Антропогенное воздействие на озоновый слой.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

Озон (О₃) активно поглощает ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение) Солнца, т.е. является защитным экраном от этого жесткого излучения, опасного (губительного) для всего живого в биосфере.

Содержание озона в атмосфере составляет 6× 10^-5 % (по массе), или 3, 3× 10⁹ т ( в том числе 1, 16*10⁸ т – в тропосфере), в повышенных количествах О₃ содержится в стратосфере в слое от 20 до 55 км, этот слой называют озоносферой. Максимум содержания озона приходится на высоту 20 – 25 км, но и здесь его очень мало. Если весь озон атмосферы сконцентрировать у земной поверхности, то образовался бы слой толщиной всего 3 мм. В реальной жизни этот слой испытывает большие пространственные и временные колебания.

Стратосферный О₃ образуется в результате фотохимических реакций, протекающих под воздействием ультрафиолетовой радиации с длиной волны меньше 0, 25 мкм:

О₂ + hv -> O₂ (возбужденная молекула)

O₂ + O₂ -> O₃+ O (образование)

Образовавшиеся молекулы озона существуют недолго; происходит обратная реакция фоторазложения О₃, которая и представляет собой поглощение озоном коротковолновых фотонов:

О₃ + hv -> O₂ + О (разложение)

Следовательно, в стратосфере существует цикл озона – сбалансированное образование и разложение, описываемое этими уравнениями.

Результатом существования цикла озона в стратосфере является и то, что УФ-излучение Солнца превращается в тепловую энергию. Поэтому температурный профиль атмосферы имеет максимум на высоте около 50 км, в области стратопаузы (см. рис. 3. Строение атмосферы). В тропосферу большая часть О₃ поступает из стратосферы при вертикальном перемешивании воздуха. Но в небольших количествах О₃ образуется в тропосфере при грозе, окислении компонентов живицы, фотохимических реакциях в смеси выхлопных газов автомашин (фотохимический смог), его можно отнести к парниковым газам.

Рис. 3. Строение атмосферы.

Существенно влияет на озоновый слой поступление из тропосферы различных веществ естественного и антропогенного происхождения. Только в результате вулканических извержений в стратосферу ежегодно поступает от 10 до 100 тыс. тонн хлора, который разрушает молекулы озона, выполняя роль катализатора:

Cl + O₃ -> ClO + O₂

ClO + O -> Cl + O₂

Вторая реакция, следующая обычно за первой, приводит к тому, что в результате атом хлора остается «цел и невредим», как положено катализатору, а озон, увы, исчезает! Результирующая реакция выглядит так:

O₃ + O -> 2O₂

Один атом хлора может уничтожить до 10000 молекул озона.

Аналогичные реакции происходят с монооксидом азота NO:

NO + О₃ -> NO₂ + О₂

NO₂ + O -> NO + O₂

O₃ + О -> 2O₂

Монооксид азота присутствует в стратосферном слое как обязательный компонент, но в низкой концентрации. Однако в последнее время активное использование человеком сверхзвуковых транспортных самолетов привело к тому, что концентрация NO стала увеличиваться как раз на высотах " озонового щита". Дело в том, что в двигателях внутреннего сгорания таких самолетов достигаются настолько высокие температуры, что идет эндотермическая реакция:

N₂ + О₂ -> 2NO

Озоновый слой может быть нарушен при воздействии хлорфторуглеродов (ХФУ), которые широко используются как хладагенты в холодильниках, как пенообразователи в огнетушителях. В стратосфере под действием УФ-излучений ХФУ, например, фреоны выделяют хлор, который вызывает разрушение стратосферного озона. До 1980 г. произведено около 10 млн. т фреонов. К началу следующего века его производство достигнет 1, 7 – 3, 7 млн т в год. Время жизни фреонов в атмосфере 29 – 205 лет. Продолжающийся выброс фреонов на уровне 1980 г. приведет к уменьшению содержания озона в стратосфере на 5 – 10 %. К настоящему времени содержание озона из-за воздействия фреонов снизилось на 1%.

Стратосферный озон защищает живые организмы от губительного влияния УФ- излучения, снижение его содержания может иметь губительные последствия для биосферы. УФ- излучение - вид электромагнитного излучения с длиной волн 180 –400 нм. В спектре оно примыкает к фиолетовому окончанию области видимого света, т. е. к волнам оптического диапазона с наиболее высокой энергией. Действие УФ – излучения зависит от длины волн. Условно выделяют три области длин волн, имеющих важное значение для биологических систем: УФ-А: 390 – 315 нм; УФ-Б: 315 – 280 нм; УФ-В: меньше 280 нм.

