Фрэнк Шервуд Роуленд

Фрэнк Шервуд Роуленд (англ. Frank Sherwood Rowland; 28 июня 1927, Делавэр, Огайо — 10 марта 2012, Корона-дель-Мар, Калифорния) — американский химик и эколог, лауреат Нобелевской премии по химии 1995 года (совместно с Марио Молиной и Паулем Крутценом) за работу по атмосферной химии, в особенности касающуюся образования и разрушения озонового слоя. Наиболее известен как один из авторов гипотезы о разрушительном воздействии хлорфторуглеродов (ХФУ) на стратосферный озон, что привело к принятию Монреальского протокола.

Биография

Ранние годы и образование

Фрэнк Шервуд Роуленд родился 28 июня 1927 года в городе Делавэр, штат Огайо, в семье Сидни А. Роуленда, профессора математики, и Маргарет Шервуд. В 1943 году поступил в Уэслианский университет Огайо, где изучал химию и математику. После окончания в 1948 году со степенью бакалавра искусств он продолжил обучение в Чикагском университете, где в 1952 году получил степень доктора философии (Ph.D.) по химии под руководством Уилларда Либби, будущего нобелевского лауреата. Его диссертация была посвящена радиохимии и использованию радиоактивных изотопов в химических исследованиях.

Научная карьера

После защиты диссертации Роуленд работал в Принстонском университете (1952–1956) и в Канзасском университете (1956–1964), где занимался исследованиями в области ядерной химии и фотохимии. В 1964 году он перешёл в Калифорнийский университет в Ирвайне (UCI), где основал кафедру химии и оставался профессором до выхода на пенсию в 1994 году. В UCI он сосредоточился на атмосферной химии, что впоследствии привело к его главному научному открытию.

Открытие озоновой проблемы

В 1972 году, вдохновлённый лекцией Джеймса Лавлока о глобальном распространении хлорфторуглеродов (ХФУ), Роуленд начал исследовать их судьбу в атмосфере. Вместе с аспирантом Марио Молиной он разработал модель, показывающую, что ХФУ, будучи инертными в тропосфере, могут мигрировать в стратосферу, где под действием ультрафиолетового излучения распадаются, высвобождая атомы хлора. Эти атомы, в свою очередь, каталитически разрушают молекулы озона (O₃). В 1974 году они опубликовали статью в журнале Nature, в которой предсказали, что продолжающееся использование ХФУ может привести к значительному истощению озонового слоя, что увеличит риск ультрафиолетового излучения на поверхности Земли.

Общественная деятельность и признание

Открытие Роуленда и Молины вызвало широкий резонанс в научном сообществе и среди промышленности, особенно среди производителей аэрозолей и холодильного оборудования, которые активно использовали ХФУ. Несмотря на критику и давление со стороны корпораций, Роуленд активно выступал за ограничение выбросов ХФУ, участвовал в слушаниях в Конгрессе США и в работе Национальной академии наук. Его усилия способствовали принятию в 1978 году запрета на использование ХФУ в аэрозолях в США, а затем и международного Монреальского протокола 1987 года, который стал одним из самых успешных экологических соглашений в истории.

В 1995 году Роуленд, Молина и Крутцен были удостоены Нобелевской премии по химии «за их работу по атмосферной химии, особенно в отношении образования и разрушения озона». После получения премии Роуленд продолжал заниматься экологическими исследованиями, включая изучение влияния климатических изменений на озоновый слой.

Личная жизнь и смерть

Роуленд был женат на Джоан Харрисон с 1950 года, у них родилось трое детей. Он умер 10 марта 2012 года в своём доме в Корона-дель-Мар, Калифорния, от осложнений, вызванных болезнью Паркинсона.

