6.1.9.1. Проблемы атмосферного озона и озоновых "дыр"

Как и предыдущая проблема, эта проблема также требует детального рассмотрения. И. Е. Саратов (1998г.) обобщил значительное количество работ по проблемам озона и кислотных дождей, которые использованы при рассмотрении этих проблем. Ранее было отмечено, что в атмосферу поступают газы, которых ранее не было. Это, например, хлорфторуглеводороды. Увеличилось содержание традиционных газов, например, углекислого газа или метана и др. Изменение газового состава приводит к непредсказуемым глобальным экологическим последствиям. В частности, это дыра весной над Антарктикой, небольшие дыры над Европой, Америкой, Австралией. Дыра - это не пустота. Воздух там остается, но содержание озона уменьшается.

Озон - это форма химического элемента кислорода в атмосфере. Это очень активный газ. Он ведет себя по-разному в разных условиях и средах. В стратосфере его много и он образует экран, в тропосфере его мало (6-14% от всего содержания в стратосфере). При такой концентрации он благоприятен. Но увеличение его количества ведет к гибели. Удушающие смоги, содержащие озон, губят людей.

Образуется он при грозовых разрядах, электросварке, плазменной резке металла и даже в искре зажигания в двигателях. Он причастен к парниковому эффекту, т.к. поглощение тепла Земли озоном лежит вблизи длины волны 9,6 мкм, где углекислый газ и пары воды "прозрачны" для ИК лучей. Таким образом, "закрывает ту дырку" в спектре теплового излучения, через которую земное тепло могло бы уходить в космос. Озон применяется для дезинфекции, дезодорации, отбеливания тканей, в органическом синтезе различных веществ, очистке сточных вод.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОЗОНЕ. СВОЙСТВА

Озон(О3) - микрогаз, входящий в состав воздуха, представляющий собой аллотропную форму кислорода (аллотропия - свойства некоторых химических элементов существовать в свободном виде в нескольких видоизменениях, различных по физическим и химическим свойствам, например, углерод существует в виде угля, графита, алмаза. Газ синего цвета, в жидком состоянии - темно-синий, в твердом - сине-фиолетовый. Озон открыт в 1840 г. немецким химиком Христапом ШЕНБЕЙНОМ. За его специфический запах Шенбейн назвал его"пахнущим" (озон-по греч.пахнущий). Значительные концентрации 0,002-0,2 мг/л вызывает раздражение дыхательных путей, кашель, рвоту, головокружение, усталость. Таким образом, он ядовит. ПДК озона в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м3, в атмосферном воздухе -0,15 мг/м3. Растворимость озона в воде в 7 раз выше кислорода. В кислой среде растворимость падает, в щелочной - возрастает.

В ультрофиолетовом спектре озон имеет сильную полосу поглощения в интервале 0,2-0,3 мкм (200-300 нм) с максимумом при длине волны равной 0,255 мкм (полоса Гартлея). Это сильный окислитель (за исключением золота и металлов платиновой группы) металлов и органических веществ. Поэтому его используют для обеззараживания воды, сточных вод. В промышленности используют для получения ряда кислот, отбеливателей тканей, минеральных масел и многого другого.

СОДЕРЖАНИЕ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ ЕГО

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ , КОЛЕБАНИЯ.

Общая масса озона в атмосфере Земли 4´10-6 т, т.е. всего 0,64´109 от массы атмосферы. Это значит, что если собрать весь озон и осадить его на горизонтальную площадку поверхности Земли, то он покроет ее слоем равным в среднем для всей земной атмосферы 2,9 мм (толщина этого слоя в одну тысячную долю сантиметра соответствует одной единице Добсона (канадский ученый). Сравним: озона почти 3 мм, а столб атмосферы 8 км. Вес озона на каждый кв.метр не превышает 5-6 грамм.

Озон имеется в тропосфере, стратосфере и мезосфере. В термо-ионосфере его содержание принебрежительного мало. Механизм образования: в приземном воздухе азот и кислород существует практически в форме молекул N2 и О2. Под действием солнечной радиации идут процессы диссоциации (т.е. разрушения молекул), приводящие к появлению атомов N и О, т.е. количество атомарного кислорода (хотя и очень малое) с увеличением высоты растет. Этим и объясняется рост с высотой количества молекул О3. Но с некоторого уровня, расположенного в нижней стратосфере, разрушение молекул О3 солнечным излучением растет с высотой быстрее, чем образование озона из атомов О, поэтому, начиная с этого уровня (т.н. максимума слоя озона), концентрация озона с высотой начинает уменьшаться. Такова упрощенная схема вертикального распределения озона с максимумом на высоте 15-25 км в нижней стратосфере. Понятно, что никакого "слоя" озона, конечно нет. Озон существует в виде малой примеси "микрогаза" к атмосферному воздуху на всех высотах от поверхности Земли до мезопаузы. Иногда атмосферу ниже мезопаузы называют ОЗОНОСФЕРОЙ.

