Sb97290

Стратосферный озон задерживает жесткое УФ-излучение Солнца в диапазоне С и значительно ослабляет полосу В, регулируя таким образом интенсивность и биологическую активность солнечного излучения. Действуя как защитный экран, стратосферный слой озона предохраняет от разрушения белки и нуклеиновые кислоты. В связи с защитными свойствами озонового слоя он является верхней границей биосферы.

Озон мезосферы хотя и поглощает УФ-излучение, однако вносит лишь небольшой вклад в защиту биосферы от солнечного излучения в УФобласти. Озон мезосферы играет важную роль в поддержании теплового баланса планеты и формировании нижнего слоя ионосферы.

В атмосфере УФ-излучение кроме озона поглощают также облака и аэрозольные образования.

3.3. Влияние антропогенной деятельности на озоновый слой

Измерения ОСО были начаты в 1926 г. (ст. Ароза, Швейцария). Основная сеть озонометрических станций была создана в 1956–1957 гг. В 1973 г. мировая наземная сеть состояла из 140 озонометрических станций. Ежедневные наблюдения за состоянием озонового слоя в настоящее время регулярно проводятся на 300 наземных станциях в дискретных точках материков и островов, в том числе в Арктике и Антарктиде. Более 70 организаций из 50 стран предоставляют информацию об общем содержании озона в Глобальную службу атмосферы Всемирной метеорологической организации. Также при мониторинге используются спутниковые методы.

Во второй половине ХХ в. было зарегистрировано глобальное снижение ОСО, в то время как за более ранний период наблюдений отмечалось в целом его увеличение. Чуть позже было обнаружено сезонное образование значительной по площади (средний диаметр около 9000 км) озоновой дыры над Южным полюсом и меньших по размеру дыр над Арктикой. Следует отметить, что так называемые «озоновые дыры» это не реальный разрыв атмосферной оболочки, а снижение концентрации озона в озоновом слое. Говоря об озоновой дыре, подразумевают снижение ОСО менее 220 е.Д. Интерес к проблеме возник далеко за пределами научного сообщества и приобрел социальный характер и ярко выраженную экономическую «окраску».

Предположения о возможном антропогенном влиянии на сокращение ОСО были выдвинуты еще до того, как были получены длительные ряды наблюдений, на основании которых можно было бы сделать вывод об однозначном истончении озонового слоя: уменьшение толщины озонового слоя в отдельных регионах северного и южного полушарий началось в конце

31

1950-х гг, а на глобальном уровне статистически значимая убыль ОСО была выявлена в конце 70-х гг. ХХ в.

Впервые мысль о возможном антропогенном нарушении озоносферы возникла в 1960-х гг. в связи с интенсивными испытаниями ядерного оружия, однако впоследствии выполненные расчеты не подтвердили это предположение. Позже, в 1970 г., было рассмотрено влияние на озон полетов сверхзвуковых самолетов, однако уже в 1971 г. их возможная роль была признана пренебрежимо малой. Также рассматривалось влияние от использования азотных удобрений. Но самые известные широкой общественностью «виновники» истощения озонового слоя – хлорфторуглероды (ХФУ или CFC в латинской транскрипции) или фреоны.

Фреоны использовались в аэрозольных упаковках, при изготовлении пенопластов, а самое главное – в качестве холодильных агентов. ХФУ имели массу достоинств: низкую токсичность, пожаробезопасность, совместимость со многими материалами, но самое главное – имели температуру кипения, близкую к комнатной, поэтому легко переходили из жидкого состояния в газообразное и обратно. Известны также гидрохлорфторуглероды (ГХФУ, HCFC). Некоторые из них появились задолго до возникновения озонной проблемы. ГХФУ содержат хлор и водород и не могут разрушать озоновый слой, так как происходит быстрое связывание хлора атомами водорода в нижних слоях атмосферы. Наконец, ГФУ (НFС) – гидрофторуглероды, появившиеся недавно, не содержат хлора, и потому считается, что не могут разрушать озоновый слой. Необходимо отметить, что хладагенты ГХФУ и ГФУ во многих отношениях уступают ХФУ: их производство обходится дороже, в смеси с воздухом при повышенном давлении или температуре могут стать горючими; кроме того ГФУ токсичны, вызывают коррозию и обладают парниковым эффектом. Переход на ГХФУ и ГФУ сопряжен с падением КПД холодильных установок и климатической техники, повышением расхода электроэнергии, увеличением их стоимости.

В 1973 г. Ш. Роуланд и М. Молина обнаружили, что атомы хлора могут выступать катализаторами в реакции деструкции озона, нарушая таким образом динамическое равновесие процессов образования и разрушения озона. Согласно описанному механизму разрушения озона от молекул ХФУ

встратосфере под действием ультрафиолетового излучения высвобождаются атомы хлора, которые накапливаются в стратосфере и непосредственно участвуют в разрушении молекул озона. Такие выводы были сделаны

врезультате лабораторных экспериментов и модельных расчетов.

