Под действием солнечного излучения двуокись азота диссоциирует, то есть ее молекула распадается. В стратосфере молекула двуокиси азота вступает в реакцию с атомным кислородом. При этом образуется молекула окиси азота и молекулярный кислород. Далее молекула окиси азота вступает в реакцию с молекулой озона. В результате озон разрушается, образуется молекула двуокиси азота и молекула кислорода. Таким образом, молекулы двуокиси азота играют роль катализаторов в реакциях разрушения озона.

Под действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, а также при воздействии высокоэнергичных заряженных частиц (электронов) молекулы азота (которого в атмосфере очень много) разрываются на атомы. Атомный азот тут же взаимодействует с молекулярным кислородом и образует окись азота и атомный кислород. Оба этих вещества опасны для озона.

Окислы азота исчезают в стратосфере при их соединении с молекулами гидроксила. В результате образуется соляная кислота. Эта реакция проходит только в присутствии третьего тела, которое должно принять на себя избыток энергии. Таким образом, в реакциях с образованием азотной кислоты выходят из игры не только окислы азота, но и гидроксил. Те и другие являются активными разрушителями озона. Правда, азотная кислота является своего рода резервуаром для образования окислов азота. Дело в том, что под действием солнечного излучения из молекулы азотной кислоты вновь образуются окислы азота. В среднем молекула азотной кислоты от своего образования до разрушения существует примерно один месяц. Поэтому изменчивость ее количества меньше, чем короткоживущих окиси и двуокиси азота.

Любопытно, что чем дальше от экватора (по направлению к полюсам), тем азотной кислоты в стратосфере больше. Этот рост весьма ощутим. Уже на широте 40^о ее примерно в пять раз больше, чем на экваторе. Откуда берется этот избыток молекул азотной кислоты? Полагают, что они рождаются из окислов азота при их переносе от экватора в высокие широты. На высотах 20–25 км намеренно максимальное количество азотной кислоты. Иногда измерения выявляют несколько высот с максимальным количеством азотной кислоты.

Окислы хлора активно разрушают озон. Реакций с участием хлора в стратосфере имеется несколько десятков. Очень быстро взаимодействует с озоном атомный хлор. При этом образуется моноокись хлора ClO и молекулярный кислород. Далее ClO соединяется или с атомным кислородом, или же с окисью азота NO. В каждом случае высвобождается атомный хлор.

Откуда берутся атомы хлора в стратосфере? В стратосферу попадают соединения хлора, из которых и образуется атомный хлор. В одних случаях это происходит при разрыве молекул этих соединений солнечным излучением, а в других эти соединения вступают в реакции с другими (например, хлористый водород вступает в реакцию с гидроксилом) соединениями, и освобождается атомный хлор. Одновременно с образованием атомного хлора происходит его исчезновение. Он вступает в реакции с различными веществами (НО₂, Н₂О₂, СН₄, HNO₃), и образуется хлористый водород.

Хлористый водород является своего рода резервуаром для образования атомного хлора, разрушающего озон. Под действием солнечного излучения хлористый водород распадается на атомы, и высвобождается атомный хлор. Атомный хлор высвобождается также при взаимодействии хлористого водорода с гидроксилом.

Хлористый водород хорошо растворяется в воде. Поэтому в тропосфере он эффективно вымывается осадками (почти полностью). В итоге из тропосферы в стратосферу через их общую границу — тропопаузу переносится очень небольшое количество хлористого водорода (всего примерно 60 тысяч тонн в год).

Значительное количество хлористого водорода выбрасывается в стратосферу после крупных вулканических извержений. Продукты извержения вулканов достигают высоты 18–20 км. Большие извержения вулканов происходят примерно один раз в три года. Так, в марте 1963 года произошло извержение вулкана Агунг. В результате в стратосферу попало почти 1,5 миллиона тонн хлористого водорода. В октябре 1947 года во время извержения вулкана Фуэго было выброшено в стратосферу примерно 260 тысяч тонн хлористого водорода. Специалисты оценили, что в среднем за год в стратосферу вводится от извержения вулканов примерно 1/3 миллиона тонн хлористого водорода.

