Фрагмент курса «Международное и национальное законодательство в сфере охраны озонового слоя». Часть 1

Представляем вашему вниманию фрагмент учебного пособия «Международное и национальное законодательство в сфере охраны озонового слоя». Пособие подготовлено для обучения слушателей Арктического учебного центра холодильных технологий, созданного при Мурманском государственном техническом университете (МГТУ) в рамках проекта по выводу озоноразрушающих веществ и фторсодержащих газов в рыбохозяйственном секторе Мурманской области. Разработчиком и исполнительным агентством проекта выступил Международный центр научной и технической информации (МЦНТИ).

В данном фрагменте курса рассматриваются такие понятия, как:

• Озоновый слой и его роль в защите Земли от жесткого УФ-излучения
• Озоноразрушающие вещества, в том числе хлорфторуглероды (ХФУ) и гидрохлорфторуглероды (ГХФУ)
• Озоноразрушающая способность (ОРС)
• Парниковый эффект и глобальное потепление
• Парниковые газы, в том числе – фторсодержащие (Ф-газы)
• Гидрофторуглероды (ГФУ)
• Потенциал глобального потепления (ПГП)

Озоновый слой и озоноразрушающие вещества

Озоновый слой и УФ-излучение спектра В

Часть атмосферы с наибольшей концентрацией озона называют озоновым слоем. Озоновый слой располагается в стратосфере — на высоте от 20 до 40 км. "Озоновый слой" — условное понятие. Не стоит представлять его в виде реальной прослойки газообразного озона где-то посреди стратосферы. Озон в атмосфере представлен редкими молекулами, парящими в толще воздуха.

Концентрация озона в стратосфере составляет лишь от 2 до 8 частей на миллион. Общее количество озона в атмосфере таково, что если весь его собрать на уровне моря при 0°С, он образует слой толщиной всего около 3 мм!

Содержащийся в верхних слоях атмосферы молекулярный кислород (O₂) поглощает наиболее жесткое ультрафиолетовое (УФ) излучение спектра С (длина волны 100 — 280 нм) и под его воздействием распадается на атомы. Атомарный кислород взаимодействует с молекулами кислорода O₂, образуя озон — газ, молекула которого состоит из трех атомов кислорода – O₃.

Поглощая УФ-излучение спектра B (280 — 315 нм), озон распадается на молекулу O₂ и атом кислорода. Естественный процесс распада и взаимного превращения молекулярного кислорода и озона, в целом, носит равновесный характер, и, без вмешательства дополнительных факторов, концентрация озона в верхних слоях атмосферы должна оставаться постоянной.

В результате описанных выше процессов солнечное УФ-излучение в наиболее опасных спектрах С и В практически полностью поглощается в верхних слоях атмосферы. До поверхности Земли доходит, главным образом, относительно безопасное УФ-излучение спектра А (315 — 400 нм), наиболее близкое к видимому свету. Однако, согласно метеорологическим данным, начиная с 1925 года, количество поступающего на Землю УФ-В излучения стало неуклонно расти. У человека УФ-излучение этой части спектра вызывает солнечные ожоги, способствует снижению иммунитета, повышает риск рака кожи, заболеваний глаз и повреждения ДНК.

Повышение интенсивности УФ-излучения также затрудняет процесс фотосинтеза у растений и ведет к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, кроме того, от ультрафиолета гибнет фитопланктон – кормовая база обитателей Мирового океана.

На основе метеорологических наблюдений был сделан вывод, что озоновый слой стал хуже справляться с защитой поверхности Земли, однако причины этого явления долгое время оставались неясны.

Гипотеза о способности некоторых галогенуглеводородов разрушать стратосферный озон и обнаружение "озоновой дыры" над Антарктикой

В 1974 году химики из Калифорнийского университета Марио Молина (Mario Molina) и Фрэнк Шервуд Роуланд (Frank Sherwood Rowland) предположили, что причиной разрушения стратосферного озона могут быть синтезированные человеком галогеносодержащие соединения, прежде всего — хлорфторуглероды (ХФУ).

