<<
>>

КЗ. Деградация озонового слоя

Максимальная концентрация озона сосредоточена в тропосфере на высотах 15-30 км, где существует так называемый озоновый слой. Его масса столь мала, что при нормальном, приземном давлении весь атмосферный озон образовал бы слой всего 3 мм толщиной.

Для сравнения отметим, что толщина всей атмосферы при этих условиях равна 8,3 км.

Озоновый слой тоньше в экваториальных районах и толще в полярных. Он отличается значительной изменчивостью во времени и по территории (до 20%) вследствие колебаний солнечной радиации и циркуляции атмосферы, что маскирует антропогенные воздействия.

Даже при столь малой мощности озоновый слой в стратосфере играет очень важную роль, защищая живые организмы Земли от вредного и даже губительного воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца (UV). Озон поглощает ее жесткую часть, UVC, с длинами волн 100—280 нм (нанометров, или 10'9 м) и большую часть менее энергичной, но также опасной UVB радиации с длинами волн 280- 315 нм. Менее активная часть спектра ультрафиолетовой радиации (более длинноволновая часть UVB и вся UVA с длинами волн 315- 400 нм) озоном не абсорбируется и проникает в тропосферу.

Молекула озона (03) состоит из трех атомов кислорода. Озон в стратосфере образуется в результате фотохимической диссоциации молекулярного кислорода под воздействием солнечной радиации с длиной волны менее 240 пт (Ик ^ 240 пт). Этот процесс образует два атома кислорода, снова соединяющихся в молекулу, и две молекулы озона из трех молекул кислорода:

О2 + hX -gt;0 + 0 2 [О + 02 + М —gt; Оз + М ]

где М - любая молекула (обычно азота или кислорода), уносящая из реакции избыток энергии.

Поскольку кислород в атмосфере представлен почти исключительно как 02 , ясно, что должны существовать процессы, реконвертирующие основную часть 03 в 02:

х+о3-gt;.то + о2

03 + hk —gt; О + 02

о+хо^gt;х+о2

В итоге этой серии реакций две молекулы озона преобразуются в три молекулы кислорода.

Здесь X и ХО это атомы или молекулы, катализирующие превращение озона в кислород. Голландский геохимик Пауль Крутцен в 1970 г. показал, что в естественных условиях наиболее важными катализаторами являются оксиды азота (NO и N02). В свою очередь, они образуются вследствие окисления нитрита кислорода (N20), происходящего на суше и в океанах главным образом вследствие естественных микробиологических процессов денитрификации или нитрификации. Тропические леса являются важным источником нитрита кислорода.

Напомним, что нитрит кислорода это также и газ, отличающийся заметным парниковым эффектом. В настоящее время деятельность человека (использование азотных удобрений, сжигание горючих ископаемых для производства энергии, преобразование ландшафтов, обычно сопровождающееся сжиганием биомассы и пр.) обеспечивает примерно 30-40% от естественной эмиссии нитрита кислорода, и эта доля продолжает увеличиваться.

С воздействием жесткой ультрафиолетовой радиации связаны неизлечимые формы рака кожи, болезни глаз, нарушения иммунной системы людей, неблагоприятные воздействия на жизнедеятельность планктона в океане, снижение урожая зерновых и другие экологические последствия.

Предполагается, что жизнь на Земле возникла после образования в атмосфере Земли озонового слоя, когда сформировалась ее надежная защита. Понятно поэтому современное беспокойство за состояние озонового слоя. Основания для беспокойства имеются. Еще в 1974 г. американские геохимики Ш.Роуланд и М.Молина пришли к выводу о том, что возрастающее производство и применение хлорфторугле- родов, ранее не существовавших в природе, неизбежно приведет к прогрессирующей деградации озонового слоя.

Семейство хлорфтор(бром)углеродов (ХФУ) насчитывает ряд сравнительно недорогих синтезируемых веществ. Более десятка из них нашли широкое применение как хладоносители (фреоны) в холодильниках и кондиционерах воздуха, а также в качестве растворителей, пенообразователей, распылителей (аэрозолей) в различных областях индустрии.

ХФУ отличаются малой химической активностью и потому высокой продолжительностью существования в атмосфере. Эти свойства оказались вредными, когда стало ясно, что они играют решающую роль в разрушении озонового слоя.

Хлорфторуглероды представляют собой группу органических веществ, в которых все атомы водорода замещены на комбинацию атомов хлора, фтора и брома. Они чрезвычайно устойчивы в тропосфере, и потому по мере роста их использования происходило повышение их концентрации со скоростью до 5-6% в год. Со временем эти газообразные вещества перемещаются в стратосферу. На высоте около 25 км вследствие более высокой, чем в приземном слое, интенсивности солнечной радиации происходит их разрушение с выделением атомов хлора (С1) и молекул моноксида хлора (СЮ), которые являются более сильными катализаторами процесса разрушения молекул озона, чем оксиды азота:

С1 + 03 -gt; СЮ + о2 СЮ + О -» CI + о2

При этом процессе каждый атом хлора может разрушить 105 молекул озона. Подобные реакции происходят и при участии атомов и соединений брома.

Приведенные выше химические реакции весьма схематично отражают процесс деградации озонового слоя. На самом деле такая деградация есть следствие нескольких сотен химических реакций в атмосфере, часть которых протекает с запаздыванием в 10-15 лет по сравнению со временем поступления данного вещества в атмосферу.

