Способы восстановления озонового слоя

Нельзя сказать, что человечество не озабочено озоновой проблемой. Ряд мероприятий, связанных с прекращением загрязнения атмосферы уничтожающими озон веществами, проводится на международном уровне. Сюда следует отнести Венскую конвенцию 1985 года, Монреальский протокол 1987 года с уточнениями и дополнениями к нему, сделанные в Лондоне в 1990 году и в Копенгагене в 1992 году, предусматривающими прекращения производства галонов, фреонов, четыреххлористого углерода и метилхлороформа к 1996 году и сокращение в перспективе производства бромистого метила и хлорфторуглеродов.

Но упомянутые меры абсолютно недостаточны. Это связано с тем, что по подсчетам ученых, в атмосфере Земли уже находится столько вредных веществ, что даже при полном прекращении их производства они будут уничтожать озон еще в течение 50–70 лет. Так что же делать? Ответ очевиден – необходимо срочно разрабатывать эффективные меры защиты и восстановления озонового слоя.

Нельзя сказать, что в этом направлении ничего не делается. Наоборот, все время появляются предложения, как предотвратить нависшую над биосферой Земли опасность. Эти предложения можно разделить условно на две группы. В первую входят предложения, которые направлены на очищение атмосферы Земли от тех вредных веществ, которые в нее уже выброшены. Во вторую группу те из них, которые направлены на выработку дополнительного количества озона, компенсирующего его убыль.

Процесс очищения предлагается осуществлять несколькими способами. Например, выбрасывая с самолетов и ракет на высотах примерно в 15 км этан (С₂Н₆) или пропан (С₃Н₈). В реакции с этими веществами свободный хлор связывается в пассивный к озону хлористый водород. Как показало численное моделирование, положительный эффект может быть достигнут только при определенных сценариях воздействия. Связано это с возможностью появления вторичных реакций, в результате которых снова образуется хлор или содержащие хлор вещества, выделяющие под действием солнечного излучения свободный хлор. Исследования показали также, что рассматриваемый метод может привести к усилению парникового эффекта. В результате его осуществления образуются вещества, попадание которых в тропосферу и на поверхность Земли нежелательно, а влияние на всю совокупность химических процессов в атмосфере экологически небезопасно. Согласно расчетам авторов химического метода защиты озонового слоя, необходимо привнести в стратосферу около 50 000 тонн этана или пропана. Оценки показывают, что стоимость этого процесса составляет около 500 миллиардов долларов, что абсолютно нереально в настоящее время и в обозримом будущем.

Наряду с химическим воздействием на атмосферу предложены также физико-химические методы, основанные на использовании электромагнитного излучения. Облучая атмосферу на высоте 10 км излучением СО₂-лазера, можно возбуждать молекулярные колебания фреонов. При достаточной интенсивности лазерного облучения молекулы фреонов расщепляются, выделяя атом хлора, который, соединяясь с водородосодержащими молекулами, превращается в хлористый водород, а соединяясь с кислородосодержащими молекулами, образует окись или двуокись хлора. Продукты этих реакций в конечном итоге выпадают на поверхность Земли в виде кислотных дождей. Поэтому для практического использования физико-химических методов и обеспечения их достаточной эффективности необходима строгая оптимизация режимов воздействия, которая авторами метода не проводилась. О том, что данный метод экологически небезопасен, было упомянуто.

В основе следующего метода очистки атмосферы от фреонов лежит микроволновое излучение, возбуждающее в определенной пространственной области разряд (СВЧ-разряд) с большой концентрацией в нем электронов. При соединении электронов с молекулами фреонов в зоне разряда образуется отрицательно заряженный атом хлора и свободные радикалы. Атом хлора, соединяясь с водородсодержащими молекулами, конвертируется в хлористый водород, который вымывается из тропосферы дождями. Свободные радикалы доокисляются до устойчивых соединений и также выводятся с дождями. Следует отметить, что наличие большого количества быстрых электронов в зоне СВЧ-разряда может привести к инициированию целого комплекса плазмохимических реакций, в результате которых образуются, например, оксиды азота, участвующие в уничтожении озона, и другие экологически вредные вещества, которые до этого в тропосфере отсутствовали.

Проведенные расчеты показали, что для получения разряда на высоте примерно в 10 км с последующей очисткой облученного объема воздуха средняя мощность излучения должна достигать 2*10¹⁰Вт. Производительность метода, выраженная в массе разлагаемого в единицу времени фреона, составляет примерно 30 кт/год. Эта величина равна примерно 0,3% от общего количества фреонов, выбрасываемых в атмосферу Земли. Известно, что различные типы веществ, уничтожающие озон, могут вступать в реакции между собой, образуя пассивные по отношению к озону соединения. Поэтому существенное нарушение их баланса в атмосфере может вызвать резкое увеличение темпа убыли озона. Подтверждением этого факта могут служить озоновые дыры в Антарктике, образование которых обусловлено вымораживанием в полярных облаках окислов азота.

Следовательно, очищение атмосферы Земли должно быть организованно таким образом, чтобы между озоноразрушающими веществами сохранялся баланс, обеспечивающий наименьшую скорость убывания озона. Возможность создания такой системы в настоящее время даже не рассматривается.

Теперь рассмотрим вторую группу предложений, которые направлены на выработку дополнительного озона, компенсирующего его убыль. Давно известно, что одним из источников озона является электрический заряд, широко используемый для этой цели в технологических процессах и в быту. Производительность этого способа может достигать 200 г озона на кВт час затраченной энергии, то есть примерно 5,5 г/МДж. Для его практического осуществления, устройство, инициирующее электрический разряд, размещается на борту летательного аппарата, курсирующего на высотах от 17 км до 25 км в течение длительного времени. Несмотря на внешнюю простоту и привлекательность рассматриваемого способа, он обладает недостатками, присущими всем электрическим разрядам и связанными с протекающими в них плазмохимическими реакциями, результатом которых может быть образование веществ, способствующих уничтожению озона. К тому же, для компенсации этим способом годовой убыли озона в размере 1% от его полного количества в атмосфере необходима энергия, равная примерно 1,6*10¹¹ кВт ч (6*10¹⁷ Дж). Вряд ли в обозримом будущем удастся доставить такое количество энергии в атмосферу.

Есть предложение вырабатывать озон за счет облучения воздуха лазером с длиной волны около 200 нм. Это излучение хорошо поглощается атмосферным кислородом, а продуктами реакции фотодиссоциации являются атомы кислорода, которые, вступая в реакцию с атомарным кислородом, образуют озон. Основным недостатком этого способа является его низкая эффективность (примерно 30 г/кВт ч). Для компенсации годовой убыли озона таким способом необходимо количество энергии, равное 10¹² кВт ч (3,6*10¹⁸ Дж). Такие затраты непосильны для современной цивилизации.

Предлагаются и другие способы, являющиеся разновидностями перечисленных выше. Например, вместо электрического разряда использовать высокоэнергетические электроны, выбрасываемые в стратосферу ускорителями, расположенные на борту летательного аппарата. Рассматривается возможность газоразрядной и оптической генерации озона, в частности, при помощи СВЧ-разряда.

Из приведенного краткого перечисления и анализа способов спасения озонового слоя Земли можно сделать вывод, что они либо экологически небезопасны, либо энергетически нереализуемые.

Дата добавления: 2015-07-20