8.6. Озоновый экран и причины его нарушения

Живые организмы на Земле защищены от коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, которое губительно для всего живого, озоновым экраном (озоновым слоем). Озона ВЫЙ экран — это воздушный слой в верхних слоях атмосферы (стратосфере), состоящий из особой формы кислорода — озона (рис. 15). Толщина озонового слоя в масштабе атмосферы — не больше листа бумаги в объеме домашней библиотеки.

Озон имеет существенное эколого-биологическое значение и является важнейшим компонентом атмосферы, несмотря на то что процентное содержание его невелико — менее 0,0001 %. Связано это с тем, что именно озон активно поглощает излучение.

Озон — форма молекулярного кислорода (Во). Основное его количество сосредоточено в стратосфере на высоте 15—25 км (верхняя граница — 45—50 км). Парадокс, но те же самые молекулы озона в тропосфере (нижний слой атмосферы) представляют собой опасные элементы, разруiлающие живую ткань, включая легкие человека. Однако здесь озона весьма мало, и образуется Он лишь во время грозовых разрядов.

Начало образования озона в стратосфере связано с реакцией р молекулярного кислорода коротковолновым ( нм) Солнца:

О

Рис. 15. Озоновый экран: а — озон (Оз.) в стратосфере поглощает УФ-лучи

Солнца; б — озон формируется в стратосфере, когда под действием УФ-лучей

молекулы 02 распадаются на свободные атомы, способные присоединяться

к другим его молекулам

далее происходит взаимодействие атомов кислорода (в присутствии третьего тела — М) с его же молекулами. В результате образуется молекула озона:

О+0

Специалисты по исследованию атмосферы из Британской службы в 1985 г. сообщили о неожиданном факте:

весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Ралли—Бей в

Антарктиде уменьшилось с 1977 по 1984 г. на 40 %! Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, также показавшие, что область пониженного содержания озона простирается за предо ли Антарктидьи и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, те. значительную часть нижней стратосферы. Фактически это означает, что в полярной атмосфере имеется озоновая «дыра». В на чале 80-х гг. ХХ в. спугни «Нимбус-7» обнаружил аналогичную дыру в Арктике, правда, она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико — около 9 %. В среднем с 1979 по 1990 г. содержание озона снизилось на 5 %.

Так что же представляет собой слой озона в атмосфере? Теоретически, если весь озон «сжать» до плотности воды и разместить на поверхности Земли, то он образовал бы пленку всего 2—4 мм толщиной, причем минимум пришелся бы на экватор,

а максимум оказался бы у полюсов. Высотное же распределение озона таково, что максимум концентрации отмечается на высоте 25 км. Но она повышается также и на высоте 70 км. Большая часть озона находится в стратосфере, и этот слой в Арктике обычно расположен низко, тогда как в тропической зоне — высоко. Что касается тропосферы, то здесь озона меньше, к тому же он в большей мере подвержен как сезонным, так и другим изменениям, в частности вызванным загрязнениями.

Утончение слоя озона может привести к серьезным последствиям для человечества. Уменьшение концентрации озона на 1 % вызывает увеличение интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности Земли в среднем на 2 %. По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако из-за большей, чем у ‘-излучения, длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул.

Жесткие ультрафиолетовые лучи способны вызвать у человека рак кожи, в частности быстротекущую злокачественную мела ному, а также катаракту и иммунную недостаточность, не говоряуже об обычных ожогах кожи и роговицы. Они наносят вред животным и растениям, в частности морским экосистемам, поскольку плохо поглощаются водой. Впервые мысль об опасности разрушения озонового слоя была высказана в конце 1960-х гг. Большую тревогу со стороны экологов вызвало негативное влияние водяного пара и оксидов азота (Т которые выбрасываются реактивными двигателями сверхзвуковых самолетов и ракет на высоте 20—25 км. Именно на этой высоте находится защитный слой озона, задерживающий жесткое ультрафиолетовое излучение космоса. Такие опасения основаны на свойстве оксида азота разрушать озон:

2 + О = 2О +202.

В 1974 г. ученые установили, что вызывать разрушение озонового экрана могугхлорфторуглеродьи (ХФУ) (рис. 16). Начиная с этого времени так называемая «хлорфторуглеродная проблема» стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Кхлорфторуглеродам относятся, в частности, фреоньи — химически инертные на поверхности Земли вещества. Они уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей (в бытовых аэрозольных баллончиках), пенообразующие агенты в огне тушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков.

Почти весь производимый в мире фреон (или фторорганические соединения) в конечном счете поднимается в верхние слои атмосферы и разлагается там под влиянием ультрафиолетовых лучей, которые разрушают устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ. Последние распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор.

В ходе фотохимического разложения фреона в стратосфере нон хлора выступает как агент разрушения озона. Таким образом, ХФУ переносят хлор с поверхности Земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентра Ией озона. Осколки фреоновых молекул разрушительно действуют на слой атмосферного озона. ХФУ уже разрушили от З до 5 % озонового слоя атмосферы.

Рис. 16. Схема разрушения озонового экрана

Очень важно, что при разрушении озона хлор действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона, прежде чем он будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выбросы ХФУ в атмосферу исчисляются миллионами тонн, но следует заметить, что даже в случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие

уже попавших в атмосферу ХФУ будет продолжаться еще не сколько десятилетий. для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ — пропанобутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками — вторыми по величине потребителями фреонов. дело в том, что из-за по лярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся Арием населения в крупных городах. В 1925 г. в городах проживало немногим более 1/5 населения мира, сейчас — около половины. Прогнозируется, что к 2025 г. 2/3 жителей планеты будут горожанами.

Очень большим скоплением городов отличаются Северная Америка и Европа. Высокий уровень жизни городского населения этих регионов сильно контрастирует с условиями жизни в Азии (исключая Японию), где преобладают сельские жители, занимающиеся землепашеством и скотоводством. Меньшие ареалы сосредоточения населения расположены в Юго-Восточной Австралии, на юго-востоке Южной Америки, западном побережье Северной Америки и в некоторых частях североамериканского Среднего Запада.

В указанных районах плотность населения также весьма не равномерна. В некоторых небольших государствах она чрезвычайно высока. Площадь

Гонконга, например, всего лишь 1045 2 а плотность населения — около 5600 чел. на 1 км Среди более крупных государств наибольшая плотность была зарегистрирована в 1991 г. в Бангладеш (около 800 чел. на 1 км Как правило, высокая плотность населения наблюдается в промышленно раз витых странах. Так, в Нидерландах в 1990 г. она составила 440 чел. на 1 км в Японии — 330 чел. на 1 км