Экологический портал

Главная страница экологического портала Правила карта сайта Обратная связь
Навигация по сайту
Это интересно!
Присоединяйся!
Наш опрос
Как вы связаны экологией ?
Работаю экологом.
Учусь в институте на эколога.
Изучаю экологию в школе.
Участвую в олимпиаде по экологии.
Просто увлекаюсь экологией.
Никак не связан с экологией.

Сейчас на сайте
Сейчас на сайте:
Пользователей: 0
Отсутствуют.
Роботов: 1
Yandex
Гостей: 3
Всех: 4
Именниников сегодня нет

Воздействие окислов азота на концентрацию озона в стратосфере

 Экологические статьи » Ядерная война - последствия  18-11-2010, 13:28  Author: BlogDix
Несмотря на то что средняя концентрация озона значительно изменяется в зависимости от широты и времени года, оценки изменений содержания озона делаются, как правило, на основе одномерных моделей, единственной независимой переменной в которых служит высота (NRC, 1984). Сложные процессы переноса в стратосфере параметризуются путем задания средних по полушарию характерных времен вертикальной диффузии как функции высоты. В результате получается модель, которая аппроксимирует средние (по поясу широт от 30 до 60° или по полушарию) условия и которая основана на предположении о том, что перемешивание стратосферы в горизонтальном направлении происходит гораздо быстрее, чем в вертикальном (т. е. мгновенно). С учетом этого ограничения одномерные модели полезны при сравнении эффективности различных химических процессов и при оценке среднего отклика стратосферы на различные возмущающие воздействия.
На рис. 6.1 сопоставлены профили концентрации озона; один получен из наблюдений в средних широтах (WMO, 1982), другой рассчитан па основе одной из современных моделей. Неравномерное распределение озона по высоте обусловлено взаимодействием химических реакций, которые идут в основном подвоздействием солнечного ультрафиолетового излучения, и переноса, который наиболее эффективно происходит на небольших высотах, т. е. там, где ультрафиолетовое излучение ослаблено за счет поглощения в вышележащих слоях. В невозмущенной атмосфере образование озона при разложении молекул кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения компенсируется несколькими рекомбинационными процессами (NRC, 1984). Наиболее важными (в современных одномерных моделях) являются две реакции с NO (NO и NO2):
NO + Оз—>N02+02> NOa+O—NO + 02
(см., например, Crutzen, 1970; NRC, 1984; Connell, Wuebbles, 1985). К числу других процессов, приводящих к уменьшению концентрации озона, относятся реакции с радикалами хлоро-содержащих соединений, радикалами НО* (-ОН и Н02) и в значительно меньшей степени перенос в тропосферу.
Большая часть N0, содержащегося в стратосфере, образуется в реакции между возбужденным атомарным кислородом и окисью азота N20, вырабатываемой при сгорании различных веществ или почвенными бактериями. Суммарное количество N0 в стратосфере при нормальных условиях составляет (0,5—1,5) -1011 моль (в сравнении с 7-1013 моль 03). В огненном шаре при высоких температурах (более 2000 К) идет равновесная реакция N2 + 02=2NO. Во время подъема шар быстро охлаждается и эта реакция «замораживается», так что в расширяющемся огненном шаре сохраняется высокая неравновесная концентрация NO. Теоретические оценки скорости образования NO в этих условиях приводятся в ряде работ (Gilmo-ге, 1975; NAS, 1975; NRC, 1985). На 1 Мт выделившейся энергии образуется приблизительно 1032 молекул NO (около 5000т). Эта оценка неточна и может изменяться как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения примерно в 2 раза. Следовательно, после взрывов суммарной мощностью 400—900 Мт количество N0 в стратосфере удвоится. В ряде сценариев, которые рассматривались в прошлом (NAS, 1975; Turco et al., 1983b; Chang, Wuebbles, 1983), предполагалось, что суммарная мощность взрывов составляет 10 000 Мт, а средняя мощность боеголовок больше 0,5 Мт. При этих условиях содержание N0 в стратосфере может увеличиться по сравнению с фоновым в 15—20 раз. Согласно последним расчетам, выбросы NO будут в несколько раз меньше (NRC, 1985; Crutzen, Birks, 1982). Основной сценарий (Turco et al., 1983а), который характеризуется суммарной мощностью взрывов 5000 Мт и учитывает возможность применения боеголовок большой мощности (в настоящее время все еще стоящих на вооружении), приводит к оценкам выбросов NO, занимающим промежуточное положение между упомянутыми максимальным и минимальным значениями.
Из-за взаимодействия различных химических веществ друг с другом и с озоном их суммарное воздействие на содержание озона не есть сумма отдельных воздействий. Количество озона в слое воздуха влияет на интенсивность ультрафиолетового излучения, проходящего через слой, и, следовательно, на эффективность протекания фотохимических реакций в нижележащих слоях. Таким образом, локальные изменения содержания озона зависят от распределения инжектированных молекул NO по высоте и соответствующего изменения профиля концентрации.