ХФУ характеризуются долгим сроком жизни в атмосфере, в течение которого они без изменений способны добраться до средних слоев стратосферы. Там под воздействием УФ-излучения ХФУ диссоциируют (распадаются) с образованием атомарного хлора. По мнению Роуланда и Молины, именно эти атомы хлора и вызывали масштабное разрушение озона в стратосфере. Выводы ученых основывались на работе голландского физика Пауля Крутцена (Paul Crutzen), описавшего похожий механизм разрушения стратосферного озона с участием закиси азота (NO).

С критикой гипотезы выступили производители ХФУ, а также некоторые ученые, отрицавшие связь между выбросами ХФУ и увеличением количества УФ-В излучения, достигающего поверхности Земли.

Доказательства правоты Роуланда и Молины были получены в 1985 году, когда в рамках программы Антарктического управления Великобритании был проведен анализ изменения значения наименьшей концентрации озона в стратосфере над Антарктидой.

Анализ показал, что за период с 1975 по 1984 годы наименьшая концентрация озона снизилась на 40%.

Параллельно исследование озонового слоя велось американскими учеными, проводившими мониторинг при помощи спутниковых инструментов TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer — Картирующий спектрометр суммарного уровня озона). Всего было создано пять таких инструментов, четыре из которых удалось успешно запустить на орбиту. Первые два инструмента TOMS, установленные на американском спутнике Nimbus-7 и советском "Метеор-3-5" обеспечили непрерывное проведение ежедневных замеров толщины озонового слоя с ноября 1978 года по декабрь 1994 года.

В августе 1985 года на конференции Международной ассоциация геомагнетизма и аэрономии / Международной ассоциации метеорологии и физики атмосферы (МАГА/МАМФА) в Праге было представлено полученное при помощи TOMS изображение "озоновой дыры" над Южным полушарием, датированное 1 октября 1983 года.

Как и понятие "озоновый слой", термин "озоновая дыра" не следует понимать буквально — в стратосферном озоновом щите нет прорех или отверстий. "Дырой" называют область с содержанием озона ниже 220 единиц Добсона. 1 единица Добсона соответствует слою озона толщиной 10 мкм при стандартных условиях, или содержанию 2,69·10^16 молекул озона в атмосферном столбе с площадью основания в 1 квадратный сантиметр (0,447 миллимоля на квадратный метр).

История создания и распространения хлорфторуглеродов (ХФУ), понятие озоноразрушающей способности (ОРС)

В 1890-х годах бельгийский химик Фредерик Свартс разработал метод лабораторного получения хлорфторуглеродов (ХФУ) путем замены атомов хлора в молекуле четыреххлористого углерода (CCl₄) атомами фтора. С помощью своего метода Свартс смог получить дихлордифторметан (CF₂Cl₂) и фтортрихлорметан (CFCl₃). Впоследствии эти вещества получили обозначение R-12 и R-11 (ХФУ-12 и ХФУ-11), соответственно.

Начало массового производства ХФУ было связано с потребностью в негорючем и невзрывоопасном хладагенте, не наносящем вреда здоровью при случайном вдыхании паров.

В 1928 году химики под руководством Томаса Миджли-мл. усовершенствовали методику синтеза ХФУ и предложили использовать их в качестве безопасной альтернативы применявшемся в то время хладагентам. Дихлордифторметан (ХФУ-12) получил коммерческое наименование «фреон». Со временем название «фреон» распространилось на все синтетические хладагенты.

Помимо использования в качестве хладагентов, фреоны нашли применение в производстве аэрозолей, а также вспененной изоляции.

После того, как была установлена связь ХФУ с разрушением озонового слоя, в качестве временной альтернативы были предложены так называемые переходные хладагенты – гидрохлорфторуглероды (ГХФУ). Наибольшее распространение получили такие ГХФУ как R-22, R-141b, R-123. ГХФУ, хоть и в меньшей степени, чем ХФУ, также являются озоноразрушающими веществами.

Разрушительное воздействие веществ на озоновый слой измеряется их озоноразрушающей способностью (ОРС). За единицу ОРС принята озоноразрушающая способность ХФУ-11. В таблице ниже представлены значения ОРС для некоторых ХФУ, ГХФУ, галонов и прочих ОРВ, приведенные в соответствующих приложениях Монреальского протокола.

Значения озоноразрушающей способности носят оценочный характер, основаны на имеющейся научной информации и периодически подвергаются обзору и пересмотру.