Объемное отношение смеси хлористого водорода очень быстро увеличивается с ростом высоты. На высоте 25–30 км его примерно в десять раз больше, чем на нижней границе стратосферы — тропопаузе. Дальнейший рост хлористого водорода выше 30 км прекращается. Отношение смеси хлористого водорода выше этого уровня даже постепенно уменьшается.

Выбросы серы в атмосферу увеличиваются с каждым годом. На рис. 57 показано, как увеличивалось количество выбросов серы на всей Земле (в миллионах тонн в год) с 1860 года. Серная кислота образуется из двуокиси серы SO₂.

Большие количества серной кислоты (1,% — 2,0 мг/л) в 1980–1982 годы наблюдались на востоке Северной Америки, на большей части Европы, в центральной части СССР, по обе стороны от Урала, на Дальнем Востоке, над Восточным Китаем, Японией, Тайванем и Филиппинами, в восточной части Южной Америки. Серная кислота эффективно выпадает с дождем и снегом. Тем не менее она распространяется в атмосфере в глобальных масштабах.

Особенно важна роль СО₂. Этот газ создает в атмосфере парниковый эффект. Чем больше будет в атмосфере СО₂, тем быстрее будет происходить потепление климата. Увеличение СО₂ обусловлено прежде всего сжиганием ископаемого горючего. Примерно 80 % всей энергии на Земле получается именно таким путем.

Предындустриальный уровень отношения смеси СО₂ составлял примерно 275 × 10^-6. Увеличение СО₂ с 1957 по 1985 год показано на рис. 58. Прогнозируется увеличение вдвое количества СО₂ в земной поверхности во второй половине XXI столетия.

Фреоны — это собирательное название целой группы химических веществ. Название происходит от английского слова «frigor», что означает холод. Как известно, фреоны используются в холодильниках. Мы дадим здесь побольше фактического материала, различных характеристик фреонов, поскольку этот вопрос интересует не только любознательных читателей, но и практиков.

Фреоны появились на свет еще в 20-е годы. До этого в холодильных установках и кондиционерах использовали аммиак и сернистый газ. Но работать с ними было очень сложно. Во-первых, они сильно токсичны. Во-вторых, вызывают активную коррозию металлов. Аммиак к тому же и опасен. Поэтому, естественно, начались поиски других веществ. Такие вещества были найдены. Они не горючи, малотоксичны и не обладают неприятным запахом. Долгие годы все было хорошо, пока специалисты по химии атмосферы не пришли к мысли, что избыток фреонов в атмосфере (в том числе и в стратосфере) может вызывать разрушение озонного слоя. Эти опасения оказались настолько убедительно аргументированными, что в США еще с 1958 года начали сворачивать технологии с применением фреонов. Но об этом несколько позднее. Вначале приведем количественные сведения о фреонах, включая некоторые справочные данные.

Фреоны — это химические вещества, производные от метана, этана и циклобутана. В этих соединениях содержится хлор или фтор или оба этих элемента. Таким образом, фреоны являются хлорфторпроизводными указанных выше химических соединений. Технологические названия различных фреонов отличаются от их химических названий. Существует обоснованная системы их обозначений, в которой учтены основные свойства каждого типа фреонов и их химическое строение. Обозначают их буквой F (в отечественной литературе — буквой Ф), к которой добавляется двух- или трехзначное число. Числа отражают химическое строение данного типа фреона. Последняя цифра (число единиц) означает, сколько в молекуле содержится атомов фтора. Предпоследняя цифра означает количество атомов водорода (но увеличенное на один атом). Предпоследняя цифра — это число десятков. Третья с конца цифра, то есть число сотен, означает, сколько в данном химическом соединении имеется атомов углерода. Но здесь число атомов уменьшено на единицу. Кроме буквы F (Ф) и указанных цифр добавляются и буквы. Буквы «а», «в» и «с» добавляются к цифрам в том случае, если химические вещества представляют собой несимметричные изомеры. Если же вещества являются бромпроизводными, то добавляется буква «в», после которой записывается число, равное количеству атомов брома в соединении.