Уменьшение концентрации озона зависит от высоты инжекции NO и, следовательно, от высот, на которых стабилизируются верхняя и нижняя границы облака ядерного взрыва. Эти высоты зависят от мощности взрыва. Ожидается, что в средних широтах при взрывах мощностью 0,4—0,5 Мт значительные количества NO будут заброшены на высоту более 17 км (Peterson, 1970; Foley, Ruderman, 1973; Glasstone, Dolan, 1977; NRC, 1985). Тропопауза расположена на высоте примерно 11—13 км, и при взрыве боеголовок, мощность которых меньше 100 кт, молекулы NO будут инжектироваться в нижние слои стратосферы. Однако проведенные расчеты показали, что если окислы азота забрасываются на высоту меньше 17 км, то происходит образование лишь незначительных количеств озона в качестве побочного продукта при реакции окисления метана. Эффективность этого процесса возрастает с увеличением концентрации N0. Таким образом, результаты расчетов сильно зависят от мощности единичных взрывов и в меньшей степени от их суммарной мощности. Это ясно видно из расчетов основного сценария Ambio, использованного в работе Crutzen, Birks, 1982), согласно которой предполагалось, что суммарно будет взорвано 5740 Мт при малой мощности боеголовок. Несмотря на то что распределение озона по вертикали изменяется, его суммарное количество, как показали расчеты, остается практически таким же, как и в невозмущенной атмосфере.
Со времени появления отчета (NAS, 1975) был достигнут определенный прогресс в лабораторных оценках скоростей химических реакций. В результате оценки влияния N0* на концентрацию озона в стратосфере неоднократно пересматривались. Аналогично изменялись и характерные значения высот, начиная с которых реакции разрушения озона идут более эффективно, чем реакции его образования. При массированных выбросах N0X в верхнюю часть стратосферы (например, после ядерных ударов суммарной мощностью 10 000 Мт, при мощности каждой из боеголовок выше 1 Мт) рассчитанные изменения концентрации озона нечувствительны к изменениям кинетических параметров, которые использовались в работах, выполненных за последнее десятилетие (NAS, 1975; Duewer el al., 1978; Crutzen, Birks, 1982; Turco et al.', 1983a, b; NRC, 1985). В тех случаях, когда выбросы NO невелики, и особенно в тех сценариях, где предполагается, что будут использованы боеголовки мощностью менее 1 Мт, результаты расчетов сильнее зависят от скоростей химических реакций, значения которых изменялись по мере совершенствования методов измерения. Результаты, представленные в данной главе, были получены для моделей атмосферы, в которых используются современные оценки скоростей реакций.
Изменение концентрации озона связано с распределением окислов азота по высоте, которое в свою очередь определяется мощностью боеголовок. Эффективность протекания реакций разрушения озона зависит от ряда факторов. Во-первых, под воздействием ультрафиолетового излучения молекулы озона диссоциируют. Интенсивность ультрафиолетового излучения с высотой возрастает, а плотность воздуха уменьшается. Следовательно, равновесная концентрация атомарного кислорода, которая определяется реакциями диссоциации озона и рекомбинации с молекулярным кислородом, будет возрастать с увеличением высоты. Поэтому будет увеличиваться скорость реакций между N02 и О и тем самым повышаться эффективность реакций с участием N0, в которых происходит уничтожение озона. При этом скорость нейтральной по отношению к озону реакции фотодиссоциации N02 не изменится. Во-вторых, около 2/з стратосферного озона содержится в слое воздуха, лежащем ниже примерно 25 км. Поэтому малые относительные изменения концентрации озона в этом слое могут сильнее повлиять на суммарную массу озона (приходящуюся на единицу площади), чем относительно большие изменения концентрации в верхней стратосфере. В-третьих, необходимо учитывать реакцию окисления метана, в результате которой концентрация озона может увеличиваться. Наконец, если содержание озона на больших высотах (выше примерно 23 км) уменьшится, то интенсивность ультрафиолетового излучения на меньших высотах увеличится, что приведет к увеличению скорости фотодиссоциации кислорода и образования озона. При диссоциации молекул кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения образуется атомарный кислород и впоследствии озоа Возрастание эффективности этой реакции может частично компенсировать уменьшение количества озона в верхней страто« сфере.
 В связи с тем что эти распределения рассчитываются с учетом данных о мощности каждой из боеголовок, результаты, полученные для сценариев с одинаковой суммарной мощностью использованного оружия, могут очень сильно различаться. Сценарии NRC (6500 Мт) и Ambio (5740 Мт) основаны на оценках состояния ядерных арсеналов в настоящее время и в ближайшем будущем в предположении, что тенденция к снижению мощности боеголовок сохранится. Эффекты, обусловленные применением оружия большой мощности, иллюстрирует сценарий Нокса (Кпох, 1983). В нем предполагается, что в ядерной войне будет использовано какое-то количество боеголовок мощностью 20 Мт, которые, возможно, все еще находятся на вооружении. При взрывах такой мощности NO забрасывается в верхнюю часть стратосферы.

 

загрузка...

Информация

Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии в данной новости.