Хлорофторовуглеці (ХФВ), або фреони

Колись фреони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки вони дуже стабільні й неактивні, а виходить, не токсичні. Як це не парадоксально, але саме інертність цих сполук робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, що простирається від поверхні землі до висоти 10 км), як це відбувається, наприклад, зі здебільшого окислів азоту, і зрештою проникають у стратосферу, верхня границя якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули ХФВ піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетового випромінювання (рис. 2), що не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону. Ультрафіолет руйнує стійкі у звичайних умовах молекули фреонів, які розпадаються на компоненти, що мають високу реакційну здатність, зокрема, атомний хлор. Таким чином, ХФВ переносить хлор з поверхні землі через тропосферу й нижні шари атмосфери, де менш інертні сполуки хлору руйнуються, у стратосферу, до шару з найбільшою концентрацією озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: у ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону перш ніж буде дезактивований або повернеться в тропосферу. Зараз викид фреонів в атмосферу обчислюється мільйонами тонн, але варто помітити, що навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва й використання ХФВ негайного результату досягти не вдасться: дія фреонів, які вже потрапили в атмосферу, буде тривати кілька десятиліть. Вважається, що час життя в атмосфері для двох найбільш широко використовуваних ХФВ: фреон-11 (CFCl₃) і фреон-12 (CF₂Cl₂) становить 75 і 100 років відповідно.

Рис. 2 Руйнування озонового шару Землі фреонами

Один з найбільш вражаючих доказів того, що хлор дійсно є агентом, відповідальним за появу озонової діри, з’явився у вересні 1987 р., коли вчені пролетіли на літаку з Південної Америки прямо до Південного полюса, у зону озонової діри. Збільшення й зменшення концентрації озону є майже точним дзеркальним відбиттям зменшення й збільшення концентрації ClО. Більш того, концентрація Cl у самій озоновій дірі в сотні разів перевищує будь-який рівень, який можна було б пояснити з погляду атмосферної хімії. Це явище часто називають «димовою рушницею». Навіть виробники ХФВ переконалися в тому, що озонову діру не можна вважати нормальним явищем. Це свідчення глибоких змін в атмосфері, викликаних штучними хлоровмісними забруднювачами.

Ученим треба було кілька років, щоб знайти пояснення появі озонової діри. Коротенько воно таке.

Оскільки Антарктида оточена океаном, вітри можуть безупинно циркулювати навколо континенту, на якому немає гірських ланцюгів. Під час південної зими вони утворять навколо полюсний вихор, лійку з вітрів, що збирає повітря над Антарктидою й утримує його, не дозволяючи змішуватися з іншою атмосферою. Цей вихор служить ізольованим «реакційним казаном» для полярних атмосферних хімічних сполук (він значно сильніше того, що утворюється над Північним полюсом, тому північна озонова діра проявляється значно слабше).

Рис. 3 Озонова діра над Антарктидою

Під тиском аргументів, наведених вище, багато країн почали вживати заходи, спрямовані на скорочення виробництва й використання фреонів. З 1978 р. у США було заборонене використання фреонів в аерозолях. На жаль, використання фреонів в інших галузях обмежене не було. У вересні 1987 р. 23 провідні країни світу підписали в Монреалі протокол, що зобов’язує їх знизити споживання ХФВ. Сьогодні під ним підписалося близько 150 країн.

До того, в 1985 р. було підписано Віденську конвенцію про охорону озонового шару, у якій розвинені країни визнавали факт проблеми руйнування озонового шару.

Відповідно до досягнутої домовленості в Монреалі розвинені країни повинні були до 1999 р. знизити споживання хлорофторовуглеців до половини рівня 1986 р. Для використання в якості пропеллента (тобто інертної хімічної речовини, за допомогою якої створюється надлишковий тиск) в аерозолях уже знайдений непоганий замінник фреонів – пропан-бутанова суміш. За фізичними параметрами вона практично не поступається фреонам, але, на відміну від них, вогненебезпечна. Проте, такі аерозолі вже виробляються в багатьох країнах. Складніша справа з холодильними установками – другим за величиною споживачем фреонів. Річ у тім, що через полярність молекули ХФВ мають високу теплоту випаровування, що дуже важливо для робочого тіла в холодильниках і кондиціонерах. Кращим відомим на сьогодні замінником фреонів є аміак, але він токсичний і все-таки поступається фреонам за фізичними параметрами. Непогані результати отримані для повністю фторованих вуглеводнів. У багатьох країнах ведуться розробки нових замінників і вже досягнуті непогані практичні результати, але повністю ця проблема ще не вирішена.

