Николай Друзьяк - Как продлить быстротечную жизнь
С легкой руки Фармана началась борьба всего человечества против озоновых дыр. Стремясь предотвратить разрастание озоновой дыры над планетой (а, может быть, кто-то просто удачно воспользовался сложившейся ситуацией), ведущие страны – производители фреонов, заключили в 1985 году Венскую конвенцию об охране озонового слоя. А в 1987 году был принят Монреальский протокол об озоноразрушающих веществах, который подписало около 40 стран, в том числе и наша страна (СССР). В соответствии с этими международными документами предполагалось к 1998 году сократить производство фреонов вдвое. В идеале необходимо было найти их заменители. А после этого организовать производство новых холодильников на новом хладоагенте. Затраты могли быть колоссальные и не каждой стране по карману. Надо сказать, что лидирует в мире по производству хлорфторуглеродов (фреонов или ХФУ) американская фирма «Дюпон». И эта компания уже израсходовала огромные средства на разработку и внедрение в производство новых заменителей ХФУ.
Люди так же легко поверили в версию о том, что озоновые дыры – это дело рук человеческих, как и в такую же бездоказательную версию, что только озоновый слой защищает все живое от УФ-излучения. Никого не смущал тот факт, что если бы в образовании озоновых дыр был повинен человек, то в первую очередь эти дыры должны были бы появиться в Северном полушарии, где проживает наибольшее количество людей и где расположено наибольшее число промышленных предприятий. Но, вопреки здравому смыслу, озоновые дыры, как правило, появлялись и появляются над Антарктидой.
Наблюдения за озоновым слоем на Крайнем Севере ведутся в Норвегии с 1935 года (наблюдения не проводились только с 1969 по 1984 год), и все это время озоновый слой держался стабильно, никаких дыр, подобных антарктическим, в этом регионе не наблюдалось. Но и этот неудобоваримый факт тоже стал находить свое «научное фреоновое объяснение». «Оказывается», в полярную ночь к Антарктиде стекаются фреоны отовсюду и ждут там своего часа, когда первые лучи солнечного света вызовут фотохимическое разложение фреонов до атомарного хлора, который и начинает беспощадно пожирать озон, выедая его почти полностью. И эта «теория» была верна до определенной поры, пока начало образования дыр приходилось на конец полярной ночи. Однако измерения последних лет показали, что дыра над Антарктидой начинает возникать несколько раньше восхода Солнца. Соответственно ослабли и позиции этой «фреоновой теории». Позиции-то ослабли, но жупел фреона остался.
А как же в действительности зарождается, развивается и гибнет озоновый слой, как образуются и закрываются озоновые дыры?
Озон в атмосфере Земли генерируется УФ-излучением Солнца. И происходит это следующим образом. Более энергонасыщенные УФ-лучи (короче 100 нанометров) ионизируют молекулы кислорода, отрывая от них по одному электрону. Так в атмосфере появляются положительные ионы кислорода. А менее энергонасыщенные УФ-лучи (не более 242,5 нм) способны лишь разъединять молекулу кислорода на два атома кислорода. К этим атомам кислорода присоединяются (а физики говорят «прилипают») по одному свободному электрону, имеющемуся в атмосфере. Так возникают отрицательные ионы кислорода. И теперь под воздействием электростатических сил эти разноименные ионы притягиваются друг к другу, образуя трехатомную нейтральную молекулу озона.
На сближение этих ионов (или на образование молекулы озона) расходуется около 1,5 эв (электроновольт). И при разрушении молекулы озона выделяется ровно столько же энергии.
Химические соединения, образующиеся с поглощением энергии, называются эндотермичными. Такие вещества всегда имеют склонность к распаду, и тем большую, чем больше они эндотермичны. По этой же причине имеет склонность к распаду и озон.
Таким образом, мы видим, что озон производится УФ-излучением Солнца. Не было бы УФ-лучей, не было бы и озона в атмосфере. Точно так же как стоит нам включить в комнате УФ-лампу, как мы тотчас почувствуем запах озона. А так как на атмосферу Земли непрерывно воздействуют УФ-лучи, то непрерывно образуется и озон. Мы могли бы уже давно утонуть в ядовитом море озона (он в 1,62 раза тяжелее воздуха, и поэтому оседает на земную поверхность), если бы озон где-то и как-то не разрушался. Опускаясь, озон входит в более плотные и более теплые слои атмосферы и разрушается. Так в атмосфере Земли поддерживается динамическое равновесие между процессами образования и разрушения озона. На производство озона расходуется около 5 % всей идущей к Земле солнечной энергии. Может ли сравниться с этой колоссальной природной машиной по производству и разрушению озона какое-либо производство, организованное человеком на Земле?
