ХЛОРФТОРУГЛЕВОДОРОДАМИ (ХВУ)
В 1985 г. специалистами по исследованию атмосферы из
Британской Антарктической Службы был представлен шоки-
рующий факт: весеннее содержание озона в атмосфере над
станцией Халли-ВеЙ с Антарктиде за период с 1977 по 1984 г.
снизилось на 40%. Другие исследователя не замедлили под-
твердить эти выводы. Они даже пошли дальше. Им удалось
доказать, что область пониженного содержания озспа BLJXO-
дит за пределы Антарктиды, а по высоте охватывает слой от
12 до 24 км, т. е. значительную часть нижней стратосферы.
Самолетный антарктический озонный эксперимент стал наи-
более внимательным исследованием озонного слоя над Ан-
тарктидой. На протяжении всего времени его проведения уче-
ными из 4 стран были собраны детальные сведения об области
пониженного содержания озона и о проходящих в ней хими-
ческих процессах. Для этого исследователям пришлась не-
сколько ргз подниматься в эту область. Этим был доказан тот
факт, что в полярной атмосфера существует озонная «дыра».
В самом начале SO-х гг. подобная дыра была найдена над Арк-
тикой благодаря измерениям спутника «Нимбу с-7». Утешал
лишь тот факт, что она была значительно меньше, к тому же
падение уровня озона в ней было не так велико — около 9%.
По подсчетам ученых, в среднем содержание озона на Земле с
1979 по 1990 гг. упало на 5%.
Это открытие обескуражило не только исследователей,
но и широкие массы населения. Из него явственно следовало,
что тот слой озона, который окружает нашу планету, находит-
ся с большей опасности, чем предполагалось ранее.
Утончение этого слоя может привести к серьезным по-
следствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере
менее 0,0001%, однако именно озон полностью поглощает же-
сткое ультрафиолетовое излучение солнца с длиной волны
1<280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б с 280<1<315 нм,
наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов.
Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к уве-
личению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхно-
сти земли на 2%. Эта оценка подтверждается измерениями,
проведенными и Антарктиде (правда, из-за низкого положе-
ния солнца, интенсивность ультрафиолета в Антарктиде все
еще ниже, чем в средних широтах). По своему воздействию на
живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизиру-
ющим излучениям, однако из-за большей, чем у у-излучения,
длины полны он нс способен проникать глубоко в ткани, н
поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий
ультрафиолет обладает достаточной энергией для разруше-
ния ДНК и других органических молекул, что может вызвать
рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную
меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Естествен-
но, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожо-
ги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметен рост
числа заболевания раком кожи, однако значительное количе-
ство других факторов (например, возросшая популярность
загара, приводящая к тому, что люди больше времени прово-
дя? на солнце, получая таким образом большую дозу УФ об-
лучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом
повинно уменьшение содержания озона. Жесткий ультрафио-.
лет плохо поглощается водой и поэтому представляет боль-
шую опасность для морских экосистем. Эксперименты пока-
зали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при
увеличении интенсивности жесткого УФ может серьезно по-
страдать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в
основании пищевых цепочек практически всех морских эко-
систем, поэтому без преувеличения можно сказать, что прак-
тически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океа-
нов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жест-
кому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они.
Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится,
человечество легко найдет способ защититься от жесткого
УФ излучения, но при этом рискует умереть от голода.
Запишем образование озона с помощью уравнения:
О2+О-Ю3
Атомарный кислород, который необходим для этой ре-
акции, на высоте более 20 км. образуется путем расщепления
406 Биология
кислорода благодари воздействию ультрафиолетового излу-
чения с 1<240 нм.
Фотоны ниже этого уровня практически не проникают.
Таким образом возникают атомы кислорода благодаря фото-
диссоциации двуокиси азота, фотонами мягкого ультрафиоле-
та с 1<400 нм.
NO3+h-»NO+O
Молекул г-.г озона начинают разрушаться, когда они попа-
дают на частицы аэрозолей или на поверхность земли, но ос-
новной стик озона определяют циклы каталитических реак-
ций в газовой фазе:
YO+Q->Y+O3.
где Y=NO, ОН, Cl, Вг.
Еще в конце 1960-х годов были впервые высказана мысль
о том, что существует опасность разрушения озонного слоя.
Тогда считалось, что главную опасность-для атмосферного
озона представляют выбросы водяного пара и оксидов азота
(NOx) из двигателей сверхзвуковых транспортных самоле-
тов и ракет. Следует однако заметить, что сверхзвуковая авиа-
ция шла вперед знач ительно менее бурными темпами, чем пред-
полагалось. На данном этапе в коммерческих целях применя-
ется только «Конкорд*, который совершает псего лишь не-
сколько рейсов в неделю, летая между Америкой и Европой.
Военные самолеты представлены исключительно сверхзвуко-
выми стратегическими бомбардировщиками, такими как В1-В
или Ту-160, и разведывательными самолетами типа SR-71.
Подсчитано, что это не может представлять серьезной опасно-
сти для озонного слоя.
