Рядовые парникового фронта: оксид азота(I), фреоны и другие

Для каждой малости есть свое место и время.

С. Мурасаки

Малые птички вьют малые гнезда.

Пословица

Итак, мы познакомились с «тремя китами», на которых более чем на 85 % зиждется феномен усиления парникового эффекта в ХХ столетии, – углекислым газом, метаном и озоном. Среди остальных отметим вклады в это усиление, вносимые оксидом азота(I) и солидной группой ХФУ, – меньшие, но соизмеримые и примерно равные вкладу озона.

Главными источниками оксида азота(I), как и метана, являются разнообразные бактерии, способные в анаэробных условиях (без кислорода) вырабатывать N₂O, используя ионы NH₄⁺ и NO₃^‑. Другим важным источником оксида азота(I) является Мировой океан, он содержит примерно столько же N₂O, сколько и атмосфера. Поток N₂O в атмосферу из почвы и океана оценивается (с большой погрешностью) как 70 и 30 % соответственно и составляет 4,2–12,9 Мт/год. Человек также не является сторонним наблюдателем в этом процессе: его лепта составляет 2,1–6,3 Мт/год оксида азота(I) (т. е. около трети). Она складывается из N₂O, образующегося в результате использования сельскохозяйственных удобрений, обработки почвы, сжигания топлива и биомассы, при производстве кислот и нейлона в химической промышленности. Кроме того, N₂O выделяется в ходе ирригации и из сточных вод. О совсем новых источниках оксида азота(I) сообщает уже знакомый нам нобелевский лауреат П. Крутцен:

приблизительно 3 % от глобального источника N₂O составляет его поток с поверхности бассейнов рыборазводных заводов, широко распространенных в Западной Европе и Юго‑Восточной Азии; еще около 0,1 Мт N₂O/год попадает в атмосферу в результате таяния вечной мерзлоты – маленький, но весьма «перспективный» в свете глобального потепления источник.

В тропосфере N₂O образуется и разрушается в реакциях с одним и тем же реагентом – возбужденным атомарным кислородом O(¹D). В стратосфере же он разрушается под действием света; интенсивность этого процесса оценивается примерно в 12 Мт/год (с разбросом 9–17 Мт/год). Концентрация оксида азота(I) в атмосфере неуклонно возрастает с начала индустриального периода: если в середине ХХ в. она составляла 265 ppb, то к концу первого десятилетия XXI в. ее величина достигла 324 ppb.

В настоящее время, из‑за отсутствия ограничений на использование N₂O, оксид азота(I) стал основным озоноразрушающим газом, сменив в этой малопочетной роли ограниченные Монреальским протоколом ХФУ.

Многочисленные ХФУ использовались и используются в качестве хладагентов в холодильных установках (ХФУ‑11, ‑12, ‑115, ‑22, ‑123, ‑125, ‑134а), распылителей в аэрозольных упаковках (ХФУ‑11, ‑12, ‑22, ‑124, ‑134а), пенообразователей (ХФУ‑11, ‑12, ‑114, ‑22, ‑123, ‑124, ‑141b, – 142b, – 152a), растворителей (ХФУ‑113, ‑123, ‑141b, – 142b). Особая роль у бромсодержащих химикатов (галоны‑1211 и ‑1301) – они были до последнего времени незаменимы при тушении пожаров.

Чтобы получить представление о «парниковой активности» вышеперечисленных газов, приведем фрагменты таблицы значений потенциала глобального потепления (о нем упоминалось ранее).

Таблица 2. Потенциалы глобального потепления (ПГП) некоторых газов, присутствующих в воздухе (Источник: Отчет 2007 г. Межправительственной группы экспертов по изменению климата)

Каждому газу соответствуют три значения потенциала глобального потепления для разных периодов времени. Это связано с тем, что газы имеют неодинаковое «время жизни», например для CO₂ и N₂O оно составляет ~100 и 114 лет, для метана – в среднем около 11 лет, а для фреона‑22 – 12 лет. Понятно, что за 20 лет молекулы метана, а также фреона‑22 полностью выработают свой «ресурс», в то время как молекулы CO₂ и N₂O продолжат «развивать успех» и в последующие 80–90 лет. Таким образом, количества поглощенной, к примеру молекулой CO₂, длинноволновой радиации за 20 и 100 лет будут заметно различаться. Поэтому, чтобы оценить вклады разных молекул в кратко‑, средне– и долгосрочной перспективе, принято рассматривать значения потенциала глобального потепления, соответствующие периодам в 20, 100 и 500 лет.

Как видно из таблицы 2, потенциалы глобального потепления рукотворных ХФУ в сотни, тысячи, а иногда и десятки тысяч раз превосходят потенциал «эталонного» CO₂. Тем не менее суммарный их вклад в усиление парникового эффекта значительно уступает вкладу углекислого газа. Объяснение этому то же, что и в случае с метаном: менее «вредных» молекул CO₂ в атмосфере в миллионы и миллиарды раз больше, чем молекул ХФУ. Если вспомнить о том, что ежегодный прирост производства, а значит в конечном итоге и выбросов отдельных ХФУ, достигал 10–15 %, и концентрация ХФУ в атмосфере удваивалась каждые 6–8 лет, то настигнуть лидера во вполне обозримом будущем им помешали только ограничения Монреальского протокола.

И еще несколько слов о двух атмосферных долгожителях.

Первый из них гексафторид серы SF6 («электрический газ»), широко используемый в качестве изолятора и теплоносителя в высоковольтной электронике, в электронной и металлургической промышленности, а также в качестве хладагента. Второй – тетрафторметан CF₄ (фреон ‑14) тоже применяется в микроэлектронике и иногда как низкотемпературный хладагент. Из‑за химической пассивности оба имеют очень большое «время жизни», и при наличии высоких значений ПГП (см. табл. 2) в течение всего «времени жизни» (т. е. 3200 и 50 000 лет для SF₆ и CF₄, соответственно) будут способствовать глобальному потеплению.

Джонатан Свифт однажды заметил: «Причина великих событий, как и источники великих рек, часто бывет очень мала». Казалось бы, небольшое (в сравнении с мощью природных стихий) усиление парникового эффекта, вызванное хозяйственной деятельностью человека, тем не менее ощутимо сказывается на климате нашей планеты.

Однако пора обсудить как «распоряжается» климатическая система поступающей от Солнца радиацией.