Нарушение озонового слоя

 

Озон представляет собой видоизменение молекулы кислорода и состоит из трех атомов (O ₃). При нормальных условиях озон в небольших концентрациях обладает характерным запахом (свежести) и разлагается медленно. При больших концентрациях озон обладает синеватым цветом, резким запахом и легко взрывается.

В атмосферном воздухе озон образуется при электрических разрядах или при облучении воздуха ультрафиолетовым (УФ) излучением. Поэтому образование озона происходит во время грозы, а в верхних слоях атмосферы - под воздействием УФ излучения в присутствии примесей (например, азота). Обратимая реакция образования озона имеет вид:

 

3 O ₂ + 285 кДж «2 O ₃ .

 

Молекулы озона неустойчивы и превращаются обратно в молекулы кислорода с выделением энергии.

Окислительные свойства озона значительно выше, чем у кислорода. Озон окисляет все металлы, кроме золота и металлов платиновой группы. Наличие озона в газовой смеси устанавливают с помощью контрольной реакции:

 

.

 

Озон чрезвычайно ядовит, предельно допустимая концентрация его в воздухе составляет 10^-5 %.

Озон, содержащийся в атмосфере, играет исключительно важную роль как с точки зрения процессов поглощения УФ составляющей солнечной радиации, тем самым выполняя защитную функцию для биосферы, так и с точки зрения регуляции температурного режима атмосферы.

Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области. Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание в 1985 году, когда над Антарктидой было обнаружено понижение на 50% содержания озона, получившее название "озоновой дыры". С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете. Так, в России за последние 10 лет концентрация озона в озоновом слое снизилась на 4 - 6% в зимнее время и на 3% - в летнее. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы поглощать жесткое ультрафиолетовое излучение.

К ультрафиолетовому (УФ) излучению относятся электромагнитные волны с длинами волн от 380 нм до 10 нм (100 ангстрем). Этот диапазон электромагнитного спектра условно делят на ближнюю (380 - 200 нм) и далекую (200 - 10 нм) области. При переходах электронов между энергетическими уровнями в атомах, ионах и молекулах возникает линейчатый спектр УФ излучения. Непрерывный спектр УФ излучения возникает в результате рекомбинации или при торможении электронов.

В УФ диапазоне возрастает коэффициент поглощения многих веществ, что означает уменьшение их прозрачности в данном диапазоне по сравнению с видимым диапазоном. При l < 300 нм большинство сортов стекла становятся непрозрачными, за исключением таких материалов, как кварц, сапфир, фториды магния и лития и др. Например, LiF обладает наиболее далекой границей прозрачности, вплоть до l=100 нм. Среди газов наибольшей прозрачностью характеризуются инертные газы. Так, гелий прозрачен вплоть до l=50 нм.

При уменьшении длины волны в УФ диапазоне уменьшается и коэффициент отражения многих материалов. При взаимодействии УФ излучения с веществом происходят, в основном, процессы возбуждения или ионизации атомов, диссоциации молекул и т.д.

Основным источником УФ излучения естественного происхождения является Солнце. Из всего спектра УФ излучения Солнца только небольшая длинноволновая часть (l > 290 нм) достигает земной поверхности. Остальная часть, в особенности, коротковолновая, поглощается атмосферой. Основными поглотителями УФ излучения в атмосфере являются озон, кислород, азот, водород и другие компоненты атмосферы.

Значительная часть энергии УФ излучения Солнца в диапазонах длин волн 140 - 170 нм и 200 - 240 нм поглощается на высотах 80 - 100 км. Излучение с l < 100 нм вызывает ионизацию верхних слоев атмосферы, что приводит к ее разогреву.

В основе биологического действия УФ излучения лежат фотохимические процессы в биологических макромолекулах, происходящие в организмах при поглощении падающего излучения верхними слоями тканей растений или кожи животных и человека. Живые организмы уязвимы для УФ излучения, т.к. энергии одного кванта УФ диапазона достаточно для разрушения химических связей в большинстве органических молекул. В зависимости от интенсивности и длины волны УФ излучение действует на живые организмы двояко.

Лечебное действие. Малые дозы УФ излучения оказывают благотворное влияние на человека и животных, способствуя образованию в организме витаминов группы D. Действие электромагнитного излучения на человеческий организм определяется его интенсивностью, временем облучения, глубиной проникновения излучения в зависимости от длины волны. Для УФ излучения имеет место минимальная глубина проникновения по сравнению с излучением видимого диапазона и ИК. При воздействии ультрафиолетового излучения спустя 2 - 8 часов проявляется эффект покраснения кожи - эритема. Максимальным эритемным действием обладает УФ излучение с длинами волн 297 - 256 нм. Через 3 - 4 дня эритема переходит в защитную пигментацию (загар) кожи. УФ излучение применяется для компенсации ультрафиолетовой недостаточности (в районах Севера), как болеутоляющее и противовоспалительное средство (при невритах, радикулитах, бронхитах, ОРЗ и др.), для увеличения сопротивляемости организма различным инфекциям и т.п.