Выбросы оксидов азота с поверхности земли как резуль-
тат сжигания ископаемого топлива и массового производства
н применения азотных удобрений также предполагает опреде-
ленную опасность для озонного слоя. Следует добавить, что
оксиды азота не являются стойкими, поэтому достаточно лег-
ко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Ракеты сейчас
тоже запускают не часто. Однако хлоратные твердые топлива,
которые используются в современных космических системах,
например в твердотопливных ускорителях «Спейс-Шаттл» или
«Ариан», могут причинять серьезный локальный ущерб озон-
. ному слою D районе запуска.
В 1974 г. М. Молима и Ф. Роуленд из Калифорнийского
университета в Ирвине доказали, что хлорфторуглероды
(ХФУ) могут вызывать разрушение озона, С этого времени
так называемая хлорфторуглеродная проблема стала одн"ой
из главнейших в изучении загрязнений атмосферы. Хлорфто-
руглероды уже более 60 лет применяются как хладагенты в
холодильниках и кондиционерах, пронеллеиты — для аэро-
зольных смесей, пено образующие агенты — в огнетушителях,
очистители для электронных приборов при химической чист-
ке одежды, при производстве пенопластиков. Было время,
когда их считали идеальными химическими веществами для
практического применения, потому что они неактивны и очень
стабильны, что подразумевает нетоксичность. Как это ни стран-
но, как раз их инертность становится опасной для атмосфер-
ного озона. В тропосфере ХФУ не могут быстро распадаться
подобно большей части окислов азота. В итоге ХФУ поПада-
ют в стратисферу, верхняя граница которой лежит На высоте
порядка 50 км. Когда же молекулы этих соединений поднима-
ются до высоты около 25 км, где концентрация озона наивыс-
шая, на них очень сильно воздействует ультрафиолетовое из-
лучение, которое не может опуститься ниже из-за экранирую-
щего действия озона. Ультрафиолет разрушает стабильные в
обычных условиях молекулы ХФУ, и они распадаются на ком-
поненты, обладающие высокой реакционной способностью, в
частности, атомный хлор. Благодаря этому ХФУ имеют воз-
можность переносить хлор с поверхности земли через тропо-
сферу и нижние слои атмосферы (где менее инертные соеди-
нения хлора разрушаются) в стратосферу, где находится наи-
большая концентрация озона. Следует заметить, что хлор при
разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе
химического процесса его количество не уменьшается. Из-за
этого выходит, что один атом хлора может разрушить до
100 000 молекул озона, прежде чем будет дезактивирован или
вернется в тропосферу.
На данный момент выброс ХФУ в атмосферу исчисляет-
ся миллионами тонн, однако если даже полнопью прекратить
производство и использование ХФУ, невозможно будет дос-
тичь немедленного положительного результата. Действие по-
павших в атмосферу ХФУ будет чувствоваться в течение не-
скольких десятилетий. Учеными подсчитано, что время дей-
ствия в атмосфере для самых распространенных ХФУ фреон-
11 (CFC13) и фреон-12 (CF2Cl2) составляет 75 и 100 лет соот-
ветственно.
Оксиды азота могут разрушить озон, хотя, тем не менее,
могут и реагировать с хлором. К примеру:
О3+С!-*С1О+О3
С1О+Ш->Шг+С1
NOa->NO+O
О2+0-Ю3
В результате такой реакции содержание озона не изменя-
ется. Гораздо более значительной будет другая реакция:
CIO+NO2->C1ONO2
Хлористый нитрозил, который образуется в результате
подобной реакции, в данном случае становится своеобразным
резервуаром хлора. Хлор, что в нем находится, становится
неактивным и не в состоянии вступать в реакцию с озоном. В
итоге подобная молскула-резерьуар поглощает фотон либо
вступает в реакцию с различными молекулами, чтобы высво-
бодить хлор. При этом ока даже может покинуть стратосферу.
Подсчеты подтверждают, что при отсутствии в стратосфере
оксидов азота озон разрушался бы намного £ ыстрее.
Вторым значимым резервуаром хлора б/цет хлористый
водород НС1, который образуется при реакции атомарного
хлора и метана СН"4
В результате таких страшных аргументом большая часть
стран решила принять меры, которые направлены на сокраще-
ние производства и использования ХФУ. Уже t 1978 г. в США
запретили использование ХФУ в аэрозолях. Однако в других
областях это ограничение не действовало. Б сентябре 1987 г.
23 ведущими странами мира была подписана в Монреале кон-
венция, которая обязывала их снизить потребление ХФУ. Со-
гласно достигнутой договоренности развитые страны должны
были к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня
1986 г. Для использования в качестве пропеллепта в аэрозолях
уже найден хороший заменитель ХФУ — пропан-бутановая
смесь. По физическим параметрам она практически не уступает
фреонам, однако, в отличие от них, огнеопасна.