32

Следует отметить, что описанный механизм разрушения озонового слоя и образования озоновых дыр критиковался по многим причинам, среди которых следующие:

1.Все газы обычно сконцентрированы недалеко от мест выбросов, однако места масштабных выбросов фреона – преимущественно крупные города – и места образования «озоновых дыр» не совпадали. Над мегаполисами не было обнаружено снижения концентрации озона в стратосфере, тогда как основная локация озоновых дыр регистрировалась над полюсами, где хозяйственная деятельность минимальна (научные станции).

2.Чтобы фреон начал разрушать озоновый слой, он должен непосредственно начать взаимодействие с озоном, который располагается на высоте от 8 км. Но фреон в четыре раза тяжелее воздуха. Более того, с термодинамической точки зрения фреон сначала должен взаимодействовать с водородом в нижних слоях атмосферы с образованием низкоконцентрированного раствора соляной кислоты.

3.Крупная озоновая дыра, обнаруженная над Антарктидой в 1985 г., имела ярко выраженную сезонность появления: каждый август она появлялась, а к январю исчезала; при этом перенос воздушных масс между полушариями в моменты появления антарктической озоновой дыры возможно отсутствует.

4.Согласно описанному механизму молекула хлора (брома, фтора) выступает катализатором химической реакции. В то же время известно, что катализаторы не смещают химическое равновесие, а только ускоряют его достижение. Соответственно, для восстановления равновесия в системе должны вновь образовываться молекулы озона.

Более поздние исследования позволяют констатировать, что все количественные оценки разрушения озонового слоя окислами азота и галогенпроизводными (фреонами) весьма ненадежны, и пока ни одна из существующих моделей не может достоверно описать наблюдающиеся флуктуации ОСО. Их недостоверность обусловлена недостатком данных о процессах, протекающих в стратосфере, сложностью моделей и используемыми в них упрощениями. Сегодня нельзя уверенно сказать даже о возможном знаке изменения содержания озона под действием тех или иных примесей.

Несмотря на большой объем выполненных экспериментальных и теоретических исследований, реальные причины убыли озона до сих пор окончательно не установлены. В материалах Всемирной метеорологической организации указывается, что в целом прогноз состояния озонового слоя остается неопределенным, существующие химические модели не позволяют точно воспроизвести наблюдаемые вариации ОСО. Кроме того, приводи-

33

мые в научной литературе сведения о скорости убыли стратосферного озона крайне противоречивы.

Существует мнение, что если процесс деструкции имеет естественное происхождение, то он может иметь периодический характер – вслед за разрушением может наступить восстановление общего содержания озона.

До настоящего времени продолжается дискуссия о природе аномальных явлений в озоновом слое (Антарктическая озоновая дыра в Южном полушарии, «мини-дыры» в Северном полушарии). Постепенно усиливается понимание того, что вариации озонового слоя в Южном полушарии имеют не только фотохимическую природу, но и обусловлены геофизическими процессами в стратосфере.

С момента выявления тенденции к уменьшению ОСО в стратосфере исследования были направлены на доказательство антропогенного характера озоновых дыр и на разработку фотохимических механизмов разрушения. Только в последнее время стали уделять внимание геофизическим факторам, определяющим динамику движения масс озона. Из работ ряда авторов следует, что значительные флуктуации ОСО обусловлены в большей степени природными факторам, и озоновые дыры не «рукотворный объект», а природный феномен.

Относительно такой природной аномалии, как Антарктическая озоновая дыра, следует отметить что атмосфера над Антарктидой, особенно в зимнее время (август-сентябрь) имеет ряд уникальных особенностей. В ней существует так называемый циркумполярный вихрь, который практически изолирует еѐ от остальной атмосферы Земли. Из-за этого вихря естественный процесс переноса озона от тропических областей не работает, озон разрушается, но нет притока, компенсирующего это разрушение. Одновременно отмечается значительная положительная аномалия ОСО вокруг Антарктической озоновой дыры во время ее существования. Кроме того, температура воздуха в антарктической стратосфере очень низка: в нижних слоях в ночные часы опускается ниже минус 80 °C. Поскольку, как отмечалось ранее, реакция разрушения озона экзотермическая, снижение температуры смещает химическое равновесие в сторону разрушения озона. С наступлением антарктической весны разрушается циркумполярный вихрь, а температура стратосферы над Антарктидой повышается. К южному полюсу начинает поступать озон из более низких широт, и ОСО приходит в норму.

