Озоновый экран планеты

Газообразный озон, открытый в середине прошлого века, долгое время привлекал внимание ученых лишь своими уникальными химическими и физическими свойствами. Интерес к озону существенно возрос, после того, как выяснилась его распространенность в земной атмосфере и та особая роль, которую он играет в защите всего живого от воздействий опасного ультрафиолетового излучения. Особенно активно атмосферный озон стал изучаться в последние десятилетия. С ним, как ни с одним другим газом, в последние два десятилетия было связано несколько крупных сенсаций. Начиная от появившегося в самом начале 70-х годов прогноза о том, что полеты стратосферной авиации «съедят» слой озона уже к 80-м годам, и, кончая пресловутой «озоновой дырой». Поскольку озон задерживает активное излучение солнца, то разрушение озонного слоя может привести к целому ряду негативных последствий для растений, животных и человека. В ряду тревожных проблем — сдвиги в мировом климате, истощение лесных, почвенных и водных ресурсов, прогрессирующее опустошение планеты — находится и проблема разрушения озонового слоя. Возможно, что антарктический озон является предвестником глобальных изменений в озоносфере.

Озоносфера — одна из поверхностных оболочек планеты. Она является составной частью биосферы Земли, включающей в себя совокупность живых организмов и неорганические вещества, находящиеся в общем круговороте. К изучению процессов, связанных с атмосферным озоном, привлечены значительные силы ученых у нас в стране и за рубежом. Ведутся наблюдения за количеством озона и его «врагов» — различных загрязняющих веществ, анализируются данные за прошедшие годы, ставятся новые эксперименты. Однако проблема атмосферного озона к настоящему времени далеко не исчерпана, и ряд важных и интересных разделов этой проблемы ждет своего разрешения, в особенности явления, связанные с влиянием на озоновый слой некоторых естественных факторов и антропогенных воздействий. Для их осмысления необходимо постоянное и всеобъемлющее слежение за состоянием окружающей среды (мониторинг). Из трех стихий, окружающих человека — твердой оболочки, воды и воздуха, — последняя является самой уязвимой. И не случайно именно в атмосфере появился первый реальный сигнал бедствия. Этот сигнал — озоновая дыра как вестник возможного глобального уменьшения защитного слоя озона в результате антропогенных загрязнении.

1. Что такое озон и его роль в атмосфере

В принципе озон это разновидность кислорода. Озон был открыт в 1839 году немецким химиком Шенбейном, а в 1873 г. его обнаружили в приземной атмосфере. Спустя 8 лет английский химик Гартли обнаружил озон в верхних слоях атмосферы. Озоновый слой в стратосфере важен тем, что он поглощает определённый диапазон солнечного излучения. Сама земля тоже испускает излучение в инфракрасном спектре. Так вот часть этого излучения тоже задерживается озоном, тем самым, предохраняя планету от охлаждения. Главной функцией озона является защита человека и всей биосферы планеты от жёсткого ультрафиолетового излучения с длинами волн от 250 до 320 нм.

2. Природа и значение озонового экрана

Наиболее вредным последствием выброса парниковых газов в атмосферу является разрушение ими озонового слоя — своеобразного щита от «жёстких» солнечных лучей. Дело в том, что наряду с видимым светом Солнце излучает ультрафиолетовые волны. Ультрафиолетовое излучение похоже на световое, но длина его волн несколько короче, чем у фиолетовых волн, самых коротковолновых из воспринимаемых глазом человека. Хотя ультрафиолетовые лучи невидимы, они обладают большей энергией, чем видимые. Проникая сквозь атмосферу и поглощаясь тканями живых организмов, они разрушают молекулы белков и ДНК. Именно это происходит, когда мы загораем. Если бы всё ультрафиолетовое излучение, попадающее на верхние слои атмосферы, достигало поверхности Земли, то вряд ли на ней сохранилась бы жизнь; все растения и животные просто «зажарились» бы. Даже небольшая, доступная нам часть этого количества (менее 1%) вызывает загар и ежегодно 200 -600 тыс. случаев рака кожи в США.

Мы защищены от агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения, так как большая его часть (свыше 99%) поглощается слоем озона в стратосфере на высоте около 25 километров от поверхности земли. Этот слой обычно называют озоновым экраном. Необходимость его сохранения не требует доказательств. Однако некоторые антропогенные вещества, в частности парниковые газы, его разрушают.