И все же подобные аэрозоли массово npov зводятся мно-
гими странами. Это не обошло и Россию. Чуть напряженнее
обстановка с холодильными установками. Они являются вто-
рыми по величине потребителями фреонов. Беда о том, что
ЭКОЛОГИИ 407
из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту
испарения; и это является главным в холодильниках и конди-
ционерах. Самым оптимальным из известных на сегодня заме-
нителем фреонов является аммиак, однако он токсичен и к
тому же уступает ХФУ по физическим параметрам. Хорошие
результаты получены для полностью фторированных углево-
дородов. Многие страны начали разработки новых замените-
лей, и ими уже достигнуты обнадеживающие практические ре-
зультаты. Однако полностью эта проблема еще не решена.
Фреоны по-прежнему востребованы, поэтому еще рано
говорить о стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Суще-
ствуют данные сети Глобального мониторинга изменений кли-
мата. Они сообщают, что в фоновых условиях — на берегах
Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от
промышленных и густонаселенных районов — концентрация
фреонов равна 11 и 12, и в настоящее время растет со скоро-
стью 5—9% в год. И даже содержание в стратосфере фотохи-
мических активных соединений хлора на данный момент в 2—
3 раза выше, если сравнивать его с уровнем 50-х годов, до
массового запуска производства фреонов.
Современные ученые предполагают, что прогнозы отно-
сительно сильного уменьшения содержания озона в атмосфе-
ре при условии сохранения нынешнего уровня выброса ХФУ
были слишком пессимистичны. Следует учитывать, что озо-
новая дыра над Антарктидой по большей части является след-
ствием метеорологических процессов. Озон может образовы-
ваться исключительно при наличии ультрафиолета, которого
нет во время полярной ночи. Во время зимнего периода над
Антарктидой возникает устойчивый вихрь, который не дает
богатому озоном воздуху проникать до средних широт. Из-за
этого к началу весны даже маленькое количество активного
хлора может нанести глобальный ущерб озонному слою. Та-
кого вихря нет над Арктикой, благодаря чему в северном по-
лушарии нет такого глобального падения концентрации озо-
на. Многие исследователи придерживаются мнения, что на
процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стра-
тосферные облака. Эти облака опять же чаще наблюдаются
над Антарктидой» чем над Арктикой. Они образуются во вре-
мя зимнего периода в тот момент, когда при отсутствии сол-
нечного света и в условиях метеорологической изоляции Ан-
тарктиды температура в стратосфере падает ниже -80°С. Уче-
ные предполагают, что соединения азота конденсируются, за-
мерзают и остаются связанными с облачными частицами и
поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хло-
ром. Правдоподобным является и другое предположение:
облачные частицы способны катализировать распад озона и
резервуаров хлора. Это подтверждает тот факт, что ХФУ спо-
собны вызвать заметное понижение концентрации озона толь-
ко в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а
для заметного эффекта в средних широтах концентрация ак-
тивного хлора должна быть намного выше. К тому же во вре-
мя разрушения озонного слоя жесткий ультрафиолет начнет
проникать глубже в атмосферу. Это подтверждает, что обра-
зование озона будет происходить по-прежнему, но только не-
много ниже, в области с большим содержанием кислорода. Но
в таком случае озонный слой в.большей мере будет подвер-
жен воздействию атмосферной циркуляции.
Пусть мрачные первоначальные выводы на сегодняш-
ний момент пересмотрены, это не может означать, что пробле-
ма исчезла. Подтвердилось только то, что не существует не-
медленной опасности. Известно одно: при современном уров-
не выброса ХФУ в атмосферу возможны очень серьезные био-
сферные нарушения уже во второй половине XXI в, Вывод
неизбежен: необходимо сокращать использование ХФУ.
Человек постоянно воздействует па природу. Его воз-
действие постоянно увеличивается и уже на сегодняшний день
достигло такого уровня, когда биосфера может понести не-
поправимый ущерб. Уже не раз было, что те вещества, кото-
рые вроде бы казались совершенно безобидными, на самом
деле превращались в настоящую катастрофу. Еще лет двад-
цать назад никто не предполагал, чтр самый обыкновенный
аэрозольный баллончик является немалой опасностью для
нашей планеты. К большому сожалению, ученые не всегда
могут вовремя предсказать, насколько серьезно повлияет то
или иное соединение на биосферу. И все же в случае с ХФУ
это было возможно сделать, потому что те химические реак-
ции, с помощью которых описываются процессы разрушения
озона ХФУ, очень просты и всем давно известны. Однако и
после формулировки в 1974 г. проблемы ХФУ единственной
страной, которая предприняла хотя бы какие-то меры по со-
кращению производства этого вещества, стали США. Но и
эти меры были недостаточны. Нужна была более серьезная
демонстрация опасности ХФУ, чтобы в мировом масштабе мож-
но было принять меры. Тем не менее, даже после того, как
была обнаружена озоновая дыра, ратифицирование Монре-
альской конвенции одно время находилось под угрозой. Хо-
чется верить, что проблема ХФУ поможет человечеству с боль-
шим вниманием и осторожностью относиться ко всем веще
ствам, которые попадают в результате жизнедеятельности че-
ловека в биосферу.
