Специалисты считают, что выделение окиси азота в турбореактивных двигателях может быть уменьшено в несколько раз (до 2 г/кг). Общее количество окиси азота, которое выбрасывается в атмосферу в год, оценивается в 1 миллиард тонн. Примерно треть этого количества выбрасывается самолетами выше среднего уровня тропопаузы (11 км).
Ранее был опубликован прогноз выделения окиси азота на разных высотах и расходуемого самолетами топлива на 1990 год. Мы не располагаем сейчас данными о мировом распределении, которое на самом деле имеет место. Поэтому приводим таблицу с данными этого прогноза. Они дадут читателю представление о масштабе этих выбросов.
Что касается самолетов, то наиболее вредными для озона являются выбросы военных самолетов, количество которых исчисляется десятками тысяч. Они летают преимущественно на высотах озонного слоя.
Ракеты-носители, поднимающие многоразовый корабль «Шаттл», выбрасывают в атмосферу 187 тонн хлора и его соединений, которые также вредны для озона. Одна же молекула хлора способна уничтожить до ста тысяч молекул озона. Кроме того, часть вредных для озона выбросов попадает в стратосферу сверху, поскольку «Шаттл» поднимается до высоты 52,1 км. На этих же высотах «Шаттл» выбрасывает примерно 180 тонн окислов алюминия и других аэрозолей, а также около 7 тонн оксидов азота. Оценки, выполненные специалистами, показывают, что при одном только запуске «Шаттл» способен уничтожить около 0,3 % общего содержания озона во всей земной атмосфере. Если же таких запусков в продолжение года будет 60, то будет уничтожено 18 % всего стратосферного озона. Оценки специалистов показали, что в смысле сохранения озона выгоднее использовать для вывода грузов на орбиту мощные ракеты.
На вооружении большинства стран мира имеются боевые твердотопливные ракеты. В состав их топлива входит окислитель — перхлорат аммония. Когда он сгорает, выделяются вещества, содержащие хлор. Рассчитано, что каждая тонна груза на этих ракетах сопровождается потерями озона в 9 миллионов тонн. Естественно, что запуски таких ракет надо запретить. Запуски мелких и средних ракет также нежелательны, поскольку они более вредны (на единицу выводимого груза), чем мощные ракеты. Естественно, что необходимо ограничивать число пусков ракет безопасным пределом.
МИНЕРАЛЬНЫЕ УДОБРЕНИЯ И ОЗОН
Озон в стратосфере может уменьшаться и за счет того, что в стратосферу попадает закись азота N2O, которая образуется при денитрификации связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхнем слое океанов и морей. За последние десятилетия очень резко возросло количество минеральных удобрений, вносимых в почву. В 1956 году оно составляло 3,5 миллиона тонн. В 1974 году оно увеличилось до 40 миллионов тонн. Через 10 лет, то есть в 2000 году, это количество прогнозируется равным 200 миллионов тонн. Процесс денитрификации самым прямым образом связан с количеством связанного азота в почве. Таким образом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почву минеральных удобрений будет в такой же мере увеличиваться и количество образованной закиси азота N2O. Далее, из закиси азота образуются окислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.
Как видно, схема очень простая. Но рассчитать, сколько конкретно озона будет разрушено именно таким путем, очень непросто. Ведь не вся образующая закись азота поднимается в стратосферу и образует там окислы азота. Часть закиси азота N2O бактериями снова разлагается с образованием молекулярного азота. Но какова скорость этого процесса, чем она определяется? Видимо, она зависит от условий, в частности от типа почвы, влажности и т. д. Исследования, проведенные американскими специалистами в штате Айова, показали, что в этих почвах почвенные бактерии восстанавливают закись азота до молекулярного азота очень даже быстро. Но на других почвах (в Австралии) процесс идет по-иному. Здесь явно прослеживается роль увлажненности почвы. Процесс восстановления закиси азота до молекулярного азота эффективен только при сильном переувлажнении. Кроме того, этот процесс достаточно эффективен только в том случае, когда в почве содержится очень большое количество закиси азота. Конечно, этот вопрос очень непрост: играет роль не только влажность, но и кислотность почвы, а также наличие в почве тех или иных микроорганизмов. Влияют на процесс денитрификации и другие факторы. Об этом свидетельствует то, что концентрация закиси азота N2O изменяется со временем суток. Значит, имеются процессы, в которых разлагается закись азота и которые зависят от времени суток. Они являются мощными стоками для закиси азота.
РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНА ПРИ ЯДЕРНЫХ ВЗРЫВАХ
При ядерных взрывах выделяется очень много энергии в виде тепла. Это энергия огненного шара. В сильно нагретой атмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие при нормальных условиях или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона, его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этих преобразованиях окислы азота. Среди них наиболее опасной для озона (наиболее прожорливой) является окись азота NO. При повышении температуры атмосферы до 6000 К молекулярный кислород в атмосфере практически выгорает полностью. При нормальных условиях он составляет примерно 1/5 воздушной массы по весу, при температуре в 6000 К его остается всего 0,004 %. Кстати, количество молекулярного азота меняется всего на 5 %. Количество инертных газов, например аргона, не меняется. Если при нормальных условиях окиси азота в воздухе практически нет, то при температуре 6000 К она составляет примерно 1,5 %. В приземном воздухе почти отсутствует атомный кислород. При высокой температуре практически весь молекулярный кислород превращается в атомный. Его по весу становится примерно 20 %.
Почему для оценок мы взяли температуру, равную 6000 К? Потому, что именно такая температура устанавливается через несколько секунд после ядерного взрыва. При температуре в 6000 К устанавливается равновесие состояние между различными химическими составляющими воздуха. Дальше идет медленное охлаждение атмосферного газа. Кстати, видимая часть Солнца, то есть фотосфера, также имеет температуру 6000 К.
Медленное остывание огненного шара происходит только в его центральных частях. В его пограничных частях (на периферии) охлаждение происходит быстро, поскольку воздух в остальной части атмосферы, за пределами огненного шара, холодный. При быстром охлаждении предварительно сильно нагретого воздуха равновесное состояние не успевает устанавливаться. Поэтому образованная окись азота сохраняется. Сохраняются и другие химические вещества, возникшие при высокой температуре. Чем быстрее охлаждается воздух, тем больше сохраняется в нем высокотемпературных составляющих (тех, что образовались при высокой температуре). Собственно, их возникновение связано не только с огненным шаром ядерного взрыва, но и с взрывной ударной волной, в которой происходит нагрев из-за сильного сжатия газа. Естественно, после сильного сжатия газа в ударной волне ядерного взрыва происходит его быстрое расширение. Эффект его такой же — высокотемпературные продукты, в том числе окись азота, остаются в воздухе.
При ядерном взрыве примерно 1/3 энергии содержится в возникшем при этом излучении. Остальные 2/3 энергии делятся примерно поровну между энергией огненного шара и энергией ударной волны. Излучение ядерного взрыва также приводит к образованию окиси азота. Это происходит прежде всего потому, что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакцию с другими составляющими воздуха и образуют окислы азота.
Возникает естественный вопрос: насколько важен этот источник окислов азота в атмосфере. Приведем некоторые оценочные цифры. В 1962 году, который в этом плане считают «рекордным», было произведено ядерных взрывов общей мощностью в 213,5 мегатонны (Мт). За этот год в атмосфере только в результате ядерных взрывов образовалось больше 1 миллиона тонн окислов азота. К этому количеству надо добавить то, которое образовывалось во все другие годы, хотя мощность ядерных взрывов была меньше. Так, за период с 1952 по 1971 год в результате ядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 миллионов тонн окислов азота. Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадают на разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химические реакции с участием озона, приводя к его разрушению.
И хотя договор о запрещении ядерных взрывов в атмосфере был подписан в 1963 году, последствия ядерных испытаний сказываются до сих пор. Кроме того, в результате подземных взрывов продукты, разрушающие озон, пусть в меньших количествах, поступают в атмосферу и продолжают вступать в реакции, уничтожающие озон.
СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА И ОЗОН
Закись азота обнаруживается и в дымовых газах электростанций. Собственно, о том, что окись и двуокись азота присутствуют в продуктах сгорания, было известно давно. Но эти высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно, загрязняют атмосферу, способствуют образованию в ней смога, но довольно быстро удаляются из тропосферы. Закись же азота, как уже говорилось, опасна для озона.
Масштаб этого явления очень значителен. Таким путем в атмосфере ежегодно образуется примерно 3 миллиона тонн закиси азота! Эта цифра говорит о том, что этот источник разрушения озона существенный. Правда, надо всегда иметь в виду, что приводимые цифры расчетные. И даже если они более-менее верные, не ясно до конца, куда девается вся закись азота из тропосферы, то есть как долго она там живет, какая ее часть успевает за время жизни подняться в стратосферу и принять участие в разрушении озона.
Время жизни закиси азота в тропосфере точно не известно. Его оценивают и в 8 лет, и в 200 лет. Ясно, что чем дольше существует закись азота, тем больше у нее времени добраться до озонного слоя в стратосфере и принять участие в его разрушении. Но поскольку расчетные оценки, опирающиеся на время жизни закиси азота, будут различаться в 25 раз, то желательно основываться не только на расчетах, но и на наблюдениях.