Глобальное потепление и фторсодержащие парниковые газы

Глобальное потепление и вклад деятельности человека в изменение климата

Земная атмосфера, подобно стеклу парника, почти беспрепятственно пропускает видимый свет извне, но при этом не пропускает тепловое излучение с поверхности Земли, не давая ей остывать. Это явление было названо парниковым эффектом.

Непрозрачность атмосферы для ИК-лучей обусловлена присутствием так называемых "парниковых газов". К наиболее активным парниковым газам относятся водяной пар (H₂O), углекислый газ (CO₂), озон (O₃) – следует отметить, что в процессах, связанных с глобальным потеплением, участвует, в основном, не стратосферный, а тропосферный озон, метан (CH₄) и закись азота (N₂O). Эти газы имеют природное происхождение. Количество этих газов, поступающее в атмосферу в ходе естественных процессов, обеспечивает поддержание температуры поверхности Земли на относительно стабильном уровне.

Однако с 1901 по 2012 годы был зафиксирован рост средней приповерхностной температуры воздуха на 0,69 — 1,09°C, причем две трети этого роста пришлись на последнюю четверть рассматриваемого периода.

Такое изменение климата называют глобальным потеплением.

Глобальное потепление негативно влияет на окружающую среду, жизнь и здоровье людей.

В настоящее время ученые мира пришли к консенсусу относительно того, что причиной глобального потепления является повышение концентрации парниковых газов вследствие человеческой деятельности — антропогенные парниковые выбросы.

Наибольший приток парниковых газов в атмосферу в результате деятельности человека обеспечивает образование диоксида углерода (углекислый газ, CO₂) при сжигании органического и ископаемого топлива.

Антропогенные выбросы второго по значимости парникового газа — метана (СH₄) — связаны с ростом сельского хозяйства, животноводства (увеличение количества навоза), рисоводства (заболачивание местности) и увеличением числа мусорных свалок.

Увеличение концентрации водяного пара в атмосфере из-за глобального потепления еще более усиливает парниковый эффект.

Вносят вклад в парниковый эффект и искусственно синтезированные человеком вещества, в том числе фторсодержащие хладагенты — хлорфторуглероды (ХФУ), гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), гидрофторуглероды (ГФУ). В абсолютном выражении их количество, попадающее в атмосферу в результате утечек из действующего и выведенного из эксплуатации холодильного оборудования, относительно не велико, однако по силе парникового воздействия большинство из них в сотни и тысячи раз превосходят CO₂.

Фторсодержащие парниковые газы (Ф-газы). Понятие потенциала глобального потепления (ПГП)

Все фторсодержащие хладагенты — ХФУ, ГХФУ и ГФУ — обладают парниковым воздействием, однако понятие «фторсодержащие парниковые газы» (Ф-газы) обычно относят только к ГФУ, не обладающим озоноразрушающими свойствами. Помимо ГФУ к Ф-газам причисляют перфторуглероды (ПФУ), элегаз (гексафторид серы, SF₆) и трифторид азота (NF₃).

Величиной, характеризующей относительную степень воздействия вещества на глобальное потепление, является потенциал глобального потепления — ПГП. За единицу ПГП принято парниковое воздействие диоксида углерода (CO₂), то есть, значение ПГП показывает, во сколько раз данное вещество сильнее способствует нагреву поверхности Земли относительно диоксида углерода.

Расчет ПГП — сложная процедура. Значения ПГП периодически пересматриваются на основе новейших исследований, а также в свете совершенствования научного понимания. Как правило, для одного и того же вещества в литературе можно встретить разные значения ПГП. Это связано с различными источниками происхождения этих значений, а также с тем, что значения ПГП рассчитываются на разные промежутки времени. Обычно под ПГП подразумевается ПГП на срок в 100 лет. Рассматриваются также 20-летний и 500-летний ПГП, во избежание путаницы эти величины обозначаются ПГП20, ПГП500.

В таблице ниже приведены значения 100-летнего ПГП для некоторых парниковых газов. Значения для ОРВ и Ф-газов взяты из соответствующих приложений к Монреальскому протоколу, для прочих парниковых газов — из 6-го оценочного доклада Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК).

Читайте продолжение:

Фрагмент курса «Международное и национальное законодательство в сфере охраны озонового слоя». Часть 2