Образование озоновых дыр за счет воздействия фреонов: механизм и пути решения проблемы

Почти полстолетия назад возникла хлорфторуглеродная проблема, получившая широкий резонанс и начало исследований истощения озонового слоя.

Предполагалось, что фреоны, к которым относятся хлорфторуглероды, принимают участие в разрушении озонового слоя, вплоть до образования озоновых дыр.

Рассмотрим влияние этих веществ на состояние атмосферы более подробно, а также поговорим о путях решения данной проблемы.

Что такое фреоны?

Под фреонами (хладонами) подразумевается название группы галогенсодержащих веществ:

• хладагентов;
• гидравлических жидкостей;
• растворителей;
• вспенивателей;
• веществ в аэрозольных баллонах (пропеллентов).

Известно более 40 фреонов.

Фреоны представляют собой бесцветные газы или жидкости, не имеют запаха, с химической точки зрения являются производными насыщенных углеродов (этана и метана), содержащих фтор, а также — атомы брома или хлора.

При температуре более 250°С возможно взаимодействие фреонов с:

• магнием;
• алюминием;
• щелочноземельными и щелочными металлами

с образованием удушающих высокотоксичных веществ:

• карбонилфторидов;
• фосгенов;
• фтороводородов;
• хлороводородов.

Начало производства фреонов — 1930-е годы, с целью применения в качестве неядовитых и недорогих хладагентов, заменивших аммиак и диоксид серы. С 1950-х годов сфера использования хладонов значительно расширилась.

Это пропелленты в аэрозольных упаковках, которых в упаковке содержится порядка 50-90%:

• освежители воздуха;
• духи;
• инсектициды;
• краски и лаки;
• средства для мытья окон.

Фреоны также начали применять в производстве пищевых полуфабрикатов, в системах теплоизоляции. Уже в 1986 году мировое производство фреонов составило 1.13 млн тонн. Порядка 90% всех фреонов составляют хлорфторуглеводы (ХФУ).

Пути попадания в атмосферу

Первоначально хладоны попадают в тропосферу различными способами — при производстве, транспортировке, заправке и эксплуатации аппаратуры.

Основные источники фреонов:

• пропелленты из аэрозольных баллончиков;
• утечки из кондиционеров, машин и холодильников;
• пенообразователи;
• выделяемые при производстве строительных материалов вещества.

При получении пены, с пенообразующими веществами фреоны образуют эмульсию. В процессе застывания пены часть фреона переходит в атмосферу.

Концентрация фреонов в атмосфере неуклонно возрастает. Из тропосферы молекулы этих веществ медленно поднимаются в стратосферу, причем время их проникновения от поступления в атмосферу до разрушения может исчисляться десятилетиями.

Одна молекула фреона из тропосферы в стратосферу добирается около года. Если она за этот период не будет разрушена, стратосферный газ получит 2 частицы активного хлора.

Влияние на озоновый слой

В научном мире считают, что долгоживущие фреоны способны разрушать прослойку озона.

По уровню воздействия на слой озона фреоны подразделяют:

Еще в 1974 году ученые Калифорнийского университета М. Молина и Ф. Роулент научно обосновали факт возможности разрушения озонового экрана нашей планеты флорфторуглеродами (ХФУ), относящихся к классу фреонов. Распад данных элементов в тропосфере быстро не происходит, поэтому ХФУ попадают в стратосферу.

Оказавшись в стратосфере, поднявшись до высоты порядка 25 км, где максимальна плотность озонового слоя, фреоны разлагаются под воздействием ультрафиолета с выделением активных хлорсодержащих частиц — одного атома хлора и нового устойчивого радикала (ClO), являющихся катализаторами химических реакций, разрушающих озон.

Наибольшую опасность для существования озонового слоя представляет хлорный цикл. Выделившийся хлор (в процессе каталитической реакции разложения молекулы фреона), сталкиваясь с молекулой озона, выбивает 1 атом. В результате озон О₃ превращается в классический кислород О₂ и атомарный — О.

Разрушая озон, хлор действует как катализатор (ускоряет реакцию процесса, но сам не расходуется), то есть количество молекул хлора не уменьшается, поэтому одним атомом хлора до его возврата в тропосферу или дезактивации может быть разрушено порядка 100 тысяч молекул озона.