Расчеты демонстрируют весьма значительные неблагоприятные последствия деградации озонового слоя. Предположительно, потери озона достигнут 6-7 % от его первоначального количества, что будет соответствовать увеличению среднего годового количества биологически вредной части УФ радиации на 6-12 %. Поэтому ожидается, например, что в США к середине следующего столетия будет на 100000 больше случаев заболевания раком кожи по сравнению с 1960 г., а общее дополнительное количество заболевших достигнет трех миллионов.

Предупреждение Роуланда и Молины о грядущем разрушении озонового слоя с серьезнейшими последствиями для человечества хотя и было замечено как специалистами, так и политиками, но не вызвало солидных, согласованных действий на международном уровне.

Вяло текли переговоры о подготовке международной конвенции по защите озонового слоя, которая в конце концов была заключена в Вене в 1985 г. Венская конвенция явилась фактически декларацией о необходимости международного сотрудничества в этой области, а не действенным инструментом для решения проблемы.

Однако в 1984 г. английским исследователем Д.Фарманом была обнаружена над Антарктидой область, соизмеримая со всем континентом, где содержание озона в атмосфере в октябре-ноябре было до 40% ниже, чем в среднем (рис. 10). На карте рис. 10 показаны величины общего озона. Это означало увеличение ультрафиолетовой радиации, достигающей земной поверхности, приблизительно в десять раз.

15

13

120              200              280              360              440

Рис. 10. Содержание озона в атмосфере над Антарктидой. Слева - распределение суммарной концентрации озона весной Южного полушария. Справа - распределение концентрации озона в “нормальных” условиях (в августе) и при развитой “озоновой дыре” (в октябре)

Вследствие деятельности человека с конца 1960-х гг. до 1995 г. озоновый слой потерял около 5% массы. Ожидается, что максимум потерь стратосферного озона будет достигнут к концу этого века, с последующим постепенным восстановлением в течение первой половины XXI века в соответствии с обязательствами стран по Конвенции по защите озонового слоя.

Антарктическая “озоновая дыра” формируется ежегодно в сентябре-октябре. В настоящее время в октябре среднее содержание озона на 50-70% меньше, чем в 1960-х гг. Во время развития “дыры” величина ультрафиолетовой радиации в Антарктиде на широте 64° ю.ш. больше летнего максимума в Сан-Диего (Калифорния) на широте 32° с.ш. Иными словами, антропогенное распределение озона начало превалировать над его природным распределением. Подобные, менее устойчивые “дыры” были обнаружены позднее и в других районах мира. Статистически значимые потери общего озона наблюдаются в средних широтах обоих полушарий.

В экваториальном поясе (20° с.ш. - 20° ю.ш.) значительного снижения содержания озона не отмечено.

Озоновая “дыра” над Антарктидой стала тревожным сигналом общепланетарного неблагополучия экосферы, требующего серьезного внимания всех стран мира.

Поэтому вскоре, в 1988 г., был подписан Монреальский протокол к Конвенции по защите озонового слоя, предусматривающий постепенное сокращение производства и употребления хлорфторуглеро- дов. Это был первый пример такого международного сотрудничества, которое направлено на решение будущей, только еще возникающей природно-антропогенной проблемы. Такое сотрудничество предполагает и значительные экономические вложения, потому что действия по защите озонового слоя означают также перестройку многих технологических процессов, при которых используются ХФУ.

В дальнейшем, после Монреаля, принимались дополнительные международные решения, связанные с еще более быстрым сокращением производства хлорфторуглеродов. Эти химические вещества отличаются, однако, продолжительным существованием в атмосфере, и поэтому даже при соблюдении всеми странами всех принятых обязательств проблема угрозы состоянию озонового слоя будет существовать по крайней мере в течение нескольких десятилетий.

Вследствие антропогенной деятельности, в нижних слоях атмосферы накапливается тропосферный озон, значительный загрязнитель атмосферы и активный парниковый газ. Его территориальное распределение очень изменчиво, а масса составляет не более 10% массы стратосферного озона. Под воздействием солнечной радиации оксиды азота, выделяемые главным образом автомобильным транспортом, распадаются с выделением озона. Образуется так называемый фотохимический смог, опасный для здоровья человека и наносящий серьезный ущерб растениям, в том числе сельскохозяйственным культурам. Это явление проявилось уже в середине 1940-х гг. в Лос-Анджелесе, где жизнь людей была практически невозможна без личного автомобильного транспорта, а общественного транспорта не существовало.

Исследования проблемы озонового слоя получили заслуженно высокую оценку. В 1995г. Шервуд Роуланд, Марио Молина и Пауль Крутцен за исследования химических процессов в экосфере, связанных с озоновым слоем, были удостоены Нобелевской премии по химии. Это первая Нобелевская премия за исследования проблем геоэкологии.

<< | >>
Источник: Голубев Г. Н.. Геоэкология. Учебник для студентов высших учебных заведений. - М.: Изд-во ГЕОС. - 338 с.. 1999

Еще по теме КЗ. Деградация озонового слоя:

  1. Металлоионотерапия и косметология
  2. Системный характер проблем геоэкологии
  3. V.2. Антропогенное изменение климата и его последствия 2.I. Парниковый эффект
  4. КЗ. Деградация озонового слоя
  5. Выживание человечества?
  6. Глава 10. БИОИНДИКАЦИЯ СТЕПЕНИ НАРУШЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ
  7. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ. ИСТОЩЕНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ
  8. 1.1. Концепция экосистемы
  9. 1.3. Человек и биосфера
  10. Г л а в а 21 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕОГРАФИЯ И ГЕОЭКОЛОГИЯ