79. Озоновый слой планеты.

Озоновый слой - предохраняет живые организмы на Земле от вредного коротковолнового излучения (длин волн 280-310 нм).

О зоновый слой расположен в верхних слоях атмосферы (стратосфере). Он начинается на высотах около 8 км над полюсами и 17 км над экватором. Озоновый слой находится главным образом стратосфере, т.е. между высотами 20 и 50 км, где сосредоточено 90% всего атмосферного озона.

Благодаря озону смертоносная ультрафиолетовая солнечная радиация в слое между 15 и 40 км над земной повер-тью ослабляется примерно в 6500 раз.

Образование и разрушение озона.

Образование (и разрушение, при отсутствии других химических веществ) озона описывается химическими уравнениями цикла Чепмена:

Озон образуется в верхних слоях стратосферы и нижних слоях мезосферы в результате протекания следующих реакций: О₂ +hvO+O О₂+O О₃^* О₃+М-Q

где M - различные молекулы, например, кислород или азот, для того, чтобы произошло тройное столкновение.

Озон и атомарный кислород могут реагировать в кислородной атмосфере согласно реакциям О₃+O О₂+ О₂-Q; О₃+hvO₂+O - разрушение озона.

из всего этого hv+ hv^/-Q=-605кДж/моль

Но в природе разрушение О₃ больше, чем по циклу Чэмпена, т.к. в разрушении озона участвуют катализаторы, кот.сущ-ют в стратосфере. Катализаторы обеспечивают более быстрое протекание реакции озона с атомами кислорода, т.к. для этих частиц процесс отнятия атома О от молекулы озона и последующ. передача этого атома другому атому О протекает быстрее, чем прямая реакция О₃ с О.

Цепной процесс гибели озона включает следующие стадии. Первая – это образование частиц Х, ведущих цепь, или инициирование цепи. Вторая – это стадия продолжение цепи, включающая две реакции, в первой из которых частица Х отнимает атом кислорода у озона О3, а во второй передаёт его другому атому О, в результате чего О3 и О погибают, а частица Х сохраняется, и способна снова продолжать цепь, уничтожая озон, и, наконец, это обрыв цепи, приводящий к гибели частицы Х. Можно сосчитать так называемую длину цепи, которая соответствует числу молекул озона, уничтоженных одной частицей Х. Один атом хлора, появившись в стратосфере, может погубить до ста тысяч молекул озона.

Количество озона, наличествующее в стратосфере, уравновешивается главным образом химическими реакциями разрушения озона, в основе которых находится способность различных химических веществ связать какую-либо из молекул озона с тремя атомами кислорода. Имеется целый ряд реакций, приводящих к гибели озона. Их все объединяют в несколько семейств, главными из которых является азотное, кислородное (из механизма Чэпмана), водородное и галогеновое. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами. Выделяют следующие каталитические циклы.

Азотный цикл (NO_x):

N₂O + O(¹D) → NO + NO О₃ + NO → NO₂ + О₂ NO₂ + О → NO + О₂

Водородный цикл (HO_x) :

Н₂O + O → OH + OH ОН + О₃ → НО₂ + О₂ НО₂ + О₃ →ОН + 2О₂

Хлорный цикл (ClO_x):

CFCl₃ + hν → CFCl₂ + Cl Cl + O₃ → ClO + O₂ ClO + O → Cl + O₂

Особую опасность для озонового слоя представляют хлорфторуглероды, кратко ХФУ (CF2C12 и CFC13). В 1974 г. М. Молина и Ф. Роулент из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что хлорфторуглероды (ХФУ) могут вызывать разрушение озона. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладоагенты в холодильниках и кондиционерах, пропеленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электрон. приборов, при хим. чистке одежды, при произво-ве пенопластиков.

Проблема озонового слоя возникла в 1982 году, когда было обнаружено снижение концентрации озона над Антарктидой на 40% - «озоновая дыра».

Было предложено две гипотезы, объясняющие механизм образования «озоновых дыр» - антропогенная фотохимическая и метеорологическая.

Так по антропогенной фотохимической гипотезе. Причиной образования озоновых дыр считают наличие в атмосфере фреонов (хлорфторуглеводороды), проникновение в верхние слои стратосферы озоноразрушающих веществ (ОРВ), молекулы которых содержат хлор или бром. Согласно метеорологической гипотезе. Появление и исчезновение озоновых дыр объясняется динамикой самого озонового слоя и изменениями климата.

Уменьшение концентрации стратосферного озона приводит к тяжелым последствиям: 1) возрастает число онкологических заболеваний кожи у людей и животных; 2) растет число заболеваний в связи с подавлением иммунной системы человека; 3) замедляется рост наземных растений; 4) снижается скорость роста фитопланктона; 5) начинается вымирание животных, морских и океанских подводных форм жизни из-за уменьшения количества растительной пищи.

