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.
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.