В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхности составляет в среднем 10−6%. Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода.

3. Понятие, механизм образования

Озоновый «экран» расположен в стратосфере, на высотах от 7−8 км. на полюсах, 17−18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 — 24 километров над Землей.

Озомновый слой — часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км (в тропических широтах 25−30 км, в умеренных 20−25, в полярных 15−20), в которой под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулярный кислород (О2) диссоциирует на атомы, которые затем соединяются с другими молекулами О2, образуя озон (О3). Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/мі) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов[1] и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20−25 км, наибольшая часть в общем объёме — на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

4. Значение озонового слоя для биосферы

Значение озонового слоя для биосферы наглядно видно из оптических свойств этого газа, если сравнить спектры поглощения озона и важнейших компонентов живых клеток — нуклеиновых кислот и белков. Озон имеет самую интенсивную полосу поглощения в области 200−300 нм. В этой же области спектра поглощают нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. Озон, содержащийся в верхних слоях атмосферы, целиком поглощает особенно губительные коротковолновые ультрафиолетовые лучи, препятствуя тем самым повреждению живых систем. Снижение концентрации озона в атмосфере в целом хотя бы на 10% уже сказывается на живых организмах — снижается урожай растений, у животных и человека наблюдаются различного рода патологии, например нарушение легочной функции, увеличение хронических заболеваний легких, нервной и иммунной систем, рак кожи и сетчатки глаз. Заметные сдвиги под влиянием возросшего ультрафиолетового облучения могут наблюдаться и в состоянии целых экосистем, особенно наземной растительности и фитопланктона, а также осуществлении биогеохимических циклов.

Озоновый слой имеет значение не только как экран биосферы от повреждения жестким ультрафиолетовым излучением, но и определяет термический режим атмосферы. В инфракрасной области спектра у озона есть еще важная полоса поглощения с максимумом 960 нм. Благодаря этому, О3 поглощает выделяемую Землей энергию инфракрасного диапазона (тепловую), не дает ей рассеяться в Космосе, и, тем самым задерживает тепло в атмосфере нашей Планеты.

5. Последствия его разрушения. Источники разрушения озонового слоя

До самого последнего периода истории Земли живые системы планеты эволюционировали почти в полной гармонии с атмосферой, литосферой и гидросферой, не испытывая влияния человеческой деятельности. Но по мере развития сельского хозяйства и промышленности воздействие человека на среду стало заметнее. Повсеместная индустриализация, особенно развернувшаяся за последние два столетия, привела к потенциально опасным уровням загрязнения среды. Можно сказать, что загрязнения — это поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей среде. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, в той или иной степени влияет на все параметры среды — антропогенные и природные, физические и биотические. Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы — это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ.

К разрушению озонового слоя приводят многочисленные факторы (рассматриваются самые главные). В первую очередь это, конечно же, фреоны. Фреоны — это собирательное название целой группы химических веществ появившихся на свет ещё в 20 годы прошлого столетия. В основном они использовались в холодильниках в качестве хладагентов. Ещё одна область применения фреонов это использование их в аэрозольных упаковках в качестве распылителя. Так как большая часть производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно сказать, что выпуск фреонов почти полностью работает на сокращение озонового слоя. Фреоны достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу. В стратосфере под действием ультрафиолетового излучения они достаточно быстро разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и участвуют в разложении озона.

Ещё один фактор, приводящий к уменьшению озонового слоя — это высотные самолёты и запуски космических кораблей. Высокая температура в камерах сгорания реактивных двигателей, приводит к образованию окислов азота из находящихся там азота и кислорода. Причём скорость образования азота на прямую зависит от температуры, то есть мощности двигателя. Но ещё и очень важно, на какой высоте находится двигатель и выпускает в атмосферу разрушающие озон окислы азота. Чем выше, тем хуже для озона.

Теперь рассмотрим действие минеральных удобрений на разрушение озонового слоя. Озон может уменьшаться за счёт того, что в стратосферу попадает закись азота N2O, которая образуется при денитрификации, связанного почвенными бактериями, азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхних слоях океанов и морей. Эти процессы напрямую связаны с содержанием азота. Таким образом, можно быть уверенным, что с ростом количества минеральных удобрений, вносимых в почву, будет также и расти количество закиси азота. Далее, образующиеся из закиси азота, окислы азота приводят к разрушению озонового слоя.