После обнаружения озоновой дыры в целях защиты озонового слоя в глобальном масштабе стали предприниматься активные действия.

22 марта 1985 года была принята Венская конвенция «Об охране озонового слоя», в которой страны-участники конвенции договорились о необходимости проводить систематические и фундаментальные исследования, связанные с озоновым слоем, включить в законодательство требования по уменьшению и ликвидации эмиссии веществ, разрушающих озоновый слой, а также создать специальную международную институцию по способствованию и координированию охраны озонового слоя – Секретариат по озону.

16 сентября 1987 года был принят Монреальский протокол «По веществам, разрушающим озоновый слой». На международной встрече в Монреале 98 стран заключили соглашение (Монреальский протокол) о постепенном прекращении производства ХФУ и запрещении выбросов их в атмосферу.

80. Формы миграции химических элементов в окружающей среде.

Миграция- перемещение и перераспределение химических элементов в земной коре и на её поверхности.

Две сложные экосист., связаны м/у собой биохимически: 1) экосистема суши- образуется растениями, животными и почвенным покровом. Функция: связывание и перераспределение солнеч.Е, формирование биомассы, связывание углерода атмосферы. 2) экосист.мир.океана. Эти системы находятся в непрерывном взаимодействии, вовлекая в круговороты широкий спектр органич. и неорганич.соед. в виде газов, растворов и тв. в-в.

На земле сложился великий биогеохимический круговорот: биогенные циклы, абиогенные циклы. При нормальном функционировании они имеют почти круговой характер (98%). Человек влияет на циклы. В кажд.цикле выделяют 2 фонда. 1)резервный фонд-недоступный. Это большая масса медленно движушихся в-в в основном не биотических в-в. 2)обменный фонд-это меньшая масса в-ва, для которой характерен быстрый обмен м/у организмами и их окружением: 1)круговорот газообразующих в-в (с резервным фондом в атмосфере и океане) 2)осадочный цикл (с резервным фондом в земной коре). Степень нарушенности круговорота определяется активностью его резервного фонда. Миграция: региональные и глобальные миграционные пр-сы.

Миграция зависит от: 1)биомассы; 2)скорости разм-ия; 3)концентрационная ф-ия (скорость поглощения). Наибольший вклад в миграцию сносят м/о.

Миграция: 1) Механ.миграция(ММ) (механогенез)-это перенос в-ва под воздействием механ. факторов (ветра, климата). Характерно: раздробление горных пород, минералов, биологических обьектов-увел. их дисперсность, растворимость в воде, стабильность в атмосфере, склонность к сорбции.

Механическая денудация – перемещение взвешенных частиц вещества водными потоками на поверхности суши.

2)Физикохим.миграц.(ФХМ)-этот пр-с осущ-ся как на молекуляр. так и глобальн. масштабах: диффузия, конвекция, сорбция, адсорбция, растворение, осаждение и т.д. Диффузия- самопроизвольный необратимый перенос в-ва, приводящий к установлению равновесия концентраций при переносе в-ва из области с большим содержанием к области с меньшим. Конвекция - процесс миграции массовых потоков газа или жидкости, перемещение частиц происходит вместе с растворителем. Конвекция характерна как для верхней мантии, так и для земной коры. Конвекция в пористой среде называется фильтрацией, которая протекает значительно быстрей диффузии. Сорбция-поглощение газов или жидкостей твердыми или жидкими веществами из окружающего пространства поверхностью (адсорбция) или всем объемом (абсорбция) тела. Поглощающие вещества называются адсорбентами (абсорбентами), а поглощаемые адсорбатами (абсорбатами).

3)Техногенная миграция - это непосред. транспортировка в-ва в рез-те хоз.деет. 1)процессы, мало отличающиеся от прир. процессов (рассеяние эл-тов при выработке открытым способом). Аналог механогенеза. 2)резко отлич. от природ. пр-сов. Чел извлекает металл из руд, переводит их в сост.не соответ.физикохим.усл.данного бассейна, металл в свободном состоянии. Это получение чуждых природе соединений- ксенобиотиков (медикаменты, полимеры и т.д.) 3)экспорт и импорт нефти, газа, угля, удобрений, зерна, почвы и т.д. Количественная харак-ка техногенеза - технофильность.

4)Биогенная миграция связывает химические элементы с ОС и через трофические связи друг с другом. Живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Биогенная миграция обусловливается двумя противоположными, но взаимосвязанными процессами: 1) образование живого вещества из элементов неорганической природы за счет солнечной энергии и 2) разрушение органических веществ, сопровождающееся выделением энергии, в результате которого элементы переходят из органич. соединений в минеральные.