Вредное воздействие УФ излучения. Из-за большой энергии квантов УФ излучения и, соответственно, их способности вызывать деструкцию молекулярных и межмолекулярных связей, а также непосредственно влиять на ткани с образованием радикалов, УФ излучение представляет серьезную опасность для живых организмов. Большие дозы УФ излучения могут вызывать ожоги кожи и канцерогенные реакции, повреждения глаз и другие нежелательные процессы. Кванты УФ диапазона непосредственно влияют на синтез пигментов, активность ферментов и гормонов, интенсивность процессов фотосинтеза и т.п.

УФ излучение с длинами волн 240 - 280 нм особенно эффективно оказывает летальное и мутагенное воздействие на живые клетки, т.к. этот диапазон УФ излучения совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). При поглощении квантов УФ диапазона происходят химические изменения ДНК, препятствующие нормальному удвоению ДНК в процессе клеточного деления. Это приводит к гибели клетки или изменению ее наследственных свойств (мутации). Кроме того, под действием УФ излучения возможно повреждение клеточных мембран.

Большинство живых клеток обладает способностью к восстановлению после повреждений, вызванных УФ излучением. Однако такие последствия, как мутации или повреждения клеточных мембран приводят к нарушению процессов синтеза белков, изменению содержания ферментов в цитоплазме клеток, а в этих случаях процесс восстановления клетки оказывается невозможным.

Основные процессы, нарушающие озоновый слой, до конца не установлены. Сегодня предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение "озоновых дыр". Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано со следующими процессами.

Взаимодействие озона с атомами и молекулами атмосферы, а также с ее техногенными загрязнениями в присутствии солнечной радиации приводит к разрушению озонового слоя. Особенно сильное разрушающее воздействие на озон оказывают галогено-углеродные соединения, в частности, хлорфторуглеродные вещества (фреоны), используемые в холодильной технике. Под действием коротковолновой солнечной радиации относительно стабильные фреоны высвобождают атомы хлора, вступающего впоследствии с озоном в каталитическую цепную реакцию:

,

.

Реакции подобного рода являются губительными для озона, а в результате ослабляется защита всего живого на Земле от УФ радиации. В районах с пониженным содержанием озона наблюдаются многочисленные случаи солнечных ожогов, рост заболеваемости людей раком кожи и др. Кроме воздействия УФ излучения на кожу возможно развитие заболеваний глаз (катаракта и др.), подавление иммунной системы и т.п.

Установлено, что под действием УФ излучения растения теряют способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем.

По данным международной экологической организации "Гринпис", основными поставщиками хлорфторуглеродов в атмосферу являются США (30,9%), Япония (12,4%), Великобритания (8,6%) и Россия (8%).

В настоящее время международным сообществом предпринимаются действия, направленные на ограничение выбросов в атмосферу галогеносодержащих соединений. В США и ряде западных стран созданы заводы по производству новых видов хладагентов (гидрохлорфторуглеродов) с гораздо более низкой способностью разрушения озонового слоя. Отрицательное воздействие на состояние озонового слоя оказывают и запуски космических кораблей, ракетные двигатели которых выбрасывают в тропосферу и стратосферу такие загрязнители, как HCl, Cl, NO, CO, CO ₃ и т.п. Безусловно, отказаться от развития аэрокосмического комплекса невозможно. Поэтому в последнее время проводятся исследования по созданию оптимальной рецептуры ракетного топлива и новых типов двигателей.

Согласно протоколу Монреальской конференции (1990 г.), пересмотренному затем в Лондоне (1991 г.) и Копенгагене (1992 г.), предусматривалось снижение выбросов хлорфторуглеродов к 1998 г. на 50%. Согласно статье 56 Закона Российской Федерации об охране окружающей природной среды, в соответствии с международными соглашениями, все предприятия и организации были обязаны сократить и в последующем полностью прекратить производство и использование озоноразрушающих веществ.

При этом ряд ученых продолжают настаивать на естественном происхождении "озоновой дыры". Они указывают на такие возможные причины ее возникновения, как естественная изменчивость озоносферы, циклические изменения солнечной активности и др.