Роуленд, Шервуд

Фрэнк Шервуд Роуленд родился в небольшом городке Делавэр (штат Огайо). Он был вторым из трёх сыновей Сиднея и Маргарет Роуленд. Его отец работал профессором математики и заведующим кафедры математики в Уэслианском университете Огайо. Фрэнк Роуленд был не по годам развитым ребёнком и поступил в старшую школу в возрасте 12 лет, а окончил её за несколько недель до своего шестнадцатилетия в 1943 году^[10].

В связи с тем, что обязательному военному призыву подвергались с 18 лет, он сразу поступил в Уэслианский университет Огайо. Через два года Роуленд вступил в военно-морской флот в качестве стажёра-оператора РЛС. Вторая мировая война закончилась, пока он проходил базовое обучение недалеко от Чикаго. Демобилизовавшись, Фрэнк вернулся в университет и спустя два года его окончил; специализировался в химии, физике и математике. Следуя по стопам своих родителей, Фрэнк перебрался в Чикагский университет, где его руководителем стал Уиллард Либби. В 1952 году он защитил диссертацию «Химическое состояние радиоактивных атомов брома, полученных на циклотроне» (англ. The Chemical State of Cyclotron-Produced Radioactive Bromine Atoms)^[11][12][6].

Защитив докторскую диссертацию по химическому состоянию радиоактивных атомов брома, полученных на циклотроне, Роуленд преподавал в Принстонском университете с 1952 по 1956 год^[13][14][15]. В течение этих четырёх лет каждое лето Роуленд проводил в Брукхейвенской национальной лаборатории, где развивал использование «химии горячих атомов» для синтеза тритий-меченных органических соединений^[14]. Эта тема в частности и радиохимия в целом стали ядром дальнейших исследований учёного на ближайшие 20 лет. В эти же годы он начал получать поддержку от комиссии по атомной энергии США, которая оказывалась ему в различных формах на протяжении 40 лет.

В 1956 году Шервуд устроился ассистентом профессора в Университет Канзаса, где заведовал лабораторией, занимающейся радиохимическими исследованиями^[16]. Основным направлением его исследований было понимание химических реакций энергетических атомов трития и изучение реакций радиоизотопов хлора и брома^{[17][18][19][20]}. В 1963 году Шервуда повысили – он получил должность профессора. Затем профессором Либби ему была предложена возможность стать первым заведующим кафедрой химии Калифорнийского университета в Ирвайне^[15][16]. Кафедра была открыта в 1965 году, в её состав вошли семь преподавателей, пять сотрудников, три аспиранта первого года и несколько студентов. В 1970 году Шервуд ушёл с должности заведующего, но оставался предан интересам кафедры. Впоследствии он был одним из тех, кто способствовал формированию кафедры наук о земле в 1990 году и помог привлечь своего друга и выдающегося коллегу Ральфа Цицерона на управляющую должность. В Калифорнийском университете в Ирвайне он занимал ряд именных профессур: профессора химии имени Дэниела Олдрича-младшего (1985), профессора химии и наук о земной системе имени Дональда Брена (1989) и профессора-исследователя имени Дональда Брена (1994)^[14].

В 1993 году Роуленд занимал пост президента Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS)^[15]. В разные годы он также работал в Институте химии Макса Планка (1962), Международном агентстве по атомной энергии (1969, 1974), Японском обществе продвижения науки (1980) и Мюнхенском техническом университете (1981). В 1991—1993 годах работал в Американской ассоциации содействия развитию науки, а в 1994—2002 годах — в Национальной академии наук США^[14].

Самой известной работой Роуленда было открытие того, что хлорфторуглероды (ХФУ) способствуют разрушению озонового слоя^[21]. Он предположил, что синтетические органические вещества в газообразной форме под воздействием солнечной радиации разлагаются в стратосфере, высвобождая атомы хлора и монооксида хлора, которые по отдельности способны разрушать большое количество молекул озона. Исследование Роуленда, впервые опубликованное в журнале Nature в 1974 году, положило начало научному исследованию проблемы^[22]. В 1978 году в США был введён первый запрет на использование аэрозолей на основе ХФУ в аэрозольных баллончиках. Однако фактическое производство не остановилось и вскоре вернулось на прежний уровень. Оно продолжалось до 80-х годов, когда появилась глобальная политика регулирования.