Биогенная миграция определяется факторами: 1) кларком элемента; 2) скоростью размножения организма; 3) формой соединения.

По 2 фактору (Принцип Снедетского) м/о вносят наиб. вклад в миграцию.

В.И. Вернадский сформулировал закон биогенной миграции атомов в следующем виде: Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом (тем, которое населяет биосферу в настоящее время, и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории).

По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:  химической (биохимической) – I род геологической деятельности; механической – II род геологической деятельности.

Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи является более значительной.

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – к биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества: сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных.

Три основных положения, которые Владимир Иванович называл “биогеохимическими принципами”: I принцип: ”Биогенная миграция атомов хим. элементов в биосфере всегда стремится к макс. своему проявлению”. II принцип: “Эволюция видов в ходе геологич. времени идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы”. III принцип: “В течение всего геологического времени, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало”.

Факторы миграции подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние факторы – это факторы, связанные только со свойствами атомов и их соединений, в их число входят: 1) свойства связи; 2) химические свойства; 3) энергетические свойства веществ; 4) гравитационный фактор; 5) радиактивность.

Внешние факторы определяются состоянием окружающей среды, не зависят от индивидуальных свойств миграции веществ и включают следующие факторы: 1) космическая миграция; 2) миграция в одных растворах; 3) механическая миграция и др.

Количественные показатели интенсивности миграции.

Ур-ие для интен-ти миграции,кот-ое вывел Перельман:

где b -общее количество атомов элемента x в ландшафте или какой- либо его части (почве, горной породе, организмах). Тогда относительная часть атомов, перешедших в подвижное состояние, равна db/b.

Вывод из уравнения: наиболее инт-но мигр-ют элементы с меньшим Кларком.

Геохим.барьеры - уч-ки зем.коры,где на корот.расст-ии происходит концентрирование хим.эл-в за счет резкого уменьш.интен-ти миграции(перельман). На геохимических барьерах образуются руды большинства месторождений, различные геохимические аномалии, приводящие к загрязнению окружающей среды, другие практически важные виды концентрации элементов. Среди природных барьеров выделяют: 1) механические барьеры - участки резкого уменьшения интенсивности механической миграции. К ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков. 2) В местах резкого уменьшения интенсивности физико-химической миграции формируются физико-химические барьеры. Они возникают в местах изменения температуры, давления, окислительно-восстановительных, щелочно-кислотных и других условий. 3) Биогеохимические барьеры обязаны уменьшению интенсивности биогенной миграции - угольные залежи, торф, концентрации элементов в телах организмов и т.д.

81.Радионуклиды в биосфере. Неустойчивые изотопы, подверженные радиоактивному распаду, называются радионуклидами. Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков (кроме видимого света и УФ излучения). Это поток заряженных и (или) незаряженных частиц.

Природные радионуклиды. Естественными источниками ионизирующих излучений являются космическое пространство, а также сосредоточенные в земной коре радиоактивные нуклиды урана, тория и актиния, выделяющие в процессе распада в атмосферу изотопы радона. Половину годовой индивидуальной эффектив. дозы облучения от земных источников радиации человек получает газа радона.

Радиац. Фон (рф) нашей планеты складывается из четырех основ­ных компонентов: 1) излучения, обусловленного космическими источ-ми; 2) излучения от рассеянных в ОС первичных радио­нуклидов (РН); 3) излучения от естественных РН, поступающих в ОС от производств, не предназначенных непосредст­венно для их получения; 4) излучения от искус. РН, образованных при ядерных взрывах и вследствие поступления отходов от ядерного топливного цикла и других предприятий, исп-щих искус-ые РН.

Естественный рф складывается из компонент: 1) излучения, обусловленного косм. источниками; 2) излучения от рассеян. в ОС первичных радио­нуклидов (РН).

Космическое пространство пронизано заряженными частицами разного происхождения: галактическим излучением, корпускулярным излучением Солнца и захваченными частицами, удерживаемыми на околоземных орбитах магнитным полем Земли. Первичные космические лучи в результате процессов ионизации и ядерных взаимодействий быстро теряют свою энергию и практически исчезают на высоте около 20 км. Образуется вторичное излучение, интенсивность которого падает по мере снижения в атмосфере. В атмосфере, литосфере, биосфере под воздействием космических лучей (как первичных, так и вторичных) протекают ядерные реакции, в которых образуются нейтроны, протоны, каоны, а также радионуклиды: ³Н, ¹⁴С, Be, Na и др. Космогенные радионуклиды — 7Be, 14C, 22Na.