Ядерные взрывы тоже способствуют истощению озонового слоя. При сильном нагреве, а температура ядерного взрыва около 6000 °C, происходят такие преобразования химических веществ, которые при нормальных условиях протекают вяло или вообще не протекают. Излучение при взрыве приводит к образованию окиси азота, а происходит это, прежде всего, потому что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакции с другими составляющими атмосферы и образуют окислы азота. Закись азота обнаруживается также и в дымовых газах электростанций. Это очень сильный источник влияния на атмосферу.

Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона.

6. «Озоновые дыры» и их влияние

Как только существование «озоновой дыры» стало научным фактом, естественно возник вопрос: А какова же её природа? И через некоторое время появились две гипотезы — антропогенная фотохимическая и метеорологическая. Сторонники первой гипотезы считали, что уменьшение озонового слоя результат антропогенного загрязнения атмосферы. «Озоновая дыра имеет чисто метеорологическое происхождение и связана со спецификой динамического режима стратосферы в Антарктике», — утверждали приверженцы второй гипотезы. Важным моментом этой гипотезы было существование внутри устойчивого циклона (так называемого циркумполярного вихря), висящего зимой и большую часть весны над Антарктикой, направленных вверх (восходящих) вертикальных движений.

У каждой из гипотез были свои плюсы и минусы. В рамках антропогенной концепции было трудно ответить на вопрос о том, почему «дыра» (если она отражает общую тенденцию всевозрастающего загрязнения атмосферы) наблюдается лишь над Антарктикой и только весной. А сторонникам метеорологической природы «дыры» было трудно объяснить, почему последняя не наблюдалась до начала 80-х годов и почему в 80-х она появилась и стала усиливаться год от года. В октябре 1987 года были получены данные, которые показали, что к антропогенному загрязнению атмосферы явление «озоновой дыры» имеет самое прямое отношение.

Возникновение «озоновых дыр» (сезонное уменьшение содержания озона вдвое и более) впервые наблюдали в конце 70-х годов над Антарктидой. В последующие годы длительность существования и площадь «озоновых дыр» росли, и к настоящему времени они уже захватили южные регионы Австралии, Чили и Аргентины. Параллельно, хотя и с некоторым запозданием, развился процесс истощения озона над Северным полушарием. Вначале 90-х годов наблюдали 20 — 25% его уменьшения над Скандинавией, Прибалтикой и северо-западными областями России. В отличных от приполярных широтных зон истощение озона менее выражено однако и здесь оно является статистически достоверным (1,5−6,2% за последнее десятилетие).

Истощение озонового слоя может оказать значительное влияние на экологию Мирового океана. Многие из имеющихся в нем систем испытывают стресс уже при существующих уровнях естественной ультрафиолетовой радиации, и увеличение ее интенсивности для некоторых из них может оказаться катастрофическим. В результате воздействия ультрафиолетового излучения у водных организмов нарушается адаптивное поведение (ориентация и миграция), подавляются фотосинтез и ферментативные реакции, а также процессы размножения и развития, особенно на ранних стадиях. Поскольку чувствительность к ультрафиолетовой радиации разных компонентов водных экосистем существенно различается, то в результате разрушения стратосферного озона следует ожидать не только уменьшения общей биомассы, но и изменение структуры водных экосистем. В этих условиях могут погибать и вытесняться полезные чувствительные формы и усиленно размножаться резистентные, токсичные для окружающей среды, например сине-зеленые водоросли. Эффективность водных пищевых цепей в решающей степени определяется продуктивностью их начального звена — фитопланктона. Расчеты показывают, что в случае 25%-го разрушения стратосферного озона следует ожидать 35%-го снижения первичной продуктивности в поверхностных слоях океана и 10%-го снижения во всем слое фотосинтеза. Значимость прогнозируемых изменений становится очевидной, если принять во внимание, что фитопланктон утилизирует более половины углекислого газа в процессе глобального фотосинтеза, и лишь 10-го снижения интенсивности этого процесса эквивалентно удвоению выброса углекислого газа в атмосферу в результате сжигания полезных ископаемых.