Общее количество озона колеблется от 120 до 760 еД при среднем значении 290 еД. Это количество колеблется от сезона к сезону, от широты, от солнечной активности. Колебания с периодом в 26 месяцев зафиксированы, т.е. реально существуют. Они трудно увязываются с периодами на Земле и Солнце. Ближе всего это увязывается с квазидвухлетним (квази-"якобы", "мнимый") колебанием и проявляется, прежде всего, в изменении зонального (т.е. дующего вдоль параллели) ветра в экваториальной атмосфере (2 года и 2 месяца ветер на экваторе дует с запада, а затем резко меняется на восточный) (рис.4)

Итак, согласно приведенному рис.4. максимум приурочен к концу зимы - началу весны (февраль-март), а минимум к осени (сентябрь-октябрь). Наибольший сезонный контраст наблюдается в высоких широтах (70-80° .сш), где его от 450 еД (март) до 280 еД (сентябрь). С уменьшением широты амплитуда сезонных колебаний падает (на 40-43град. - от 350 еД зимой, до 280 еД осенью), а на широтах меньше 30°, сезонные изменения практически отсутствуют (от месяца к месяцу не более, чем на 20 еД). И это понятно, т.к. в тропиках сезоны отсутствуют.

Рис4

Причиной сезонных и широтных колебаний являются фотохимические и динамические процессы, характерные для земной атмосферы. Если солнечное излучение отсутствует или ослаблено (ночь, зима, весна, осень в высоких широтах и т.д) реакция образования озона не идет и разрушение молекул О3 определяется образованием при длинноволновом излучении атома и молекулы кислорода. Эту схему поведения озона впервые предложил еще в 1930 г. английский геофизик ЧЕПМЕН и оно носит его имя (Чепменовские процессы).

Важно знать "время жизни", "время пребывания" озона в атмосфере от его зарождения до гибели. На высоте 40 км фотохимическое время жизни для озона составляет примерно 3 часа, т.е. это значительно быстрее динамических процессов, которые, как правило, длятся одни сутки. На высоте 15 км совсем по-другому: здесь фотохимическое время жизни озона более 100 суток, т.е. дольше динамических процессов. Таким образом, динамические процессы в данном случае могут повлиять на озон, а значит, концентрация О3 будет отражать интенсивность именно динамических процессов. Более того, установлено, что озон при восходящих процессах, подымаясь вверх, становится "тонким", а значит общее количество озона будет меньше, а при нисходящих процессах озона больше, следовательно, происходит и утолщение слоя озона.

Теперь ясно каков механизм сезонного хода. В течение зимы происходит накопление (разрушающее влияние солнечного излучения слабо) озона. Таким образом, форма профиля озона определяется динамическими процессами. Именно фотохимические процессы определяют характер распределения озона, а динамические только перераспределяют то, что уже создано.

СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН И УМЕНЬШЕНИЕ ЕГО КОЛИЧЕСТВА

Дело в том, что молекулы азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны и в поглощении излучения практически участия не принимают. Поэтому получается, что если бы не озон, то солнечное излучение с длиной волны от 0,2 до 0,32 мкм проникало бы сквозь атмосферу до поверхности Земли. Коэффициент поглощения озона в этой области спектра очень велик и намного превосходит коэффициент поглощения кислорода, азота, аргона.

Жесткое УФ излучение после прохождения озона уменьшается в 1017 раз. Таким образом, защита трехмиллиметрового слоя озона огромна. Мягкое УФ излучение доходит до поверхности Земли. А один берр излучения (биологически активного) вызывает в организме большие изменения, чем рентгеновское и гамма-излучение (поэтому оно биологически активное). Даже мягкое УФ излучение приводит к временной потере зрения в горах и на заснеженных равнинах. Наибольшую опасность и влияние озон оказывает на нуклеиновые кислоты ( ДНК, РНК), т.к. они отвечают за наследственность.

Эволюция выработала адаптацию к излучению больше 0,32 мкм. Суть - белок поглощает это излучение, как бы защищая нуклеиновые кислоты, а от излучения ниже 0,32 нет защиты и как последствия - рак кожи, гомолиз-разрушение красных кровяных телец, иммунной системы, поражение сетчатки глаза (катаракты). Уже сейчас установлено, что последнее характерно для полярников, т.е. количество таких заболеваний растет с уменьшением широты.

Озона становится все меньше. Тренд (т.е. тенденция изменения какого-либо параметра во времени) общего количества озона изменяется в сторону уменьшения. Существующие на земном шаре станции измеряют содержание озона спектрометром Добсона. Точность ( ± 0,5%). Установлено, что последние два десятилетия наблюдается уменьшение общего количества озона в стратосфере. На современном этапе мониторинга озона это уменьшение возможно оценить равным 2% ( с 1969 по 1987 гг). Медики считают, что уменьшение озона даже на 1% увеличивает заболеваемость раком кожи на 10-20 %.