Хочеться сподіватися, що проблема озонового шару навчить із більшою увагою й побоюванням ставитися до всіх речовин, що потрапляють в атмосферу в результаті антропогенної діяльності.

38. Причини та наслідки парникового ефекту
Постійно збільшуються обсяги палива, що спалюється, проникнення в атмосферу промислово вироблених газів, широке випалювання і зведення лісів, анаеробне бродіння та багато іншого - все це зумовило виникнення такої глобальної екологічної проблеми, як парниковий ефект.
Основними хімічними речовинами, що створюють парниковий ефект, є наступні п'ять газів:
- Вуглекислий газ (50% парникового ефекту);
- Хлорфторвуглеці (25%);
- Оксид азоту (8%);
- Озон приземного рівня (7%);
- Метан (10%).
Вуглекислий газ потрапляє в атмосферу в результаті спалювання різних видів палива. Близько 1 / 3 кількості вуглекислого газу обумовлене випалюванням і зведенням лісів, а також процесами опустелювання. Зменшення лісів означає скорочення кількості зелених деревних рослин, здатних поглинати вуглекислий газ в процесі фотосинтезу. Щорічно вміст вуглекислого газу в атмосфері Землі збільшується в середньому на 0,5%.
Хлорфторвуглеці вносять близько 25% внеску у створення сукупного парникового ефекту. Вони мають подвійну небезпеку для людини і природи Землі: по-перше, сприяють розвитку парникового ефекту, по-друге, руйнують атмосферне озон.
Метан - один з важливих «парникових» газів. Вміст метану в атмосфері за останні 100 років подвоїлося. Основним джерелом надходження метану в атмосферу Землі є природний процес анаеробного бродіння, що має місце у вологих рисових виробництвах, в тваринництві, на полях очищення стічних вод, в розкладанні міських та житлово-комунальних стоків, у процесах гниття і розкладання органічних речовин у звалищах побутового сміття та ін Нафтове забруднення поверхні суші і Світового океану також вносить свій суттєвий внесок у збільшення вільного метану в атмосфері нашої планети.
Оксид азоту утворюється у багатьох технологічних процесах сучасного сільськогосподарського виробництва (наприклад, при утворенні і використанні органічних добрив), а також у результаті спалювання все зростаючих обсягів різного палива.
МОЖЛИВІ СЦЕНАРІЇ Глобальні кліматичні зміни
Глобальні кліматичні зміни дуже складні, тому сучасна наука не може дати однозначної відповіді, що ж нас очікує в найближчому майбутньому. Існує безліч сценаріїв розвитку ситуації. Для визначення даних сценаріїв враховуються фактори сповільнюють і прискорюють глобальне потепління.
Фактори, що прискорюють глобальне потепління:
+ Емісія CO _2, метану, закису азоту в результаті техногенної діяльності людини;
+ Розкладання, внаслідок підвищення температури, геохімічних джерел карбонатів з виділенням СО _2. У земній корі міститься у зв'язаному стані вуглекислого газу в 50000 разів більше, ніж в атмосфері;
+ Збільшення вмісту в атмосфері Землі водяної пари, внаслідок зростання температури, а значить і випаровуваності води океанів;
+ Виділення CO ₂ Світовим океаном внаслідок його нагрівання (розчинність газів при підвищенні температури води падає). Зі зростанням температури води на кожен градус розчинність в ній CO2 падає на 3%. У Світовому океані міститься в 60 разів більше CO _2, ніж в атмосфері Землі (140 трильйонів тонн);
+ Зменшення альбедо Землі (що відбиває здатності поверхні планети), внаслідок танення льодовиків, зміни кліматичних зон і рослинності. Морська гладь відображає значно менше сонячних променів, ніж полярні льодовики і снігу планети, гори позбавлені льодовиків, також володію меншим альбедо, що просуває на північ деревна рослинність володіє меншим альбедо, ніж рослини тундри. За останні п'ять років альбедо Землі вже зменшилося на 2,5%;
+ Виділення метану при таненні вічної мерзлоти;
+ Розкладання метангідратов - кристалічних льодистих сполук води й метану, що містяться в приполярних областях Землі.
Фактори, що уповільнюють глобальне потепління:
- Глобальне потепління викликає уповільнення швидкості океанічних течій, уповільнення теплої течії Гольфстрім викличе зниження температури в Арктиці;
- Зі збільшенням температури на Землі зростає випаровуваність, а значить і хмарність, яка є певного роду перешкодою на шляху сонячних променів. Площа хмарності зростає приблизно на 0,4% на кожен градус потепління;
- Зі зростанням випаровуваності збільшується кількість опадів, що випадають, що сприяє заболочування земель, а болота, як відомо, є одними з головних депо CO _2;
- Збільшення температури, буде сприяти розширенню площі теплих морів, а значить і розширення ареалу молюсків і коралових рифів, ці організми беруть активну участь в депонуванні CO _2, який йде на будівництво раковин;
- Збільшення концентрації CO ₂ в атмосфері стимулює ріст і розвиток рослин, які є активними акцепторами (споживачами) цього парникового газу.
Ось 5 сценаріїв майбутнього планети Земля:
Сценарій 1 - глобальне потепління буде відбуватися поступово. Земля дуже велика і складна система, що складається з великої кількості пов'язаних між собою структурних компонентів. На планеті є рухома атмосфера, рух повітряних мас якої розподіляє теплову енергію за широт планети, на Землі є величезний акумулятор тепла і газів - Світовий океан (океан накопичує в 1000 разів більше тепла, ніж атмосфера) Зміни в такій складній системі не можуть відбуватися швидко. Минуть століття і тисячоліття, перш ніж можна судитиме про скільки-небудь відчутному зміну клімату.
