Роль стратосферного озона в формировании глобального климата планеты.

Из нормативного курса "Климатология" и спецкурса "Физика геосфер" известно, что температура в тропосфере понижается с высотой, а в стратосфере она повышается с высотой. Последнее обусловлено наличием в стратосфере озона. Охраняя нас от УФ, поглощая энергию в диапазоне 0,2-0,32 мкм озон нагревает атмосферный газ. Этот нагрев в значительной мере и определяет температуру стратосферы, ее высотное и широтное распределение. Таким образом, вся циркуляция в стратосфере зависит от распределения в пространстве скорости нагрева, т.е. от распределения озона. Значит, изменение количества озона вызовет изменения в динамических процессах, в т.ч. в процессах взаимодействия стратосферы и тропосферы. Это значит, прежде всего, охлаждение атмосферного газа: в мезосфере на 20 град. С.; в большей части стратосферы (18-40 км) на 6-8град. С); в нижней стратосфере и тропопаузе (18-7 км) на 2-3 град.С. Следовательно, изменяются динамические процессы переноса воздушных масс, которые определяют взаимосвязь стратосферы и тропосферы, т.е. изменится устойчивый климат планеты, к которому приспособлен человек и природа в целом. Отсюда задачи человечества по сохранению озонового слоя.

Источники образования тропосферного озона и его роль в формировании смогов.

В тропосфере озона около 10 %, остальные 90 % в стратосфере. Поэтому на тропосферный озон мало обращали внимания. Но оказалось, что он порождает серьезные глобальные экологические проблемы. Это смоги, а также большой вклад тропосферного озона в изменении глобального климата. Концентрация озона на высотах 2-7 км может варьировать в пределах 20-40 %, составляя примерно (2-3)¹¹.10^-3 см. Естественными источниками тропосферного озона являются глобальные атмосферные динамические процессы, т.е. молекулы озона поступают в тропосферу при обмене воздушными массами со стратосферой. Озон в тропосфере не накапливается, но ежесекундно из стратосферы в тропосферу поступают новые порции озона.

Различные типы поверхности Земли (леса, пустыни, воды) по-разному разрушают озон, наибольшей разрушающей способностью обладают хвойные леса и тундра.

Вторым источником озона в тропосфере являются грозы. На Земле происходит около 100 разрядов молний ежесекундно. Но поскольку они локализованы, то в обший баланс тропосферного озона вклад данного источника невелик.

Пространственное распределение озона в приземном слое неравномерно. Над океанами воздух богаче озоном, т.к. разрушение озона над водой слабее. В Сочи у берега на 20 % молекул О₃ больше, чем в лесу в 2 км от берега. Но основное распределение определяет антропогенный фактор. Распределение тропосферного озона по полушариям следующее - в северном его в 1,5-2 раза больше, что обусловлено, преимущественно, наличием большего количества городов.

Станции наблюдений указывают на рост концентрации тропосферного озона. Скорость накопления примерно 1-2 % в год, следовательно, надо ожидать удвоения содержания озона в тропосфере с 1950 по 2000 год.

Атмосферное явление накопления в воздухе нижней тропосферы первичных антропогенных загрязнителей и последующее вторичное загрязнение тех же масс воздуха продуктами химических и фотохимических реакций, происходящих на основе первичных загрязнителей и солнечной радиации, получило название СМОГ. Это слово образовалось от двух английских слов "smouk" - дым, копоть и "fog" - густой туман. В действительности смог - это не туман и не дым. Это самостоятельное природное явление антропогенного происхождения. Сейчас, смоги могут охватывать целые регионы.

Существует 3 вида смогов:

1.Лондонский или влажный смог - в его основе серный ангидрид (SО₃), сажа и капли тумана;

2. Аляскинский или ледяной смог - в нем газообразные загрязнители, пылеватые частицы сажи и кристаллы льда, образовавшиеся в результате замерзших капель тумана и пара отопительных систем;

3.Лос-Анджелесский фотохимический или сухой смог - его первичными составляющими являются оксиды азота и углеводороды.

