Хлорфторуглероды и разрушение озонового слоя

Посвящен Калифорнийскому университету в Ирвине 18 апреля 2017 г.

Язык сухой и академичный, как и подобает реферату научной статьи в престижном журнале. Природа. Однако исследование, описанное в короткой статье, произвело эффект разорвавшейся бомбы, последствия которой будут ощущаться во всем мире. Это вызвало ожесточенные дебаты, привело к глобальному экологическому соглашению, ограничивающему использование широкого класса химических веществ, и изменило отношение людей к их влиянию на окружающую среду Земли. Это также привело к тому, что Ф. Шервуд Роуленд (1927–2012) и Марио Дж. Молина (* 1943) разделили Нобелевскую премию по химии 1995 года с Полом Дж. Крутценом из Института химии Макса Планка в Майнце, еще одним пионером в исследованиях стратосферного озона. .

Роуленд, профессор химии Калифорнийского университета в Ирвине, и Молина, научный сотрудник лаборатории Роуленда, показали, что хлорфторуглероды — ХФУ — могут разрушать озон, молекулу, состоящую из трех атомов кислорода, O₃, в стратосфере Земли. Этот стратосферный озон поглощает ультрафиолетовое излучение, которое в противном случае достигло бы поверхности Земли.В то время ХФУ широко использовались в холодильной технике, кондиционерах и аэрозольных баллончиках. Соединения инертны и практически нетоксичны, что делает их хорошо подходящими для этих применений. Однако эти же характеристики также делали их опасными для жизни на Земле.

Содержание

• Широкое использование ХФУ
• Важность озона
• От исследований к сопротивлению
• Антарктическая озоновая дыра
• Знаковое посвящение и признание
• Дополнительные ресурсы

НАСА начало измерять стратосферный озоновый слой Земли с помощью спутника в 1979 году. К тому времени, когда в 1989 году вступил в силу Монреальский протокол, концентрации озона (в единицах Добсона) над Антарктидой значительно снизились, что привело к увеличению озоновой дыры. По данным НАСА, уровни озона с тех пор стабилизировались, но до восстановления еще далеко.

Предоставлено Jesse Allen (2016), с использованием данных OMPS Suomi NPP, предоставленных Colin Seftor (SSAI), и данных Aura OMI, предоставленных научной группой Aura OMI. АЭС Суоми является результатом партнерства НАСА, NOAA и Министерства обороны.

Широкое использование ХФУ

В 1920-х годах в системах охлаждения и кондиционирования воздуха в качестве хладагентов использовались такие соединения, как аммиак, хлорметан, пропан и диоксид серы. Несмотря на эффективность, соединения были токсичными и легковоспламеняющимися, и их воздействие могло привести к серьезным травмам или смерти. Группа химиков Frigidaire под руководством Томаса Миджли-младшего (1889–1944) работала над созданием нетоксичных и негорючих альтернатив хладагентам.

Команда сосредоточила свои усилия на соединениях, содержащих углерод и галогены, такие как фтор и хлор. Известно, что такие соединения летучи и химически инертны, что является важным свойством для группы, изучающей их использование в холодильной технике. Первым соединением, которое они разработали, был дихлордифторметан, CCl.₂Ф₂, который они назвали «Фреоном». Миджли получит медаль Перкина Общества химической промышленности за это исследование в 1937 году; в 1941 году он был награжден медалью Пристли, высшей наградой Американского химического общества, за вклад в химию.

К началу 1970-х годов ХФУ получили широкое распространение, и мировое производство соединений достигло почти одного миллиона тонн в год, что составляет примерно 500 миллионов долларов в химической промышленности.

Хлорфторметаны добавляются в окружающую среду в неуклонно увеличивающихся количествах. Эти соединения химически инертны и могут оставаться в атмосфере в течение 40–150 лет, а их концентрации, как ожидается, превысят нынешние уровни в 10–30 раз. Фотодиссоциация хлорфторметанов в стратосфере производит значительное количество атомов хлора и приводит к разрушению атмосферного озона».

— Ф. Шервуд Роуленд и Марио Дж. Молина, Природа, 1974

Важность озона

С экологической точки зрения озон представляет собой запутанную молекулу. В тропосфере, области атмосферы от поверхности Земли до примерно 6 миль, озон является загрязнителем, который является компонентом фотохимического смога. Но в стратосфере, области атмосферы от 6 до 31 мили, озон поглощает потенциально вредное ультрафиолетовое (УФ) излучение.

Как заявила Шведская королевская академия наук в объявлении о присуждении Нобелевской премии по химии за 1995 год: «Хотя озон встречается в таких малых количествах, он играет исключительно важную роль в жизни на Земле. Это связано с тем, что озон вместе с обычным молекулярным кислородом ( O₂), способен поглощать большую часть солнечного ультрафиолетового излучения и, таким образом, предотвращать попадание этого опасного излучения на поверхность. Без защитного озонового слоя в атмосфере животные и растения не могли бы существовать, по крайней мере, на суше».

Интерес Роуленда к судьбе ХФУ в атмосфере был вызван докладом, который он услышал на конференции в 1972 году.Докладчик обсудил результаты, полученные Джеймсом Лавлоком (*1919), британским ученым, который изобрел высокочувствительный способ измерения газовых примесей. Лавлок измерил количество трихлорфторметана (ХФУ-11) в атмосфере, которое предполагало, что практически весь когда-либо произведенный ХФУ-11 все еще присутствует в атмосфере.