3.4. Последствия уменьшения ОСО

Изменения какого-либо фактора, действующего на экосистему, в принципе может повлечь определенные, в том числе и необратимые изменения.

34

Не является исключением и ОСО. Существенное истощение озонового слоя и, соответственно, увеличение ультрафиолетового излучения с длиной волны короче 320 нм может привести к определенным последствиям. К началу ХХI в. деструкция озонового слоя уже привела к определенным изменениям в экосистемах Земли, в частности, в тропосфере и стратосфере произошло изменение температурных режимов. В глобальном масштабе за последние 25–30 лет наблюдается выхолаживание стратосферы, происходящее со средней скоростью около 0,4–0,8 °С за 10 лет. Таким образом, в ХХI в. чрезвычайную важность приобрели две взаимосвязанные экологические проблемы: деградация озонового слоя (в том числе образование «озоновых дыр») и климатические изменения.

Что касается влияния этих изменений на человека как биологический вид (и другие виды тоже), то в связи с этим следует отметить, что в некоторых районах земного шара, особенно в средних и высоких широтах, при относительно низкой высоте Солнца уменьшение ОСО не является катастрофическим. К гораздо большим колебаниям дозы ультрафиолетового излучения приводят все возрастающие миграции населения по сравнению с любыми возможными колебаниями содержания озона. Изменение образа жизни – стиля одежды, длительности пребывания людей на открытом воздухе, рост туризма и многие другие факторы также приводят к увеличению дозы ультрафиолетового излучения. На фоне этих изменений увеличение дозы излучения вследствие возможного уменьшения содержания озона, повидимому, следует считать несущественным.

Следует отметить, что живые организмы в ходе эволюции выработали защитные механизмы, которые позволяют им переносить значительные изменения дозы ультрафиолетового излучения вследствие естественных флуктуаций среднегодового содержания озона. Одним из таких механизмов является то, что спектр поглощения белка и нуклеиновых кислот в ультрафиолетовой области спектра похож на спектр поглощения озона.

Тем не менее в свое время реакция общественности на проблему разрушения озонового слоя имела огромные экономические последствия. После опубликования в 1974 г. выводов М. Молины и Ш. Роуланда о роли атомов хлора в гибели стратосферного озона Совет по охране природных ресурсов США в 1975 г. просит Комитет по безопасности потребительской продукции США запретить применение фреонов в аэрозольных упаковках. В 1976, 1979, 1982 и 1984 гг. Национальная академия наук США предоставляет доклады о разрушающем воздействии фреонов на озоновый слой, где прогнозируется его опасное истощение.

35

Венская конвенция об охране озонового слоя была принята в 1985 г. Еще через два года, в 1987 г., был подписан Монреальский протокол, ограничивающий производство и распространение фреона и других озоноразрушающих веществ. С тех пор Монреальский протокол многократно пересматривался в сторону ужесточения его положений.

Россия присоединилась к Венской конвенции и подписала Монреальский протокол, что закреплено в ст. 54 и 69.1 закона РФ «Об охране окружающей среды» от 10.01.2002 № 7. Постановлением Правительства от 24.03.2014 № 228 «О мерах государственного регулирования потребления и обращения веществ, разрушающих озоновый слой» утвержден перечень веществ, разрушающих озоновый слой, обращение которых подлежит государственному регулированию, а также допустимые объемы их потребления. В связи с этим экономика России несет определенные экономические потери, так как полностью зависит от импорта озонобезопасных веществ.

Контрольные вопросы:

1.Какова максимальная концентрация озона в стратосфере?

2.Чем опасно УФ-излучение для биосферы?

3.Что вызывает смещение химического равновесия в реакции образо- вания-разрушения озона?

4.Возможно ли ускорить достижение равновесия?

5.Как изменяется температура при удалении от поверхности земли?

4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ ТВЕРДЫМИ ЧАСТИЦАМИ

По агрегатному состоянию выбросы загрязняющих веществ в атмосферу классифицируются на газообразные, жидкие и твердые.

Среди загрязнителей атмосферы твердые частицы имеют характерные особенности и являются одними из основных. На долю твердых приходится 10–14 % от массы всех загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух из источников.

Смешиваясь с воздухом, они образуют аэрозоли – дисперсные системы, в которых неограниченно долгое время могут находиться во взвешенном состоянии пыль и капельки жидкости. В атмосфере аэрозольные загрязнения могут находиться в виде тумана, дыма, смога.

Дым – аэрозоль, содержащий твердые частицы размером менее 5,0 мкм, аэрозоль с более крупным размером частиц (до 0,1 мм) называется пылью (грубодисперсный аэрозоль).

Туман – аэрозоль, содержащий мельчайшие частицы жидкости.

36

Смог – разновидность тумана, представляющего собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц; возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: газообразные загрязняющие вещества, интенсивная солнечная радиация и отсутствие ветра.