Накопление этих первичных загрязнителей под влиянием солнечного излучения приводит к вторичному загрязнению продуктами фотохимических реакций. Так, оксиды азота при участии УФ соединяются с углеводородами и образуют пероксилацетилнитрат (ПАН) и др. фотохимические окислители, например, пероксибензоилнитрат (ПБН), перекись водорода (Н₂О₂) и др.

Другим основным компонентом фотохимического смога является тропосферный озон. Это наиболее опасная составляющая смога. Это сильный фототоксин, т.е. он активно вовлекается в окислительные процессы. Повторяемость его увеличивается. Например, в Лос-Анджелессе смог наблюдается 200 дней в году. Тоже в городах Японии, Китая, Южной и Центральной Америки. В Европе влияние смога ощущают практически все города. В городах Украины Одессе, Симферополе, Запорожье, Днепропетровске, Донецке, Мариуполе и многих других скорость фотохимических реакций, приводящих к образованию смога, при наблюдаемых уровнях загрязнения в два и более раза превышает критическую скорость, при которой образуется смог ( наблюдаемые скорости образования О₃ - 0,7- 0,85 мг (м³/час), в то время как смог возникает при скорости 0,35 мг (м³ /час).

Образование озона связано с освещенностью - утром низкая концентрация озона, а к полудню достигает максимума. Зимой даже при высокой концентрации диоксида азота в силу слабой освещенности скорость образования озона невелика. На скорость генерации озона в большой степени влияет содержание в воздухе угарного газа, метана, ЛОС.

Наличие в составе смога ПАН, диоксида азота и иодистого калия придает ему коричневый оттенок. При конденсации ПАН выпадает на землю в виде клейкой жидкости, губительно действующей на растительный покров. У людей происходит воспаление глаз, раздражение носоглотки, спазмы грудной клетки, сильный кашель, отсутствие сосредоточенности. В районах, где образуются смоги широкое распространение получили: хронический бронхит, энфизема легких, рак, аллергические заболевания. Смог 1952 года в Лондоне унес более 4 тыс. жизней. В Японии до 60% жителей болеют хроническим бронхитом. Самый высокий уровень озонового загрязнения в Южной Калифорнии США, мегаполиса Лос-Анжджелоса, где живет 14 млн. чел, а к 2010 г. будет 18 млн.чел. Здесь наибольшее количество автомобилей. В регионе образуется светло-коричневая мгла с видимостью при смоге менее 10 км. Это "долина дымов" из-за слабой циркуляции воздуха. Здесь максимум солнечных дней, поэтому здесь функционирует столица Голливуда, т.к. не надо дополнительного освещения круглый год. Поэтому (выброс максимального количества загрязнителей, слабая продуваемость, максимум солнечной радиации) Лос-Анджелес стал чемпионом Америки по смогу. Там существует служба по оповещению населения о силе смога, как у нас о магнитных бурях. Ежегодный ущерб от смога здесь составляет 15 млрд. долларов.

Воздействию озона подвергаются не только люди, но и растительный покров. И хотя в промышленных районах содержание тропосферного озона в 1,5-1,7 раза выше, чем в сельскохозяйственных, влияние его на растительный покров достаточно велико.

Проникая в клетку, озон разрушает хлоропласты и ингибирует фотосинтез, нарушает регуляцию устьиц, меняет активность ферментов. Гибель лесов Европы прогрессирует с 70 годов. Как было отмечено в первой части пособия, больше всего повреждены леса Германии. Повреждения наблюдаются и в высокогорных лесах Швейцарии, Австрии и Италии. Повреждаются леса и там, где много ТЭЦ работающих на угле. К озону менее чувствительны кедр, сосна, дуб. Больше - тополь. Таким образом, озон очень сильный враг леса. У с/х растений в результате влияния озона подавляется фотосинтез. И интенсивность действия зависит от многих факторов, но влажность влияет больше всего. При недостатке влаги растения малочувствительны к озону (т.к. замедляется дыхание). Поэтому полив надо увязывать с содержанием озона. Наиболее чувствительна к озоновому загрязнению соя, наименее - сорго. Установлены различия в чувствительности к озону отдельных сортов пшеницы.