тропосфере? Как уже говорилось, разложение его ультрафиолетовым излучением (как в стратосфере) практически исключается, поскольку нужное для этого излучение в тропосферу не проникает.
Специалистами рассматривались разные возможности для удаления фреона из тропосферы. Предполагалось, что он может хорошо растворяться в воде и таким образом с осадками (водяными каплями) вымываться из тропосферы. И действительно, в водах Мирового океана был обнаружен фреон в значительных количествах. Но оказалось, что связывается водой только фреон Ф-22. То есть он перестает быть фреоном и при испарении воды не попадает в атмосферу. Другие типы фреонов не подвержены гидролизу. Поэтому имеет место их фреоноворот: они из атмосферы попадают в воду, а затем из воды в атмосферу. Вот почему их пребывание в воде не решает проблемы, поскольку оно бывает только временным. Конечно, водяной пар — это не единственная примесь атмосферы, которая может оказывать влияние на судьбу фреонов. Таких составляющих атмосферы, несомненно, много. Плохо только, что мы пока что не в состоянии определить, какие из них эффективно взаимодействуют с фреонами. Специалисты сходятся на том, что с фреонами должны взаимодействовать различные заряженные атомы и молекулы. Для краткости их называют аэроионами («аэро» — воздух). Конечно, нельзя говорить об аэроионах вообще. Каждый из них имеет свои характеристики, одни из них взаимодействуют с фреонами, а другие нет. Из взаимодействующих одни выделяются высокой эффективностью этого взаимодействия, а другие — низкой. Поэтому сказать, что фреоны могут исчезать в реакциях с аэроионами — значит не сказать ничего. Конечно, данный механизм разложения фреонов в тропосфере обсуждается специалистами очень активно. Но, к сожалению, возможности этих обсуждений весьма ограничены отсутствием необходимой информации как о составе аэроионов, так и о скоростях (а точнее, константах) их реакций с фреонами.
Можно не сомневаться, что возможностей для разложения фреона в тропосфере очень много. Например, было установлено, что если фреон находится не сам по себе, а на поверхности частиц песка, то он может разлагаться и менее энергичным ультрафиолетовым излучением, когда он свободен. То есть в этом случае фреон может разлагаться тем ультрафиолетовым излучением, которое достигает поверхности Земли (с длиной волны больше 300 нм). Если это так, то возможности разложения фреонов имеются не только на поверхности Земли, где распространен песок, но и в атмосфере, поскольку в атмосфере находится большое количество почвенных аэрозольных частиц. Мировые пустыни (например, в Северной Африке) поставляют в атмосферу большое количество кварцевых частиц. По-видимому, сейчас еще рано говорить о том, какое количество фреонов погибает в тропосфере, не дойдя до стратосферы. Тем не менее некоторые предварительные оценки, проведенные специалистами (конечно, при большом числе предположений), имеются. Согласно им таким путем может погибать даже половина всех фреонов. Но другая половина все же остается и попадает в стратосферу. А может, в тропосфере исчезает не 50 % фреонов, а все 90 или 99 %? Отрицать сейчас такую возможность никто аргументированно не может.
Мы уже говорили о том, что озон используется специалистами в качестве трассера, что-то вроде меченого атома, наблюдая за перемещением которого можно определить, куда и как быстро двигалась вся воздушная масса, к которой вынужден двигаться озон. В 1971 году специалисты высказали идею, что таким трассером может служить не только озон, но и сами фреоны: достаточно аккуратно замерять их изменение в разных местах земного шара, и таким путем можно получать картину глобальной циркуляции атмосферы. Поскольку фреоны выбрасываются в атмосферу главным образом в северном полушарии, то в наиболее явном виде эта идея может использоваться для определения с помощью фреонов циркуляции атмосферного газа из северного полушария в южное. С 1973 года проводятся измерения количества фреонов в атмосфере как на стационарных, постоянно действующих станциях, так и на станциях с эпизодическим режимом работы.
Естественно, для проведения измерения фреонов в атмосфере необходимо было разработать соответствующие методы и создать необходимые приборы. Методы должны базироваться на тех процессах, в которых участвуют фреоны. Это прежде всего процессы поглощения света с определенной длиной волны. Так, фреоны поглощают инфракрасное излучение с длинами волн в диапазоне от 9 до 12 мкм. Измеряя интенсивность этого излучения (исходящего от Солнца), можно получать информацию о количестве фреонов на всем пути прохождения излучения. Как уже было сказано раньше, при этом получается общее содержание поглощающего вещества (в данном случае фреонов) во всем столбе атмосферы с единичным поперечным сечением. На этом же принципе можно проводить и измерения фреонов в приземном слое воздуха. Но при этом в методику измерений вводятся дополнительные элементы. В частности, заставляют поглощающийся луч света проходить многократно через воздух с определенным количеством фреона. Это устройство называется многоходовой кюветой. Имеются и другие технические возможности.