Земная радиация обусловлена естественными радионуклидами, которые содержатся в ее коре. Основной источник поступления радионуклидов в биосферу — горные породы, образующие толщу земной коры. Благодаря деструктивным процессам метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера радионуклиды широко рассеиваются в окружающей среде. В воздухе присутствуют радионуклиды как космогенного, так и земного происхож. Особое значение имеет поступление из верхних слоев почвы радиоактив. газов: радона (²²²Rn), торона (²²⁰Тn), актинона (²¹⁹⁾Аn) и продуктов их распада.

Радионуклиды, находясь в смеси со стабильными элементами, поступают с пищей, водой и воздухом в организм человека и становятся источником постоянного облучения. Наибольшее значение в облучении имеют ⁴⁰К, U, Th и продукты их распада. За счет радона и торона формируется 3/4 годовой индивидуальной дозы получаемой от земных источников. Радон по сравнению с тороном вносит в суммарную дозу значительно больший вклад, а дозы формируются в основном за счет дочерних продуктов распада этих изотопов. Уровни радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в земной коре. Наибольший вклад дает К40, который равномерно распределен в организме человека.

Искусственно-измененный (антропогенный) РФ складывается из компонент: 1) излучения от естественных РН, поступающих в ОС от производств, не предназначенных непосредст­венно для их получения; 2) излучения от искус. РН, образованных при ядерных взрывах и вследствие поступления отходов от ядерного топливного цикла и других предприятий, исп-щих искус-ые РН.

Техногенно-измененный рф формируется, главным образом, за счет выбросов естественных РН при сжигании орг-го топлива, поступления их при внесении минер. (в первую очередь, фосф-ых) удобрений и их со­держ. в строит. конструкциях и материалах.

Основной вклад в дозу техногенного облучения дают строительные материалы, особенно содержащие повышенные концентрации калия, радия, тория — это пемза, некоторые марки бетона, литоидный туф, гранит, отходы переработки урана. Доза в помещениях формируется в результате внешнего излучения и, главным образом, за счет поступления радона и торона в организм через органы дыхания. Сжигание органического топлива, в первую очередь, каменного угля является источником выбросов в ОС ряда естес. РН, таких как ⁴⁰К, ²²⁶Ra, ²²⁸Ra, ²³²Th, ²¹⁰Po, ²¹⁰Рb. Еще меньший вклад в формирование суммарной эффективной экви­валентной дозы вносят полеты на самолетах и применение содержащих ра­дионуклиды предметов широкого потребления.

Радиационный мутагенез как фактор формирования флоры и фауны.

Жизнь на Земле зародилась на радиоактивном фоне. Радиация генетически нам необходима. Видимо, радиация явилась одним из факторов эволюции флоры и фауны. Изучая скорость размножения парамеций при экранировании их от ЕРФ свинцом, X. Планель обнаружил, что снижение фона природной радиации приводит не к улучшению, а наоборот к ухудшению развития клеточ. культур и замедлению скорости деления клеток. Снижение внешнего ЕРФ (космического и Земного) замедляет скорость деления одиночных клеток (простейших, водорослей, культуры клеток), эмбрион. развитие насекомых, рост и развитие растений и животных. ЕРФ не только не вреден для биоты, а необходим для ее существ-ния на нашей планете.

В организме имеется особая система защиты генома, препятствующая чрезмерному увеличению частоты мутаций, например, при радиационном воздействии. Складывается она из 3-ех уровней защиты - на уровне клетки, организма и популяции: (1) На уровне клетки функционирует очень совершенный механизм ферментативной репарации ДНК, а также специальная система надзора, которая при обнаружении необратимых повреждений в структуре ДНК запускает механизм «клеточного самоубийства» - апоптоз. (2) На уровне организма и популяции «выбраковку» осуществляет иммунная система.

Антропогенез и радиация. Последний значительный период накопления отмечен в палеогене. С наступлением этой эпохи совпадает развитие антропоидов (около 32 млн. лет назад). Люди жили в пещерах где было много радона. В начале голоцена (10000 лет назад) была уже развита культура. Происходит накопление урана и начала затухать культура, начали появляться более простые рисунки. 2500 лет назад – появление нескольких очагов культуры. Идет связь между содержанием урана в атмосфере, органических веществах и развитием человечества. Когда конц-ция урана падает человеч. цивилизация расцветает.

Защита организмов от радиационного поражения.

Для защиты организма от внешних потоков альфа-излучения достаточно тонких защитных экранов (например, для защиты рук – хирургические перчатки) или удаление от источника >11 см. Для защиты от бета-излучения достаточно листа алюминия толщиной несколько миллиметров. В качестве защиты от гамма-излучения эффективно используются свинец, бетон, или иные материалы с высоким удельным весом.

Группа A – непосредственно работающие (20 мЗв/год), группа Б – уборщица (25% от А) и население (1 мЗв/год).