Кроме того, ультрафиолетовая радиация подавляет продукцию фитопланктоном диметилсульфида, играющего важную роль в формировании облачности. Последние два феномена могут вызвать долговременные изменения глобального климата и уровня Мирового океана. Из биообъектов вторичных звеньев водных пищевых цепей ультрафиолетовое излучение способно непосредственно поражать икру и мальков рыб, личинки креветок, устриц и крабов, а также других мелких животных. В условиях истощения стратосферного озона прогнозируется рост и гибель мальков промысловых рыб и, кроме того, снижение улова в результате уменьшения первичной продуктивности Мирового океана. В отличие от водных организмов, высшие растения могут частично адаптироваться к увеличению интенсивности естественной ультрафиолетовой радиации, однако в условиях 10−20%-й редукции озонового слоя у них наблюдается торможение роста, уменьшение продуктивности и изменения состава, снижающие пищевую ценность.

Очень важную, хотя и посредственную, роль в формировании продуктивности сельскохозяйственных растений играют почвенные микроорганизмы, оказывающие значительное влияние на плодородие почв. В этом смысле особый интерес представляют фототрофные цианобактерии, обитающие в самых верхних слоях почв и способные утилизировать азот воздуха с последующим использованием его растениями в процессе фотосинтеза. Эти микроорганизмы подвергаются непосредственному воздействию ультрафиолетовой радиации. В результате разрушения озонового слоя следует ожидать уменьшение плодородия почв. Весьма вероятным является также вытеснение и отмирания других полезных форм почвенных микроорганизмов, чувствительных к ультрафиолетовой радиации, и размножением устойчивых форм, часть которых может оказаться патогенными.

Для человека естественная ультрафиолетовая радиация фактором риска уже при существующем состоянии озонового слоя. Реакции на ее воздействие разнообразны и противоречивы. Некоторые из них Образование витамина Д, эффект при лечении некоторых кожных заболеваний и т. д. улучшают состояние здоровья, другие Ожоги кожи и глаз, старение кожи и т. д. ухудшают его. Типичной реакцией на переоблучение глаз является возникновение фотокератоконьюнктивита — острого воспаления наружных оболочек глаза (роговицы и конъюнктивы). Он обычно развивается в условиях интенсивного отражения солнечного света от естественных поверхностей (снежное высокогорье, арктические и пустынных зоны) и сопровождается болевыми ощущениями или ощущением постороннего тела в глазу, слезотечением, светобоязнью и спазмом век. Ожог глаз можно получить за 2 часа в заснеженных зонах и за 6 — 8 часов в песчаной пустыне. Длительное воздействие ультрафиолетовой радиации на глаз может вызвать возникновение катаракты, дегенерацию роговицы и сетчатки и т. д. В результате переоблучения кожи развивается асептическое воспаление, или эритема, сопровождающаяся помимо болевых ощущений изменениями тепловой и сенсорной чувствительности кожи, угнетением потоотделения и ухудшением общего состояния. В умеренных широтах эритему можно получить за полчаса на открытом солнце в середине летнего дня. Обычно эритема развивается с латентным периодом 1 — 8 часов и сохраняется около суток. Величина минимальной эритемной дозы растет с увеличением степени пигментации кожи.

В результате разрушения стратосферного озона следует ожидать снижения сопротивляемости населения ряду инфекционных заболеваний. Как минимум, в их число необходимо включить болезни с кожной фазой развития или зависящие от клеточного иммунитета: корь, ветряная оспа, герпес и другие вирусные заболевания с кожной сыпью, индуцируемые через кожу паразитарные болезни типа малярии и лейшманиоза, а также зависящие от клеточного иммунитета туберкулез и некоторые грибковые заболевания. Естественная ультрафиолетовая радиация ответственна за основную часть опухолей кожи, приводящих в большинстве случаев к раку кожи. Ультрафиолетовая радиация играет важную роль в обеспечении организма витамина Д, регулирующим процесс фосфорно-кальциевого обмена. Дефицит витамина Д вызывает рахит и кариес, а также играет важную роль в патогенезе предстательной железы, дающей высокую смертность.