Сценарій 2 - глобальне потепління буде відбуватися відносно швидко. Самий «популярний» нині сценарій. За різними оцінками за останні сто років середня температура на нашій планеті збільшилася на 0,5-1 ° С, концентрація - СО ₂ зросла на 20-24%, а метану на 100%. У майбутньому ці процеси отримають подальше продовження і до кінця XXI століття середня температура поверхні Землі може збільшитися від 1,1 до 6,4 ° С. Подальше танення арктичних і антарктичних льодів може прискорити процеси глобального потепління через зміни альбедо планети. За твердженням деяких вчених, тільки крижані шапки планети за рахунок відбиття сонячного випромінювання охолоджують нашу Землю на 2 ° С, а покриває поверхню океану лід істотно уповільнює процеси теплообміну між відносно теплими океанічним водами і більш холодним поверхневим шаром атмосфери. Крім того, над крижаними шапками практично немає головного парникового газу - водяної пари, так як він виморожен.
Глобальне потепління буде супроводжуватися підйомом рівня світового океану. З 1995 по 2005 рік рівень Світового океану вже піднявся на 4 см, замість прогнозованих 2-ух см. Якщо рівень Світового океану в подальшому буде підніматися з такою ж швидкістю, то до кінця XXI століття сумарний підйом його рівня складе 30 - 50 см, що викличе часткове затоплення багатьох прибережних територій, особливо багатонаселеного узбережжя Азії. Слід пам'ятати, що близько 100 мільйонів чоловік на Землі живе на висоті менше 88 сантиметрів над рівнем моря.
Крім підвищення рівня Світового океану глобальне потепління впливає на силу вітрів і розподіл опадів на планеті. У результаті на планеті зросте частота і масштаби різних природних катаклізмів (шторми, урагани, посухи, повені).
В даний час від посухи страждає 2% усієї суші, за прогнозами деяких вчених до 2050 року посухою буде охоплено до 10% всіх земель материків. Крім того, зміниться розподіл кількості опадів по сезонах.
У Північній Європі і на заході США збільшиться кількість опадів і частота штормів, урагани будуть бушувати в 2-а рази частіше, ніж у XX столітті. Клімат Центральної Європи стане мінливим, в серці Європи зими стануть теплішими, а літо дощове. Східну і Південну Європу, включаючи Середземномор'я, чекає посуха та спека.
Сценарій 3 - Глобальне потепління в деяких частинах Землі зміниться короткочасним похолоданням. Відомо, що одним з факторів виникнення океанічних течій є градієнт (різниця) температур між арктичними і тропічними водами. Танення полярних льодів сприяє підвищенню температури Арктичних вод, а значить, викликає зменшення температурної різниці між тропічними і арктичними водами, що неминуче, в майбутньому приведе до уповільнення течій.
Одним з найвідоміших теплих течій є Гольфстрім, завдяки якому в багатьох країнах Північної Європи середньорічна температура на 10 градусів вище, ніж в інших аналогічних кліматичних зонах Землі. Зрозуміло, що зупинка цього океанічного конвеєра тепла дуже сильно вплине на клімат Землі. Вже зараз течія Гольфстрім, стало слабше на 30% в порівнянні з 1957 роком. Математичне моделювання показало, щоб повністю зупинити Гольфстрім достатньо буде підвищення температури на 2-2,5 градуса. В даний час температура Північної Атлантики вже прогрілася на 0,2 градуса в порівнянні з 70-ми роками. У разі зупинки Гольфстріму середньорічна температура в Європі до 2010 року знизиться на 1 градус, а після 2010 року подальше зростання середньорічної температури продовжиться. Інші математичні моделі «обіцяють» більш сильне похолодання Європі.
Згідно з цими математичними розрахунками повна зупинка Гольфстріму відбудеться через 20 років, в результаті чого клімат Північної Європи, Ірландії, Ісландії та Великої Британії може стати холодніше сьогодення на 4-6 градусів, посиляться дощі та почастішають шторму. Похолодання торкнеться також і Нідерланди, Бельгію, Скандинавію і північ європейської частини Росії. Після 2020-2030 року потепління в Європі відновиться за сценарієм № 2.
Сценарій 4 - Глобальне потепління заміниться глобальним похолоданням. Зупинка Гольфстріму і інших океанічних викличе глобальне похолодання на Землі і настання чергового льодовикового періоду.
Сценарій 5 - Парникова катастрофа. Парникова катастрофа - самий «неприємний» сценарій розвитку процесів глобального потепління. Автором теорії є наш учений Карнаухов, суть її в наступному. Зростання середньорічної температури на Землі, внаслідок збільшення в атмосфері Землі змісту антропогенного CO _2, викличе перехід в атмосферу розчиненого в океані CO _2, а також спровокує розкладання осадових карбонатних порід з додатковим виділенням вуглекислого газу, який, у свою чергу, підніме температуру на Землі ще вище, що спричинить за собою подальше розкладання карбонатів, що лежать у більш глибоких шарах земної кори (в океані міститься вуглекислого газу в 60 разів більше, ніж в атмосфері, а в земній корі майже в 50 000 разів більше). Льодовики будуть інтенсивно танути, зменшуючи альбедо Землі. Таке швидке підвищення температури сприятиме інтенсивному надходженню метану з танучої вічної мерзлоти, а підвищення температури до 1,4-5,8 ° С до кінця сторіччя сприятиме розкладанню метангідратов (льодистих сполук води та метану), зосереджених переважно в холодних місцях Землі. Якщо врахувати, що метан, є в 21 разів сильнішим парниковим газом, ніж CO ₂ зростання температури на Землі буде катастрофічним.