В основе предложенного механизма разрушения стратосферного озона лежит каталитический хлорный цикл. Химический механизм включает следующую последовательность реакций:

• Инициация (высвобождение атомарного хлора из хлорфторуглеродов под действием ультрафиолетового излучения): CCl₃F + hν → CCl₂F + Cl^[23][21].
• Основной каталитический цикл (разрушение озона): Cl + O₃ → ClO + O₂ и ClO + O → Cl + O₂^[24][23].
• Суммарная (итоговая) реакция: O₃ + O → 2O₂^[24][23].

Атомарный хлор в этом процессе действует как высокоэффективный катализатор. Он инициирует распад молекулы озона, образуя радикал оксида хлора (ClO), который затем взаимодействует с атомарным кислородом, вновь высвобождая свободный атом хлора. Поскольку хлор постоянно регенерируется в цикле и не расходуется в итоговой реакции, всего один свободный атом хлора способен запустить цепную реакцию и разрушить до 100 тысяч молекул озона^[24][23][21].

В 1995 году Шерри Роуленд, Марио Молина и Пауль Крутцен стали лауреатами Нобелевской премии за их работы по роли газообразных галогеноалканов в истощении озонового слоя Земли. Официальная формулировка: «за работу в области атмосферной химии, особенно в отношении образования и разложения озона»^[4].

После публикации статьи Фрэнка Шервуда Роуленда и Марио Молины в 1974 году химическая промышленность, производящая аэрозоли и галогеноуглероды, развернула кампанию по дискредитации их теории. Компания DuPont, производившая на тот момент четверть всех хлорфторуглеродов (ХФУ) в мире, в 1975 году потратила миллионы долларов на публикацию газетных объявлений в защиту ХФУ, заявляя об отсутствии доказательств их вреда для озонового слоя. Председатель совета директоров DuPont публично назвал теорию истощения озонового слоя «научно-фантастической сказкой» и «полной чушью»^[25][26].

Представители отрасли предпринимали и другие шаги для критики учёных. Президент компании Precision Valve Corporation Роберт Абпланалп направил письмо канцлеру Калифорнийского университета в Ирвайне с жалобой на публичные выступления Роуленда^[25]. Кроме того, производители ХФУ наняли PR-агентство Hill & Knowlton, которое в 1975 году организовало тур по США для британского учёного Ричарда Скорера. В ходе выступлений Скорер жёстко критиковал Роуленда и Молину, называя их «глашатаями гибели»^[26].

Роуленд провёл множество исследований атмосферы. Один эксперимент включал сбор проб воздуха в различных городах и местах по всему миру для определения северо-южного смешивания CCl₃F. Измеряя концентрации на разных широтах, Роуленд смог увидеть, что CCl₃F довольно быстро перемешивается между полушариями. То же измерение было повторено 8 лет спустя, и результаты показали устойчивое увеличение концентраций CCl₃F. Работа Роуленда также показала, как плотность озонового слоя изменялась в зависимости от сезона, увеличиваясь в ноябре и снижаясь к апрелю, потом выравниваясь к лету и снова увеличиваясь в ноябре^[27]. Данные, полученные на протяжении последующих лет, показали, что общий уровень озона снижался. Роуленд и его коллеги взаимодействовали как с общественностью, так и с политиками и предлагали различные решения, которые позволили бы постепенно снизить влияние ХФУ. Выбросы ХФУ сначала были отрегулированы в Канаде, США, Швеции и Норвегии.

Практическим подтверждением теоретических предсказаний Роуленда и Молины стало открытие озоновой дыры над Антарктидой в 1985 году. Это привело к широкому признанию их правоты научным сообществом и правительствами. В результате в 1980-х годах Венское соглашение и Монреальский протокол (1987) позволили начать глобальное регулирование и поэтапный отказ от производства озоноразрушающих веществ^[28][29].

Монреальский протокол оказался крайне успешным: он остановил разрушение озонового слоя, и ожидается, что к середине XXI века слой естественным образом восстановится^[30][31][32]. В отчёте ООН по озону за 2022 год статья Роуленда 1974 года прямо упоминается как пионерская работа, впервые предупредившая мир о потенциальной опасности накопления ХФУ. В документе выражается глубокая признательность Роуленду и его коллегам за их выдающуюся и дальновидную научную деятельность, заложившую основу для современных исследований изменения климата^[33].