При возникновении дефицита витамина Д необходима доза ультрафиолетовой радиации, составляющая примерно 60 минимальных эритемных доз в год на открытые участки тела. Для белого населения в умеренных широтах это соответствует ежедневному пребыванию на открытом солнце по полчаса в середине дня с мая по август. Интенсивность синтеза витамина Д убывает с увеличением степени пигментативности, у представителей различных этнических групп может различаться более чем на порядок. Вследствие этого пигментация кожи может быть причиной недостаточности витамина Д у цветных иммигрантов в умеренных и северных широтах. Наблюдающиеся в настоящее время увеличение степени истощения озонового слоя свидетельствует о недостаточности предпринимаемых усилий по его защите.

7. Проблема озонового экрана и пути ее решения

Рассмотрим некоторые проблемы, связанные с разрушением озона и пути их решения.

1. Выхлопы автомобилей.

а) замена топлива в существующем автомобильном транспорте на экологически более чистое.

б) переход на другие источники энергии (например, электромобили, использование солнечной энергии).

2. Загрязнение хлорфторуглеводородами (холодильная техника, аэрозоли).

а) Переход от долгоживущих фреонов на короткоживущие (меньше года).

б) снижение, а затем и полное прекращение производства и использования фреонов.

3. Химические удобрения.

4. Сжигание промышленного топлива.

а) Переход на экологически чистую энергетику.

5. Ядерные взрывы.

6. Выброс отработанных газов при полетах высотных самолетов и крупных ракет.

7. Добыча нефти и природного газа.

Осознание опасности приводит к тому, что международной общественностью предпринимаются все новые и новые шаги в защиту озонового слоя. Рассмотрим некоторые из них.

1) Создание различных организаций по охране озонового слоя (ЮНЕП, КОСПАР, МАГА).

2) Проведение конференций.

Проблема сохранения озонового слоя относится к глобальным проблемам человечества. Поэтому она обсуждается на многих форумах самого разного уровня вплоть до советско-американских встреч на высшем уровне (в Вашингтоне, США в декабре 1987 г.) Остается лишь верить в то, что глубокое осознание грозящей человечеству опасности подвигнет правительство всех стран на принятие необходимых мер по уменьшению выбросов вредных для озона веществ.

Заключение

озон атмосфера биосфера Краткий обзор некоторых факторов воздействия на природную среду показывает, что до сих пор не установлено значение многих химических и биохимических последствий этого воздействия. С другой стороны, уже сегодня можно оценить все угрожающее многообразие антропогенного вмешательства и наносимого им ущерба окружающей среде.

Источниками вмешательства являются:

1. Постоянное стремление к росту производства и потребления.

2. Постоянный рост численности населения, который приводит к тому, что даже незначительная нагрузка на природу в каждом отдельном случае в целом превращается в глобальную проблему.

3. Односторонний подход к техническому прогрессу, который в этом столетии привел к появлению целого потока технических товаров и химических продуктов, чуждых природе, а то и враждебных ей.

Во все звенья природной системы проникли несовместимые с ней чужеродные вещества, угрожающие во многих случаях самому существованию экосистемы. Возникла необходимость принятия срочных мер, чтобы спасти природу, т. е. резко сократить истощение естественных природных ресурсов и ограничить применение вредных для природы веществ. Но это не означает, что техника, химия, хозяйственная деятельность и экономика должны вернуться к каменному веку; наоборот, это означает необходимость продвижения к новым научным достижениям, опирающимся на познание, когда возникает общность с природой, в которой человек обретет долголетие. Человечество должно сознавать, что мы только гости природы.

1. Данилов А. Д. Атмосферный озон — сенсации и реальность / А. Д. Данилов, И. Л. Кароль.- Л.: Гидрометиоиздательство, 1991.-334 с.

2. Озоновый щит Земли и его изменения / Э. П. Александров, Ю. А. Израэль, И. Л. Кароль и др.- СПб.: Гидрометиоиздательство, 1992.-211 с.

3. Ортенберг Ф. С. Озон: взгляд из космоса / Ф. С. Ортенберг, Ю.М. Трифонов-. М.: Знание, 1990.-433 с.

4. Роун Ш. Озоновый кризис: Пятнадцатилетняя эволюция неожиданной глобальной опасности / Ш. Роун.- М.: «Мир», 1993. — 321 с.

5. Стрижевский А. Д. Свет: Природа и человек / А. Д. Стрижевский // Природный мир, 1992. с. 34.

6. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды: Учеб. Пособие / Г. Фелленберг.- М.: «Мир», 1997. 528 с.