YourLib.net
Твоя библиотека
Главная arrow Основы экологии (В.В. Маврищев) arrow 8.4. Нарушение озонового экрана
8.4. Нарушение озонового экрана

8.4. Нарушение озонового экрана

   Озоновая проблема уже давно беспокоит экологов. Озон - это форма молекулярного кислорода (О3). Озон в стратосфере является продуктом воздействия солнечного ультрафиолетового излучения (УФ-излучения) на молекулы кислорода (О2) (рис. 8.3).

Рис. 83. Озоновый экран

Рис. 83. Озоновый экран:
   а - озон (О3) в стратосфере поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца; без такой защиты они уничтожили бы практически всю жизнь на планете; б - озон формируется в стратосфере, когда под воздействием УФ-лучей молекулы кислорода распадаются на свободные атомы, которые могут присоединяться к другим его молекулам

   В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те, в свою очередь, могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона (О3). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы О, реагируя с молекулами озона, дают две молекулы О2. Таким образом, количество озона в стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между этими двумя реакциями. Образуя в верхних слоях атмосферы (стратосфере) тончайший слой, так называемый озоновый экран, молекулы озона защищают все живое на Земле от УФ-излучения. Содержание озона в атмосфере менее 0,0001 %, однако именно озон полностью поглощает жесткое УФ-излучение Солнца с длиной волны λ<280 нм, наносящее серьезные поражения клеткам живых организмов. При свободном попадании на Землю такие лучи способны вызывать у человека рак кожи, а также наносить вред животным и растениям. Падение концентрации озона на 1 % приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности Земли на 2 %.
   По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако он не способен проникать глубоко в ткани и поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Биологическое действие УФ-излучения обусловлено химическими изменениями поглощающих их молекул живых клеток, главным образом, молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков, и выражается в нарушениях деления, возникновении мутаций и в гибели клеток.
   Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако значительное количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом получая большую дозу УФ-облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона.
   Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при увеличении интенсивности жесткого УФ может серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть.
   Растения менее чувствительны к жесткому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они. Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится, человечество легко найдет способ защититься от жесткого УФ-излучения, но при этом рискует умереть от голода.
   Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50 км. Ирония состоит в том, что те же самые молекулы озона в тропосфере (нижний слой атмосферы) представляют собой опасные элементы, разрушающие живую ткань, включая легкие человека.
   Наибольшая концентрация молекул озона, которые задерживают жесткое УФ-излучение космоса, наблюдается на высоте 20-25 км над уровнем моря. Именно поэтому большую тревогу со стороны экологов вызывает влияние оксидов азота, которые выбрасываются реактивными двигателями сверхзвуковых самолетов, летающих на этой высоте. Такие опасения основаны на свойстве оксида азота разрушать озон:

2NO + О3 = N2О +2О2

   Когда на отечественные Ту-144 и англо-французские «Конкорды» возлагались большие надежды, было подсчитано, что предполагаемый авиапарк «убьет» за несколько лет до 15 % озона, который в высших слоях атмосферы защищает все живое от жесткого излучения. Эта цифра заметно превышала ущерб, наносимый озоновому щиту основным его врагом - фреонами. Кроме пассажирских самолетов, на состояние озонового экрана влияют также полеты военных сверхзвуковых стратегических бомбардировщиков и самолетов-разведчиков: опасность для атмосферного озона представляют выбросы водяного пара и оксидов азота из их двигателей.
   Как выяснилось, озон разлагают не только продукты сгорания топлива, но и сама ударная волна от сверхзвукового самолета. Подсчитано, что этой мощной волной самолет типа Ту-144, перелетая из Москвы в Алма-Ату, уничтожает несколько тонн озона.
   Запуски ракет также могут наносить серьезный локальный ущерб озонному слою в районе запуска. Это происходит из-за того, что в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях «Спейс-Шаттл» или «Ариан», используются хлоратные твердые топлива. В мае 1985 г. британские ученые объявили о резком сокращении концентраций озона в стратосфере над Антарктикой каждой весной Южного полушария. Это явление получило название «озоновой дыры».
   В настоящее время образование таких «озоновых дыр» наблюдается также и над Европой, Азиатским континентом, на юге Южной Америки. Особенно сильное влияние дыра оказывает на один из чилийских городов Пунта-Аренас, где уже сегодня показатели солнечной радиации настолько высоки, что местным жителям рекомендуется как можно меньше находиться на улице. «Озоновая дыра» в верхних слоях атмосферы над Антарктикой, по данным Метеорологического управления Японии, достигла рекордных размеров: слой озона на высоте 15-22 км уменьшился на 45-75 %.
   Что касается «озоновой дыры» над Антарктидой, то ее появление во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в Северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше.
   На структуру и свойства озонового слоя влияют различные хлорфторорганические соединения - ХФУ. Большая часть хлора, используемая на Земле, например для очистки воды, представлена его растворимыми в воде соединениями. Следовательно, они вымываются из атмосферы осадками задолго до того, как попасть в стратосферу.
   ХФУ очень летучи и нерастворимы в воде. Следовательно, они не вымываются из атмосферы и, продолжая распространяться в ней, достигают стратосферы, где более интенсивное солнечное излучение воздействует на них и в результате реакции выделяется хлор. Последний действует как катали- затор, постоянно вступая в реакцию с молекулами озона с образованием молекул кислорода (O2) и молекул оксида хлора (СlO2). Молекулы оксида хлора затем вступают в реакцию с атомарным кислородом, с образованием молекул кислорода и свободных атомов хлора. И все начинается сначала. Посредством этого повторяющегося процесса одна молекула хлора может разрушить тысячи молекул озона, прежде чем сама будет нейтрализована. Это свойство ХФУ и выделяемого ими хлора делает фреоны очень опасными для озонового слоя стратосферы. Таким образом, ХФУ наносят ущерб, выступая в роли переносчиков атомов хлора в стратосферу. Осколки фреоновых молекул разрушительно действуют на слой атмосферного озона. ХФУ уже разрушили от 3 до 5 % озонового слоя атмосферы. Они относительно инертны химически, негорючи и ядовиты. Более того, будучи газами, при комнатной температуре они сжижаются при небольшом давлении с выделением тепла, а испаряясь, вновь его поглощают и охлаждаются. Эти свойства позволили применять их в следующих целях.
   - ХФУ используются практически во всех холодильниках, кондиционерах воздуха и тепловых насосах как хлорагенты (фреоны). Поскольку эти приспособления рано или поздно ломаются и выбрасываются, содержащиеся в них ХФУ обычно попадают в атмосферу.
   - ХФУ при производстве пористых пластмасс подмешивают в жидкие пластмассы при повышенном давлении (они растворимы в органических веществах). Когда давление понижают, ХФУ вспенивают пластмассу, как углекислый газ вспенивает содовую воду. И при этом улетучиваются в атмосферу.
   - Еще одна основная область их применения - электронная промышленность, а именно очистка компьютерных микросхем, которая должна быть весьма тщательной. И опять же ХФУ попадают в атмосферу. Наконец, во многих странах, кроме США, ХФУ до сих пор используют как компоненты в аэрозольных баллончиках, которые распыляют их в воздухе. Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов - концентрация фреонов-11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9 % в год. Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х гг. XX в., до начала быстрого производства фреонов.
   Как же может повлиять возникновение озоновых дыр на самочувствие и здоровье человека? Исследованиями ученых установлено, что в случае разрушения озонового слоя может увеличиться частота трех типов рака кожи. Два наиболее распространенных типа рака кожи - базальноклеточный рак (базалиома) и плоскоклеточный рак (шиповидный). Сегодня более 500 тыс. американцев ежегодно подвержены таким заболеваниям. В ранней стадии развития эти типы рака излечимы. Третий тип рака, саркома, встречается значительно реже, но это наиболее опасная форма. Ежегодно отмечается около 25 тыс. случаев этого заболевания. В 5 тыс. случаев саркома приводит к летальному исходу, что составляет 65 % всех смертей, вызванных всеми видами рака кожи вместе взятыми. Опасность развития саркомы прямо связана с чувствительностью кожи отдельного человека к солнечному свету (светлокожие люди более подвержены этому процессу, чем темнокожие).
   УФ-радиация также может повредить роговую оболочку глаза, соединительную оболочку глаза, хрусталик и сетчатку глаза, а также вызвать фотокератозиз (или снежную слепоту), похожий на солнечный ожог роговой или соединительной оболочки глаза. Медики считают, что увеличение воздействия УФ-радиации на людей вследствие разрушения озонового слоя приведет к увеличению числа людей с катарактой.
   Обеспокоенные прогнозами ученых представители 93 промышленных стран в 1987 г. в Монреале подписали первый глобальный договор по климату. В соответствии с ним предусматривается постепенное снижение выбросов ХФУ и других искусственных химических соединений, которые приводят к разрушению защитного озонового слоя нашей планеты.
   Для каждого вещества, внесенного в список Монреальского протокола, математически рассчитан озоноразрушающий коэффициент в пересчете на одну молекулу. Этот коэффициент - относительная величина, где за единицу принят озоноразрушающий потенциал ХФУ-11 и ХФУ-12 .
   Озоноразрушающая способность вещества определяется количеством атомов хлора или брома в молекуле, его продолжительностью жизни в атмосфере (т.е. того времени, на протяжении которого это вещество будет сохраняться в атмосфере, прежде чем оно распадется или будет выведено из нее) и особенностями химического процесса, необходимого для распада данного вещества.
   Страны, подписавшие договор, обязались сократить вдвое использование озоноразрушающих ХФУ к 1999 г. Однако в связи с ухудшающейся ситуацией в 1990 г. в Лондоне были приняты поправки к Монреальскому протоколу. Согласно Лондонским поправкам, в список регулируемых ХФУ вошли еще десять веществ и было принято решение прекратить использование ХФУ, галогенов и четырехлористого углерода к 2000 г., а метилхлороформа - к 2005 г.
   Еще раньше, в 1979 г., в Женеве было проведено совещание на высоком уровне по охране окружающей среды, на котором были приняты важные международные документы: Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния, Резолюция о трансграничном переносе загрязнения воздуха и Декларация по малоотходной и безотходной технологии и использовании отходов. Страны - участницы Конвенции взяли на себя функцию ограничивать и, насколько это возможно, постепенно сокращать и предотвращать загрязнение воздуха.

 
< Пред.   След. >