А теперь рассмотрим защитную роль озона. Ситуация интересная: озон и рождается УФ-радиацией, и, якобы, защищает нас от нее. При рождении озона УФ-лучи гасятся на молекулах кислорода, но никак не на молекулах озона. А каким же образом озон защищает нас от УФ-лучей?
Он действительно поглощает УФ-излучение, но только на небольшом участке спектра – в диапазоне от 200 до 320 нм с максимумом на волне в 255 нм.
Здесь может возникнуть закономерный вопрос: как же так, из обширного спектра УФ-излучения (от 10 до 400 нм) озоновый слой эффективен только для сравнительно небольшого участка спектра, а что же тогда защищает нас от всего остального УФ-излучения? Этот вопрос не возникал у нас лишь потому, что информация об озоновом слое всегда подавалась в виде отработанного штампа – только он нас защищает от коротковолновой УФ-радиации Солнца. И такую информацию можно было понимать как защиту от всего УФ-излучения. Но в действительности озон может защитить нас только от очень небольшого участка спектра – от 280 до 320 нм.
Почему же защитная роль озонового слоя сводится к столь незначительному участку спектра? А вот почему. Наиболее коротковолновая часть УФ-излучения (длина волны не более 100 нм) задерживается всем составом газов атмосферы, в том числе и кислородом, на очень больших высотах (50–80 км) в результате ионизации этих газов. Здесь надо отметить, что озоновый слой простирается от 10 до 50 км с максимальной концентрацией на высоте 20–25 км. Другая часть УФ-излучения с длиной волны не более 242,5 нм поглощается молекулярным кислородом и поэтому тоже не может достигнуть поверхности Земли. Кроме того, наряду с поглощением УФ-излучения происходит еще и молекулярное рассеивание его. В результате такого суммарного действия атмосферы на УФ-излучение мы не обнаруживаем на высоте 34 км лучей с длиной волны короче 280 нм. И теперь нам становится ясно, почему озону отведена защитная функция только для столь небольшого участка спектра – от 280 до 320 нм. А все потому, что в зоне его максимальной концентрации имеется только излучение с длиной волны не менее 280 нм, а на длине волны в 320 нм заканчивается его поглощающая способность.
Но, может быть, озон является тем единственным щитом, который препятствует прохождению УФ излучения даже на столь небольшом участке спектра? Оказывается, что нет. На этом участке наряду с озоном действует и уже известное нам молекулярное рассеивание. А так как о нем мы никогда не говорим, то и создается впечатление, что только озон и является нашим спасителем от оставшейся доли УФ-излучения.
Но, может быть, озон более эффективно препятствует прохождению лучей этого небольшого участка УФ-излучения, чем простое молекулярное рассеивание?
Сравним и посмотрим. Коэффициент ослабления УФ-излучения за счет молекулярного рассеивания на указанном выше участке спектра в среднем сравним с коэффициентом поглощения озона, а для более коротких длин волн растет и коэффициент молекулярного рассеивания, и коэффициент поглощения озона, но последний растет быстрее. Так, при переходе от длины волны 300 нм к волне 280 нм коэффициент молекулярного рассеивания возрастает в полтора раза, а коэффициент поглощения озона – в десять раз. Отсюда легко сделать поспешный вывод, что поглощающая роль озона в атмосфере Земли несравненно более эффективна, чем молекулярное рассеивание. Но такой вывод будет ошибочным, потому что он исключает из рассмотрения величину самих объектов, участвующих в отфильтровывании УФ-радиации. А если учесть и эту самую величину объектов, то наш взгляд на защитную роль озона резко изменится. Несмотря на то что озоносфера простирается от 10 до 50 км в высоту, но весь озон, сосредоточенный в этой озоносфере, можно собрать в тонкий слой толщиной всего 3 мм при нормальном атмосферном давлении. Толщина же слоя атмосферы, где происходит молекулярное рассеивание УФ-излучения, измеряется уже несколькими километрами (при нормальном атмосферном давлении), а это уже, по крайней мере, на шесть порядков выше толщины озонового слоя. Отсюда мы можем сделать простой вывод, что эффективность молекулярного рассеивания УФ-излучения на участке спектра от 280 до 320 нм почти в сто тысяч раз выше, чем поглощение этого же излучения озоновым слоем.
