Темная сторона фреона

Темная сторона фреона

Популярность хлорфторуглеродов росла вплоть до 1974 года, когда во время очередного заседания Американского химического общества исследователи Шервуд Роуленд и Марио Молина сообщили неприятные новости. Они обнаружили, что в самой стабильности ХФУ кроется неожиданная опасность.

В отличие от менее устойчивых соединений, ХФУ не разрушаются в результате обычных химических реакций, что отчасти и объясняло их столь высокую популярность. ХФУ попадали в нижние слои атмосферы, где они находились несколько лет или даже десятилетий, прежде чем поднимались в стратосферу, где разрушались под действием солнечной радиации. В стратосфере, на расстоянии 15–30 километров от поверхности планеты, располагается озоновый слой. Может показаться, что это довольно толстая прослойка, но если бы озоновый слой находился под тем же давлением, которое существует на уровне моря, его толщина составляла бы всего несколько миллиметров. В стратосфере же разреженный воздух создает столь малое давление, что озоновый слой значительно расширяется.

Озон — это соединение, состоящее из атомов кислорода. Единственное различие между молекулами озона и кислорода заключается в количестве составляющих их атомов: формула кислорода — O₂, а озона — O₃, но свойства этих молекул совсем разные. Сильная солнечная радиация над озоновым слоем расщепляет молекулы кислорода на отдельные атомы.

Атомы кислорода погружаются в озоновый слой, и каждый взаимодействует с молекулой кислорода с образованием молекулы озона.

Внутри озонового слоя молекулы озона распадаются под действием высокоэнергетического ультрафиолетового излучения на молекулы кислорода и атомы кислорода.

После этого два атома кислорода соединяются, образуя молекулу кислорода.

Таким образом, в озоновом слое происходит постоянное образование и расщепление молекул озона. На протяжении тысячелетий этот процесс приходил к равновесию, так что концентрация озона в атмосфере Земли оставалась практически постоянной. Это имеет важные последствия для жизни на Земле: озон поглощает солнечную энергию в определенной части спектра, которая особенно опасна для всего живого. Кто-то сказал, что мы живем под “зонтиком”, защищающим всех нас от смертельно опасной солнечной радиации.

Исследования Роуленда и Молины показывали, что атомы хлора ускоряют распад молекул озона. Сначала атомы хлора сталкиваются с молекулами озона, в результате чего образуются монооксид хлора ClO и молекулярный кислород.

Монооксид хлора взаимодействует с атомом кислорода с образованием молекулы кислорода и регенерацией атома хлора.

Роуленд и Молина предположили, что эти реакции могут нарушать равновесие между озоном и кислородом, поскольку они ускоряют распад озона, но не влияют на его образование. Атом хлора, который используется на первой стадии процесса и регенерирует на последней стадии, выступает в роли катализатора, то есть ускоряет процесс, но сам не расходуется. Это и пугает сильнее всего: проблема не только в том, что атомы хлора разрушают озон, но и в том, что они делают это снова и снова. По некоторым оценкам один атом хлора, проникший в верхние слои атмосферы в составе ХФУ, может расщепить более ста тысяч молекул озона, прежде чем потеряет активность. А сокращение озонового слоя всего на ? % способствует повышению уровня пагубной солнечной радиации у поверхности Земли на 2 %.

На основании своих расчетов Роуленд и Молина предсказали, что атомы хлора из ХФУ и родственных соединений начинают разрушать озоновый слой. В то время, когда ученые проводили свои эксперименты, ежедневно в атмосферу попадали миллиарды молекул ХФУ. Новость о том, что ХФУ представляют реальную угрозу озоновому слою и, следовательно, здоровью и безопасности всех живых организмов, вызвала определенную реакцию ученых и общественности, однако потребовалось еще несколько лет и многочисленные исследования, прежде чем ХФУ были запрещены — сначала частично, а затем и полностью.

На принятие решения о запрещении использования ХФУ повлиял результат, полученный из совершенно неожиданного источника. В 1985 году в Антарктике были проведены исследования, которые продемонстрировали постепенное исчезновение озонового слоя над Южным полюсом. Никто не ожидал, что самая большая “дыра” в озоновом слое может появиться среди зимы над практически необитаемым континентом, где никто не пользуется ни холодильниками, ни лаком для волос. Это открытие означало, что попадание ХФУ в окружающую среду — действительно глобальная проблема. В 1987 году исследовательский самолет, курсировавший в районе Южного полюса, обнаружил в зоне разрежения озонового слоя молекулы монооксида хлора. Это было экспериментальным подтверждением предсказаний Роуленда и Молины (которые через восемь лет после этого, в 1995 году, получили Нобелевскую премию по химии за предсказание долгосрочного воздействия ХФУ на состояние стратосферы и окружающей среды).

В 1989 году вступил в силу Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Этот договор обязал все подписавшие его страны сначала постепенно, а потом и полностью отказаться от использования ХФУ. На сегодняшний день в холодильных установках вместо хлорфторуглеродов используются гидрофторуглероды и гидрохлорфторуглероды. Эти вещества не содержат хлора либо легче расщепляются в атмосфере и значительно реже, чем более стабильные хлорфторуглероды, достигают стратосферы. Однако эти вещества не такие эффективные хладагенты, и теперь для осуществления холодильного цикла требуется примерно на 3 % больше энергии.

До сих пор в атмосфере остаются миллиарды молекул ХФУ. Не все страны подписали Монреальский протокол, но даже в тех странах, которые это сделали, в эксплуатации находятся миллионы холодильников с ХФУ, а еще сотни тысяч уже не используются, но продолжают выпускать в атмосферу молекулы ХФУ, которые медленно, но неумолимо уничтожают озоновый слой. Воздействие этих когда-то столь популярных веществ может сказаться через несколько столетий. Увеличение интенсивности высокоэнергетической составляющей солнечной радиации приводит к повреждению клеток живых организмов и их ДНК, что, в свою очередь, способствует возникновению вредных мутаций, а также рака.