Научный вклад

Механизм разрушения озона

Основной вклад Роуленда заключается в открытии каталитического цикла разрушения озона атомами хлора. В упрощённом виде этот цикл выглядит следующим образом:

1. Хлорфторуглерод (например, CFC-12) поднимается в стратосферу, где под действием ультрафиолета распадается, высвобождая атом хлора (Cl·).
2. Атом хлора реагирует с озоном (O₃), образуя хлороксид (ClO·) и молекулярный кислород (O₂): Cl· + O₃ → ClO· + O₂.
3. Хлороксид затем реагирует с атомарным кислородом (O·), который образуется при фотолизе озона, восстанавливая атом хлора и выделяя кислород: ClO· + O· → Cl· + O₂.
4. Атом хлора снова может реагировать с озоном, и цикл повторяется, причём один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона до того, как будет выведен из атмосферы.

Долгосрочные последствия

Роуленд и Молина также предсказали, что, из-за длительного времени жизни ХФУ в атмосфере (от 50 до 100 лет), даже после прекращения их выбросов озоновый слой будет восстанавливаться медленно. Это предсказание подтвердилось: после Монреальского протокола концентрация ХФУ в атмосфере начала снижаться, но полное восстановление озонового слоя ожидается не ранее середины XXI века.

Критика и споры

Промышленное сопротивление

Гипотеза Роуленда и Молины изначально встретила сильное сопротивление со стороны химической промышленности, в частности компаний DuPont и Allied Signal, которые производили ХФУ. Представители отрасли утверждали, что данные о разрушении озона недостаточно убедительны, и что экономические последствия запрета ХФУ будут катастрофическими. В ответ на это Роуленд и его коллеги провели дополнительные исследования, включая лабораторные эксперименты и атмосферные измерения, которые подтвердили их модель. В 1985 году открытие озоновой дыры над Антарктидой, сделанное британскими учёными, окончательно подтвердило правоту Роуленда.

Научные дебаты

Некоторые учёные, например, Ричард Столарски, критиковали ранние модели Роуленда за недостаточный учёт атмосферной динамики и других химических процессов. Однако последующие исследования, включая данные спутниковых наблюдений, подтвердили, что хлор из ХФУ является основным фактором разрушения озона в стратосфере.

Наследие и влияние

Экологическое регулирование

Работа Роуленда стала основой для Монреальского протокола 1987 года, который ввёл поэтапный отказ от производства и использования ХФУ и других озоноразрушающих веществ. Протокол был ратифицирован 197 странами и считается одним из наиболее успешных международных экологических соглашений. По оценкам Программы ООН по окружающей среде (UNEP), благодаря Монреальскому протоколу к 2030 году будет предотвращено более 2 миллионов случаев рака кожи и 100 миллионов случаев катаракты.

Научная школа

Роуленд воспитал множество учеников, многие из которых стали ведущими специалистами в области атмосферной химии. Он также активно участвовал в популяризации науки, выступая с лекциями и публикуя статьи в научно-популярных журналах.

Признание

Помимо Нобелевской премии, Роуленд был удостоен множества наград, включая Премию Тайлера (1983), Премию Вольфа по химии (1989) и Национальную медаль науки США (1999). В его честь назван астероид (9688) Роуленд, а также здание химического факультета в Калифорнийском университете в Ирвайне.

Интересные факты

• Роуленд был страстным любителем классической музыки и играл на виолончели в любительском оркестре.
• В 1974 году, после публикации статьи в Nature, Роуленд получил несколько угрожающих писем от представителей химической промышленности, но продолжал свою работу.
• Он был одним из первых учёных, кто предупредил о возможных последствиях изменения климата, хотя его основная работа была посвящена озоновому слою.

Источники

• Rowland, F. S., & Molina, M. J. (1974). Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: chlorine atom-catalysed destruction of ozone. Nature, 249(5460), 810–812.
• Molina, M. J., & Rowland, F. S. (1974). Stratospheric sink for chlorofluoromethanes: chlorine atom-catalysed destruction of ozone. Nature, 249(5460), 810–812.
• Nobel Prize Committee. (1995). The Nobel Prize in Chemistry 1995: Frank Sherwood Rowland, Mario J. Molina, Paul J. Crutzen. Nobel Lectures.
• United Nations Environment Programme (UNEP). (2020). Handbook for the Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer.
• National Academy of Sciences. (2012). Biographical Memoirs: Frank Sherwood Rowland. Washington, D.C.: National Academies Press.