Измеряют количество фреонов и другими методами. В частности, применяется для этого классический способ — на основании анализа проб атмосферного воздуха. Но метод хроматографии, успешно применяемый для определения количества других составляющих атмосферы, которых больше, чем фреонов, здесь работает на пределе. Этот метод имеет чувствительность до 10-11-10-12. Здесь речь идет не об абсолютной величине концентрации данной составляющей атмосферы (например, фреонов), а об объемном (по отношению к озону). Так вот, количество фреонов в незагрязненной атмосфере таково, что его объемное отношение смеси находится в пределах 10-10 — 10-11. Другими словами, чтобы измерения были достоверными, необходимо повышать чувствительность измерительного прибора. Специалисты достигают этого разными путями. Одни проводят измерения газовым хроматографом в сочетании с масс-спектрометром. Масс-спектрометр позволяет сортировать, различать частицы по массам. Эта дополнительная информация и используется для повышения разрешения газового хроматографа. Другие специалисты до проведения измерений в отработанных пробах воздуха проверяют их криогенное обогащение. При этом отношение смеси увеличивается в известное число раз. Поэтому измерять его можно более уверенно. Таким путем чувствительность прибора (газового хроматографа) увеличивается примерно в 10 раз. Это крайне необходимо там, где отношение смеси фреонов малое, например в стратосфере.
Что дают измерения фоновых концентраций, которые содержатся в атмосфере? Прежде всего надо отметить, что имеется очень большой разброс данных, то есть результаты измерений очень сильно отличаются в разное время. Сильная изменчивость содержания фреонов также затрудняет анализ получаемых данных. Трудно отличить, где различие в данных вызвано реальным колебанием в концентрации фреонов в разные моменты времени, а где это обусловлено самим процессом измерений.
Можно говорить о тенденции увеличения количества фреонов в атмосфере. Уверенно регистрируются поступления фреонов в данную местность (на данную станцию) с воздушными массами из тех районов, где их больше поступает в атмосферу. Так, если к месту измерения поступают воздушные массы из густонаселенных районов и индустриальных населенных пунктов, то регистрируется большее количество фреонов. Например, в Ирландии на станции Адригола, где измеряется фоновая концентрация фреонов, часто регистрируется следующая картина. Если воздушные массы поступают из Западной Европы, то концентрация фреона Ф-11 в среднем на треть выше, нежели в том случае, когда воздушные массы поступают на станцию из Атлантики. Нет худа без добра. В таких случаях можно по концентрации фреонов делать заключение о том, откуда приходят в данную местность воздушные массы. Так делается, например, в Англии. Здесь по величине концентрации фреона Ф-11 (по ее повышению) делают заключение, что воздушные массы пришли сюда из Западной Европы.
Сильная изменчивость концентрации фреонов наблюдалась и на других станциях. Так, в течение второй половины 1973 года концентрация фреона Ф-11 менялась на 79 % на станции Мыс Барроу (Аляска), на все 134 % за этот же период на мысе Мататула (Самоа), на 78 % на Гавайских островах (станция Мауна-Лоа).
В тех местах, где фреоны непосредственно выбрасываются в атмосферу, то есть в промышленных центрах и крупных городах, концентрация фреонов значительно превышает фоновую. В крупных городах Европы это превышение может быть 50-кратным (это касается фреонов Ф-11 и Ф-12).
Конечно, концентрация фреонов в районах их источников меняется очень сильно ото дня ко дню. Это зависит от характера атмосферной циркуляции. Так, подход холодных воздушных масс действует положительно на концентрацию фреона: прохождение холодного фронта способно уменьшить в данном месте концентрацию фреонов в два раза.
ВЫСОТНЫЕ САМОЛЕТЫ И ОЗОН
Высокая температура достигается в камерах сгорания турбореактивных двигателей высотных самолетов. Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скорость образования окислов азота тем больше, чем выше температура, то есть чем больше мощность двигателя.
Важна не только мощность двигателя самолета, но и высота, на которой он летает и выпускает разрушающие озон окислы азота. Так, в тех двигателях, которые установлены на таких самолетах, как «Боинг-707», «Боинг-727», ДС-8, ДС-9, «Трайдент», «Каравелла», ВАС-111, на 1 кг израсходованного топлива образуется от 4 до 5,5 г окиси азота NO. Самолеты с более мощными двигателями выделяют больше окиси азота (в расчете на 1 кг топлива). Так, широкофюзеляжные самолеты типа «Локхид-1011», ДС-10, А-300 в своих двигателях образуют по 10–11 г окиси азота на 1 кг топлива. Двигатели «Олимпус-593», которые установлены на самолетах «Конкорд», побивают все рекорды. У них выделяется 18 г окиси азота на 1 кг топлива. По этой причине полеты этого сверхзвукового англо-французского самолета в США были ограничены.