Ученые считают, что даже полное прекращение выпуска и применения фреонов, особенно ХФУ, не даст мгновенный результат улучшения ситуации. Основная причина — длительное действие (десятилетиями) уже находящихся в атмосфере ХФУ. Например, живучесть фреона-11 и фреона-12 составляет 75 и 100 лет.

В основе теории истощения озонового слоя с участием фреонов лежит статья английских исследователей, опубликованная в 1985 году в издании «Nature».

Авторы высказали предположение о существующей связи между образованием озоновых дыр и разрушающими слой озона промышленными фреонами. Эта гипотеза положила начало мировой кампании защиты озонового экрана нашей планеты от техногенного влияния фреонов.

Уменьшение уровня озона, вплоть до образования «дыр» в стратосфере, происходит преимущественно над Антарктидой. По мнению ученых, основная причина этого явления — фреоны, попадающие в атмосферу.

В холодных местах выделившийся из фреонов свободный хлор, собравшийся на полярных стратосферных облаках в период полярной ночи, накапливается и замерзает. Когда наступает конец весны, под солнечными лучами облака быстро тают, вследствие чего происходит сильный выброс объемов накопившегося хлора, повреждающего озоновый слой в процессе каталитических реакций.

Пути решения проблемы

Инертные и нетоксичные хлорфторуглероды длительное время применялись в качестве хладагентов, пропеллентов, пока не выяснилось, что эти летучие соединения способны разрушать озоновый слой.

Риск остаться без защиты нашей планеты от мутагенного излучения ультрафиолета напугал мировое сообщество, что привело к принятию радикальных мер, направленных на борьбу с фреонами в атмосфере.

Основные действия:

1. В соответствии с Монреальским протоколом, вступившим в действие в 1989 году, страны, подписавшие документ, приняли обязательство не превышения уровня производства фреонов марок 11, 12, 113, 114, 115, достигнутого к 1986 году, а также сократить его производство к 1998 году на 50% и полностью прекратить к 2010 году. Поправками к Протоколу в Лондоне (1990 год) эти цифры были изменены (сокращение выработки фреонов на 50% от уровня 1986 года обеспечить к 1995 году, а полное прекращение — к 2000 году).
2. Взамен хлорфторуглеродов CFC HCFC наладили выпуск гидрофторуглеродов (HFC) и FC, не содержащих атомов хлора, с активностью по отношению к фреонам 0.0-0.1.

Промышленно развитыми странами к 1996 году был полностью прекращен выпуск фреонов. Развивающие страны получили отсрочку до 2010 года. Эффективные меры предприняты промышленностью.

Производителями холодильной техники выполнена замена фреонов озонобезопасными веществами, например:

• хладагентом ГРУ-134а;
• вспенивателем с циклопентаном;
• пропанобутановой смесью.

В 1996 году в учреждении «Всероссийский институт легких сплавов» прошло испытание холодильной установки, обходящейся без фреона, с использованием эффекта Пельте. Суть эксперимента состоит в возникновении на противоположных обкладках кристалла тепла и холода при пропускании через полупроводниковую систему электрического тока.

Причем чем тепло интенсивнее сбрасывается, тем быстрее нарастает холод. Особенность такой холодильной установки — отсутствие компрессора и электродвигателя, что позволяет экономить электроэнергию, а долговечные полупроводниковые элементы обеспечивают надежность агрегата.

Физиками Института общей физики предложен способ уничтожения фреонов в атмосфере путем воздействия микроволновым разрядом мощной пушки.

В результате импульсного разряда образуется плазма, которая избирательным методом очистит атмосферное пространство от фреонов, не приводя к повышению температуры и не допуская обновления новых соединений.

Что касается решения проблемы с фреонами в аэрозольных упаковках, один из путей — замена на углеводородные вещества (бутан, пропан). Например, предприятие в Казани АО «Хитон» еще в 1994 году перешло на выпуск аэрозоли с углеводородным пропеллентом.

Заключение

Фреоны представляют вред для нашей планеты, так как относятся к числу веществ, способствующих разрушению озонового слоя в атмосфере, а также причастны к образованию озоновых дыр. Международное сообщество предпринимает действенные меры для остановки губительного процесса.