В спектре солнечного света, достигающего поверхности Земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением содержатся только УФ – А и УФ – Б. Особенно вредное коротковолновое УФ – В излучение поглощается в стратосфере озоновым слоем. Излучение УФ –А вызывает загар, пигментацию кожи. УФ – Б также участвует в возникновении загара и в малых дозах активизирует дыхание, кровообращение, функцию желез и улучшает общее состояние человека, обладает бактерицидными свойствами. Но в больших дозах оно может привести к тяжелым солнечным ожогам. Загар – не что иное, как попытка организма защититься от вредных воздействий УФ – лучей и их опасной для здоровья передозировки. Возможные для организма последствия таких «солнечных ванн»: образование морщин, складок и пигментных пятен, ее преждевременное старение. Кожа становится сухой и истончается, теряет свою эластичность, на ней возникают роговые наслоения (кожа шелушится). Кроме этого, могут возникать злокачественные поражения кожи, такие, как опухоли базальных клеток и рак шиповых клеток кожи. Реже возникает и злокачественная меланома (черный рак кожи).

Излучение УФ – В обладает очень сильным и опасным биологическим действием, оно умерщвляет живые клетки, например бактерий, и в то же время очень чувствительно к изменению содержания озона в атмосфере. Важнейшие компоненты живого – нуклеиновые кислоты – поглощают излучение именно в этой области. Изменение общего содержания озона в стратосфере на 1 % ведет к изменению суточной дозы в области спектра активного биологического действия на 1, 6 – 3 %.

УФ-В- излучение оказывает вредное влияние на продуктивность многих культур, ведет к изменению состава и структуры экосистем. УФ-В–излучение вызывает солнечные ожоги, болезни глаз, аллергические реакции и заболевания кожи, такие как меланома.

Впервые «озоновая дыра» была обнаружена в 1975 г. над Антарктидой. Под «дырой» не следует понимать то, что в данной области совсем нет О3, происходит лишь сильное снижение его содержания и защитный эффект поглощения УФ - В излучения ослабевает, но вплоть до 1985 года на это обращалось мало внимания.

В октябре 1985 г. над английской научной станцией Халли – Бей в Антарктиде было обнаружено существенное снижение содержания озона в стратосфере (на 40 % по сравнению с уровнем 1979 г.), а над японской станцией - почти в 2 раза. В 1987 г. оно достигло 50 % уровня 1979 г. Весной 1987 г. «озоновая дыра» в Антарктиде достигла своего максимума: по космическим снимкам она занимала площадь около 7 млн. км2 (или 2/3 материка). Это повторилось и в 1992 г., когда было также зафиксировано значительное снижение концентрации озона (примерно на 50%) над Антарктидой и прилегающими пространствами Южной Америки. Аналогичные явления отмечены и в Арктике (с весны 1986 г), но размеры «озоновой дыры» здесь почти в два раза меньше антарктической, причем «мини - дыры» фиксировались над северными районами Канады, Скандинавией, Шотландскими островами (Англия). В 90- ые годы «озоновые дыры» были обнаружены над Западной и Восточной Сибирью и над Москвой.

После многочисленных международных экспедиций в Антарктиде установлено, что помимо различных физико-географических факторов (циркуляция атмосферы, распределение давления и др.) все же главным является наличие в атмосфере значительного количества хлорфторуглеродов (ХФУ). Это обусловлено свойствами антарктической атмосферы: частицы облаков, формирующиеся при очень низких температурах, стимулируют высвобождение атомов хлора из ХФУ, таким образом, во время антарктической зимы накапливается большое их количество, а затем весеннее Солнце приводит к разрушению озона активным хлором.

Мнение ученых о «вкладе» ХФУ в разрушение «озонового слоя» расходятся.

В соответствии с исследованиями последних лет установлено, что при развитии «фреоновой проблемы» по самому неблагоприятному варианту возможное сокращение озона не превышает 8 – 10 %, в результате неконтролируемых полетов сверхзвуковых самолетов уменьшение общего содержания озона может достигать 10 – 15 %. Отмечается влияние на уменьшение содержания озона стратосферного аэрозоля вулканического происхождения, а кроме того, наблюдаются периоды естественного снижения содержания озона в атмосфере Антарктиды, ( Известия АН. Физика атмосферы и океана. том 31, № 1, 1995 г., с. 26, 123.).

Вместе с убылью озона в стратосфере наметилась отчетливая тенденция его увеличения в нижней тропосфере Земли, на высоте 1 – 1, 5 км над ее поверхностью.

Рост фонового загрязнения атмосферы, в том числе оксидами азота от сжигания топлива, выбросов двигателей внутреннего сгорания при работе автотранспорта и авиации, – все это способствует повышению концентрации озона в тропосфере (особенно в Северном полушарии, где больше промышленных районов). Тропосферный озон также поглощает солнечную коротковолновую и длинноволновую радиации и в какой-то степени компенсирует потерю озона в стратосфере (однако полной компенсации не происходит).

Уменьшение озона в стратосфере охлаждает ее, а прирост тропосферного озона, поглощающего излучение, идущее снизу, приводит к прогреванию приземного воздуха (способствует усилению «парникового эффекта»). И хотя его концентрация в тысячи раз меньше концентрации углекислого газа, вклад тропосферного озона в «парниковый эффект» атмосферы является существенным.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