Время пребывания частиц в атмосфере зависит как от их размеров и плотности, так и от состояния атмосферы (скорости ветра, состава, температуры). Крупные частицы обычно не переносятся в верхние слои атмосферы и оседают в течение нескольких часов вблизи источников их образования с рассеиванием у земной поверхности в подветренную сторону. Мелкие частицы (размер частицы меньше 1 мкм) имеют время пребывания в нижних слоях атмосферы 10–20 суток, что достаточно для их распространения на большие расстояния от источников образования. При этом за счет перемещений воздушных потоков они могут проникать в верхние слои тропосферы и из них – в стратосферу.

Выбросы твердых частиц могут иметь естественное и искусственное происхождение. Естественные источники (возникают в природных условиях без участия человека): пыльные бури, извержения вулканов, лесные пожары, выветривание. Искусственные источники: объекты теплоэнергетики (в наибольшей степени объекты, работающие на угле), горнодобывающие и горноперерабатывающие предприятия, металлургическая промышленность, предприятия по производству стройматериалов; любые технологические процессы, которые включают дробление, измельчение и пересыпку как исходного сырья, так и товарного продукта; транспорт, сельское хозяйство (обработка пестицидами, внесение удобрений).

Аэрозольные частицы отличаются большим разнообразием химического состава, который зависти от исходного сырья. Чаще всего это соединения кремния, кальция и углерода; иногда содержат оксиды тяжелых металлов, реже состоят полностью из них.

Влияние аэрозольных частиц географически неравномерно, оно наиболее выражено в тропиках и субтропиках, особенно в Азии.

Воздействие зависит от того, находятся ли частицы в атмосфере или на поверхности земли. Пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения энергии (глобальное затемнение). Достаточно длительное интенсивное загрязнение атмосферы приводит к понижению температур и локальным изменениям климатических условий, что наиболее выражено в крупных городах и промышленных центрах. Во второй половине ХХ в. наблюдалось постепенное уменьшение количества солнечного света, достигающего поверхности Земли. С другой

37

стороны, выпадение на поверхность льда или снега твердых частиц приводит к нагреву поверхности за счѐт снижения еѐ альбедо.

Наиболее значимы с экологической точки зрения и наиболее опасны для здоровья человека частицы с размерами 1–5 мкм. Частицы крупнее 5 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях и не попадают в легкие. Частицы размером менее 1 мкм легко вдыхаются легкими, но также выходят с выдыхаемым воздухом. В районах с высоким уровнем загрязнения твердыми частицами возникают специфические заболевания, такие как силикоз, асбестоз, бериллиоз и др.

Пыль и аэрозоли играют заметную негативную роль в процессах коррозии металлических и силикатных материалов из-за образования на поверхностях отложений. В них удерживается влага, в которой растворяются кислотные газы и разрушают изделия из камня, стекла, металлов.

Контрольные вопросы:

1.Какой размер твердых частиц наиболее опасен для человека? Почему?

2.Что такое смог? При каких условиях он формируется?

3.Почему смог устойчив в атмосфере?

4.Основная причина выделения твердых частиц в атмосферу. Можно ли ее устранить?

38

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Аналитический доклад «Риски реализации Парижского климатического соглашения для экономики и национальной безопасности России». М.: Ин-т проблем естест. монополий, 2016.

Белан Б. Д. Озон в тропосфере. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2010.

ГН 2.1.6.1338–03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населѐнных мест.

Груза Г. В., Ранькова Э. Я. Наблюдаемые и ожидаемые изменения климата России: температура воздуха. Обнинск, ФГБУ «ИГКЭ Росгидромета и РАН», ВНИИГМИ-МЦД, 2012.

Кароль И. Л., Киселев А. А. Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2013.

Кашкин, В. Б., Рублева Т. В., Хлебопрос Р. Г. Стратосферный озон: вид с космической орбиты. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2015.

(URL: http://catalog.sfu-kras.ru)

Кондратьев К. Я. Глобальная динамика озона // Итоги науки и техники. Серия «Геомагнетизм и высокие слои атмосферы». Т. 11. 1989.

Лунин В. В., Попович М. П., Ткаченко С. Н. Физическая химия озона. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998.

Национальный доклад о кадастре антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов, не регулируемых Монреальским протоколом за 1990–2014 гг. Ч. 1. М.:, 2016.

39

Панкратова Мария Юрьевна,

Веженкова Ирина Владимировна,

Клейн Анна Дмитриевна

Общая экология и охрана окружающей среды

Учебно-методическое пособие

Редактор О. Р. Крумина

Подписано в печать 12.12.18 Формат 60х84 1/16 Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 2,5.

Гарнитура «Arial». Тираж 353 экз. Заказ 180.

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5