СМОГ

Смог (анг. smog, від smoke - дим і fog - туман), сильне забруднення повітря на інших містах й управління промислових центрах.

Смог буває наступних типів: Вологе зміг лондонського типу - поєднання туману з додатком диму і газових відходів виробництва. Крижаний зміг аляскинского типу - зміг, утворений при низьких температурах з пара опалювальних систем і побутових газових викидів. Радіаційний туман - туман, який з'являється у результаті радіаційного охолодження земної поверхні, і маси вологого приземного повітря до точки роси. Зазвичай радіаційний туман виникає вночі за умов антициклона при безхмарним погоді і легкому бризі. Часто радіаційний туман виникає у умовах температурної інверсії, котра перешкоджає підйому повітряної маси. У промислових районах може виникнути крайня форма радіаційного туману - зміг. Сухий зміг лос-анджелеського типу - зміг, що виникає внаслідок фото- хімічних реакцій, які у газових викидах під впливом сонячної радіації; стійка синява димку з ядучих газів без туману. Фотохімічний зміг - зміг, основною причиною виникнення якого вважаються автомобільні вихлопи. Автомобільні вихлопні гази і забруднюючі викиди підприємств у умовах інверсії температури входять у хімічну реакцію з сонячним випромінюванням, створюючи озон. Фотохімічний зміг може викликати поразка дихальних шляхів, блювоту, роздратування слизової оболонки очей і загальну млявість. Нерідко в фотохимическом смозі можуть бути присутні сполуки азоту, які підвищують можливість появи ракових заболеваний.