов хлора из безопасных для озона соединений соляной кислоты и нитрата хлора? Здесь ключевую роль играют полярные стратосферные облака (ПСО), образующиеся зимой на высотах 15-22 км и исчезающие к началу лета при сезонном росте температуры. ПСО могут состоять из капелек воды с примесью азотной кислоты и из ледяных кристаллов. Лабораторные исследования выявили главный источник хлора, это химическая реакция НС1 + ClONO2 c участием частиц ПСО, но в газовой форме она идет очень слабо. В результате этой реакции на поверхности частиц ПСО осаждается азотная кислота (HNO3) в твердом или жидком состоянии и образуется газ Cl2. Под действием солнечного излучения молекулы Cl2 распадаются на атомы, они окисляются озоном и превращаются в окись хлора, которая в небольших количествах безвредна для озона. Мы имеем в виду, что отдельная молекула CIO практически не реагирует с озоном.

Если молекул CIO накопилось достаточ-

29

но много, то в результате цепочки реакций CIO + CIO + М ^ Cl2O2 + + М; CI2O2 + hv ^ Cl2 + + CIO2 ^ 2CI + O2 образуются атомы хлора CI (М -молекула воздуха, hv -солнечное излучение). Реакция атомов хлора с O3 приводит к уничтожению молекул озона и образованию окиси хлора: 2CI + 2O3 ^ 2CIO + 2O2. A дальше все повторяется: молекулы CIO соединяются между собой, и мы получаем каталитический димерный цикл -главного виновника возникновения озоновой дыры. В одном цикле две молекулы О3 превращаются в три молекулы кислорода. За месяц один атом хлора может уничтожить до тысячи и более молекул O3. Отметим, что для разложения димера CI2O2 требуется солнечное излучение, поэтому считается, что озоновые дыры формируются только весной при достаточном солнечном освещении.

НЕКОТОРЫЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ

Весной 2011 г. впервые в Северном полушарии неожиданно образовалась озоновая дыра, сопоставимая с регулярно возникающей в Южном полушарии. Данное событие произошло на фоне общего постепенного восстановления озона в атмосфере Земли и уменьшения ряда хлор-

30

фторуглеродов. С точки зрения хлорной теории трудно объяснить, почему такие события не возникали раньше, когда хлорных соединений в атмосфере было больше. Многочисленные измерения О3 и других малых составляющих в стратосфере, выполненные по программам ААОЕ, SOLVE, EUPLEX и другим, дают возможность проверить основные положения хлорной теории и разрешить сомнения.

Небольшие расхождения хлорной теории с данными измерений мы нашли при анализе баланса хлорных соединений в полярной стратосфере, которые и привели нас в конечном итоге к новому взгляду на причины появления озоновых дыр. Анализ известных самолетных и спутниковых измерений в полярной стратосфере показывает, что в весеннее время в Антарктике, а часто и в Арктике весь хлор полностью высвобождается из хлорных резервуаров HCI и CIONO2. Исходя из хлорной теории полное взаимоуничтожение этих резервуаров с высвобождением хлора возможно при условии их равного количества. Однако по данным экспериментов соотношение количества HCI и CIONO2 могут различаться в несколько раз. Согласно нашей гипотезе, разрушение HCI и CIONO2 происходит независимо друг от друга на поверхности заряжен-

ных частиц, поэтому нет избытка молекул одного из соединений. Еще одно противоречие заключается в том, что при разрушении рассматриваемых хлорных резервуаров образуются молекулы CIO и CI2O2. Эти молекулы в большом количестве наблюдаются и в ночной стратосфере, где, согласно хлорной теории, должны образовываться и накапливаться другие молекулы, а именно CI2, которые ночью не разрушаются солнечным светом.

Реакция взаимодействия HCI и CIONO2 идет с участием ПСО, где большая концентрация частиц. На верхней границе облака ее скорость возрастает, что парадоксально. Внутри ПСО с большой площадью поверхности капель реакция HCI + CIONO2 на их поверхности идет крайне медленно. В то же время на верхней границе облаков, где капель ПСО практически нет, реакция идет гораздо быстрее, высвобождая из хлорных резервуаров больше окиси хлора. Эксперименты обнаруживают на верхней границе ПСО наибольшее количество заряженных частиц (ионов и аэрозолей), при том что общее число аэрозольных частиц в этой области невелико. Оказывается, в реакциях высвобождения хлора участвуют не просто частицы ПСО, а заряженные частицы и

ионы.Рассмотрим,какую же роль играют заряженные частицы в полярной стратосфере.

РОЛЬ ИОНОВ И ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

Энергию молекулы с дипольным моментом р на поверхности сферической частицы радиусом г0, с зарядом р, можно выразить как W = = рр/г0. Такую энергию могут использовать молекулы в реакциях на поверхности. При небольшом отношении заряда к квадрату радиуса частицы увеличение скорости реакций на ее поверхности по сравнению со скоростью реакций в объеме невелико. Предельно или максимально заряженные твердые частицы обладают наибольшим о

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»