Разрушение газообразного озона

Разрушение озона происходит в трех каталитических циклах. Эти циклы открыли , и за это получили в 1995 году нобелевскую премию итальянец Марио Молина, совместно с американцем Франком Роулендом и датчанином Паулем Крутценом.

Один из них – хлорный:

O₃ + Cl→ ClО+О₂

ClО+ O₃→ Cl+ 2О₂

Установлено, что за время нахождения в свободном состоянии один атом хлора в среднем разрушает 100 000 молекул O₃.

Источниками атомарного хлора являются:

1. Частицы океанического аэрозоля, содержащие в своем составе 75% молекулы NaCl (их за год образуется 1.5*10⁹ тон), которые, поднимаясь в стратосферу, под действием солнечной радиации высвобождают Cl.

2. Фреоны (галогенпроизводные углеводородов), выделяющиеся из техногенных источников (свалок бытовых холодильников), которые также, поднимаясь в стратосферу, подвергаются фотолизу, высвобождая Cl.

Причиной того, что образовавшийся в стратосфере,  Cl, спустя некоторое время перестает разрушать O₃, является то, что он связывается в следующих реакциях:

Cl+ NO→ NOCl (хлористый нитрозил);

2Cl+СО→ СОCl₂ (фосген).

2Cl+ СН₄→СН₂Cl₂

Участвующее в данной реакции, NO образуется в стратосфере, в основном, в результате фотолиза N₂ O,поступающего в нее из тропосферы.

СО также поступает главным образом из тропосферы, поскольку ощутимый фотолиз СО₂ начинается лишь на высотах более 100 км.

Второй (а по значимости возможно и первый) цикл – водородный, хотя правильней его видимо было бы назвать гидроксильным.

O₃ + ОН→ НО₂+О₂

НО₂+ O₃→ ОН + 2О₂

Установлено, что за время нахождения в свободном состоянии один радикал ОН в среднем разрушает 30 000 молекул O₃.

Главным источником ОН является фотолиз водяного пара, начинающийся на высотах более 15 км под действием солнечной радиации УФ диапазона:

Н₂О+ hν (λ<320нм) = Н+ОН

На высотах более 30 км, где много атомарного кислорода, все более влиятельными становятся реакции:

О+Н=ОН

СН₄+ 3О→ СН₂О+2ОН

Причиной того, что образовавшиеся в стратосфере ОН, спустя некоторое время перестает разрушать O₃, является то, что он связывается в следующих реакциях:

ОН+ NO→ НNO₂;

2ОН+СО→ Н₂ СО₃.

2ОН+ СН₄→СН₂ ОН₂

Несмотря на то, что каждый, образовавшийся в стратосфере радикал ОН, способен разрушить меньше молекул O₃, поток молекул воды, поступающий из тропосферы в стратосферу существенно больше, чем веществ, способных выделять хлор. Именно поэтому в южном ( преимущественно океаническом полушарии планеты) среднее значение ОСО в полтора раза меньше, чем в северном полушарии, содержащем основную часть техногенных источников фреонов. По той же причине над экваториальным поясом, где максимален вынос в стратосферу водяного пара, на протяжение всего года ОСО существенно меньше, чем над регионами Умеренных климатических поясов.     

Третьим по своей значимости является азотный цикл разрушения озона (цикл Крутцена).

O₃ + NO→ NО₂+О₂

NО₂+ O₃→ NO + 2О₂

Значимость этого цикла зависит от содержания в воздухе NO.

При малых концентрациях этого вещества данный цикл практически не работает, поскольку гораздо большее влияние играют рассмотренные выше реакции NO с Cl и ОН, связывающие вещества, которые весьма активно разрушают О₃. Если реакционные потоки Cl и ОН существенно меньше, чем реакционный поток NO, то реакции цикла Крутцена начинают играть значимую и даже основную роль. Именно так происходило при испытаниях в атмосфере ядерных боеприпасов, приводивших к образованию и выносу в стратосферу огромных количеств   NO и NО₂.

Способствует повышению значимости азотного цикла также массовый выброс в атмосферу оксидов азота в результате полетов реактивной авиации, запусков ракет и применения азотных удобрений.

Вулканические извержения способны по разному влиять на разрушение стратосферного озона. Если они не сопровождаются очень мощными взрывами и в стратосферу в основном поднимаются газы (в том числе СН₄, CO, SO₂) , над районами извержений ОСО увеличивается – что и наблюдается над Камчаткой и Охотским морем, а также Гавайскими островами и Новой Зеландией. Если при извержениях происходят мощные взрывы,  сопровождаемые выбросом вулканического пепла в стратосферу, это также приводят к интенсивному разрушению стратосферного озона и понижению ОСО  на 4-8%.

Поскольку реакции O₃ с NO, NО₂ , Cl и ОН, а также с частицами аэрозоля протекают также и в тропосфере, именно они играют заметную роль в   разрушении тропосферного озона. Также участвуют в этом процессе присутствующие в тропосфере капли и кристаллы воды, образующие облака и атмосферные осадки. Вследствие высокой химической активности озона, это вещество не проникает вглубь подобных водных объектов глубже, чем на 3 мкм, реагируя с веществами накапливающимися их поверхностном микрослое. Поэтому очищению приземного слоя атмосферы от тропосферного озона способствуют туманы , дожди и снегопады.

Накоплению тропосферного озона в приземном слое атмосферы способствует загрязнение его CO, а также углеводородами.