Роуленд решил посвятить часть своих исследований изучению судьбы фреонов в атмосфере. Хотя ХФУ инертны в нижних слоях тропосферы, Роуленд понял, что они могут быть разрушены УФ-излучением, когда они поднимаются в стратосферу. В конце 1973 года Роуленд и Молина, которые недавно присоединились к лаборатории Роуленда, использовали данные из различных опубликованных источников, чтобы рассчитать, что молекулы ХФУ, выпущенные вблизи поверхности Земли, спустя десятилетия окажутся в стратосфере, где УФ-излучение будет отщепляться. атомы хлора. Каждый атом хлора немедленно прореагирует с молекулой озона, запустив цепную реакцию, которая уничтожит тысячи молекул озона. В своей статье они подсчитали, что если немедленно запретить использование ХФУ, потеря озона будет продолжаться в течение многих лет. Однако, если производство ХФУ продолжится, потери озона будут еще больше.

«Когда мы поняли, что существует очень эффективная цепная реакция, это превратило исследование CFC из интересной научной проблемы в проблему, имеющую серьезные экологические последствия», — сказал Роуленд. Новости химии и техники в обширном интервью в 2007 году. «У вас не часто бывает мурашки по спине, когда вы смотрите на научные результаты», — добавил он, но это был один из таких моментов.

От исследований к сопротивлению

В 1976 году Национальная академия наук выпустила отчет, подтверждающий разрушительное воздействие ХФУ на стратосферный озон. Слушания в Конгрессе пришли к аналогичным выводам, и штаты и федеральное правительство начали изучать запреты на использование ХФУ в аэрозольных баллончиках.Химическая промышленность утверждала, что данные о фреонах и стратосферном озоне неубедительны и не требуют решительных действий. Когда Роуленд читал лекции о ХФУ, отраслевые группы часто делали заявления, оспаривающие его заявления. Как вспоминает сегодня Молина, «Шерри [Роуленд] была авторитетным и уважаемым ученым, регулярно выступавшим с докладами по всему миру. Казалось, что из-за того, что он сосредоточился на ХФУ и разрушении озонового слоя, он стал получать меньше приглашений выступить. Это беспокоило его».

Роуленд, Молина и другие ученые, пытавшиеся понять химию стратосферы, столкнулись с серьезными и фундаментальными проблемами. Во взаимодействии ХФУ и озона в стратосфере явно участвовало значительное число химических соединений. Большинство из них очень реакционноспособны и присутствуют только в следовых количествах. Их химию было трудно воспроизвести в лаборатории.

Кроме того, концентрации стратосферного озона естественным образом колеблются в зависимости от географического положения и сезона. Стратосфера — непростое место для проведения исследований. Измерения концентрации озона проводились приборами, доставляемыми в стратосферу воздушными шарами и самолетами. Озон также измеряли с помощью приборов на спутниках, вращающихся вокруг Земли, хотя спутниковая технология в середине 1970-х годов была еще довольно примитивной.

Все эти неопределенности дали критикам гипотезы Роуленда и Молины много материала для работы. Они очень убедительно доказывали многим, что просто не имеет смысла принимать меры против класса очень полезных химических веществ на основании таких надуманных доказательств. Промышленные критики, в частности, утверждали, что одно дело — предложить поэтапный отказ от использования ХФУ в качестве пропеллента в аэрозольных баллончиках — относительно тривиальное использование соединений — и совсем другое — рассмотреть вопрос о запрете их использования в холодильниках и кондиционерах, где это очевидно. альтернатив ХФУ в то время просто не существовало.

Антарктическая озоновая дыра

Важнейшие доказательства, подтверждающие гипотезу ХФУ, были получены от британских ученых, работающих на станции Галлей-Бей Британской антарктической службы, которые десятилетиями проводили наземные измерения общего содержания озона. В 1984 г. Джозеф С. Фарман (1930–2013 гг.) и его коллеги из BAS изучили необработанные данные и обнаружили, что содержание стратосферного озона значительно уменьшилось с 1960-х годов. В 1985 году ученые опубликовали в журнале Nature статью, в которой сообщалось, что в сентябре, в конце южной зимы, стратосферный озон над Антарктидой уменьшился на 40%.

Антарктическая озоновая дыра, как ее стали называть, сделала разрушение озонового слоя реальной и реальной опасностью для законодателей и широкой общественности. Прогнозы значительного увеличения заболеваемости раком кожи в результате продолжающегося использования ХФУ стимулировали международные действия. В 1987 году 56 стран согласились в соответствии с так называемым Монреальским протоколом сократить производство и использование ХФУ вдвое. В последующие годы протокол был усилен, чтобы потребовать постепенного прекращения производства ХФУ и других озоноразрушающих веществ во всем мире.

В результате работы Роуленда и Молины люди впервые осознали, что их деятельность может влиять на окружающую среду Земли в планетарном масштабе. Как говорит сегодня Молина: «Неважно, где происходят выбросы ХФУ. Это глобальная проблема. Важно то, что это привело к международному соглашению, которое решило проблему». Сага о ХФУ и озоновом слое содержит много уроков для человечества, сталкивающегося с еще более серьезной проблемой глобального изменения климата.

Помимо работы, получившей Нобелевскую премию, которая показала, что ХФУ разрушают озоновый слой Земли, Роуленд и Молина сыграли ключевую роль в убеждении ученых, политиков и широкой общественности в вредном воздействии ХФУ. Их беспрецедентная пропаганда в конечном итоге привела к поэтапному отказу от ХФУ во всем мире благодаря принятию Монреальского протокола в 1987 году.Исследование Роуленда и Молины привлекло внимание всего мира к влиянию антропогенного загрязнения на планетарные масштабы. Их работа была одной из первых, которые напрямую повлияли на глобальный сдвиг в политике, предшествовавший нынешним дебатам об изменении климата».

— Кеннет С. Джанда, профессор химии и декан Школы физических наук Калифорнийского университета в Ирвине.