ВЛИЯНИЕ НА ОЗОН РАЗЛИЧНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ И ИХ ИСТОЧНИКОВ.

Катализаторы - это вещества, изменяющие скорость реакции, не изменяясь сами. Ими являются металлы и их окислы (Pt, Ag, Cu, Mn, Ni, Co). В 1971 г. почти одновременно появились работы американца Гарольда Джонстона и немца Пауля Крутцена описавших реакции гибели О и О3 в результате действия катализаторов. Следовательно, уменьшение концентрации озона зависит от того, сколь велики будут концентрации катализаторов. Ясно, что количество оксидов азота (NО, NO2, N2O3) возрастает, плюс рост радикалов НО2 НО20 (водородсодержащих соединений) - это и есть разрушители озона антропогенного происхождения. К ним надо добавить атомы хлора и молекулы ClO, причем скорость распада озона на одну молекулу Сl или СlО значительно выше, чем на одну молекулу NО или NО2. Таким образом, есть три врага озона. Но к счастью, эффект действия трех этих циклов не равен сумме эффектов от отдельных циклов. Разрушителем озона является также бром Вr и оксид брома ВrО.

Загрязнение соединениями азота (NОх) будут изложены при рассмотрении проблемы "кислотных дождей". Приступим к рассмотрению источников загрязнения соединением водорода (НОх)

Водород поступает в стратосферу прежде всего в виде воды. Это хорошо понятно для тропосферы, где вода решает большинство вопросов погоды и др. процессов. А вот в случае со стратосферным озоном вода является загрязнителем. Молекулы воды, поступающие в стратосферу, разрушаются под действием солнечного УФ излучения (фотодисоциация) или различных химических реакций и образуют активные ионы гидроксида НО и перекиси водорода Н2О2. Эти процессы и формируют равновесные концентрации паров в стратосфере. Она стабильна и на высоте 15-30 км составляет 3-4*10-6 т.е. 3-4 молекулы воды на миллион молекул воздуха.

Это характерно для тропиков и средних широт. В полярных широтах это соотношение меняется. Вторым веществом, с помощью которого водород попадает в атмосферу, является метан СН4. Он образуется в результате деятельности анаэробных бактерий. Больше всего его поставляют влажные тропические леса, леса умеренных широт, саванны. Американские и немецкие исследователи леса оценивают годовое поступление метана от 800 до 837 мегатонн. Это естественные источники поступления водорода. Антропогенные источники - это отбросы жизнедеятельности людей (экскрименты, мусорные свалки и др.) и животных, рисовые поля, ископаемое топливо, откачка рудничного газа, месторождения нефти и газа. Интенсивность их -215 - 550 мегатонн в год. При этом естественные источники уменьшаются, т.к. ежегодно вырубается до 17 млн.га тропического леса, а антропогенные источники растут. Общий рост метана в тропосфере равен 2 % в год.

Галогены - самые тяжелые для озона. Это уже не семейство, а целый синдикат семейств. Загрязнение галогеноуглеводородами убыстряется. Доминирующая роль принадлежит хлорфторуглеводородам (ХФУ). Они были неизвестны до 30 -х годов нашего века. И появились в связи с поиском оптимальной работы холодильников. Первая холодильная машина была построена в 1834 году с этиловым эффектом, только позже стали использовать метиловый эфир, хлористый этил и многие другие, позже отвергнутые за исключением аммиака, действующего и сейчас.

В 1930 году на американском химическом обществе было сообщено о синтезе нового хладагента - дихлордифторметана. Промышленное производство его пошло в 1932 году, в 1935 году были синтезированы другие галогенпроизводные метана. Сейчас есть 15 типов соединений галогенпроизводных метана, 55-этана, 332 - пропана, более 1000 - бутана и т.д.

ХФУ содержат в различных соотношениях фтор, хлор, бром, углерод, водород. Интернациональная организация по стандартам (ИОС) установила в 1965 году международную систему обозначения ХФУ, состоящую из буквы R (refrigerant) и числа, например, R115 это соединения С2F5Cl, а R124 С2FСl4 и т.д. В холодильниках наиболее широко применяются R11, R12, R22, R113, R114 и R115. Фреон - это хладон R 12. Причем сейчас ХФУ нашли применение не только в холодильной технике, но и в аэрозольных упаковках дезодорантов, лаков для волос, лекарственных препаратов и др. Используются они и в энергетике, в строительстве как теплоизолятор, в автостроении, судостроении, мебельной промышленности, на транспорте, для производства пенополиуретана и т.д. Ряд ХФУ являются универсальными растворителями для промывки аппаратуры, электронных плат и т.д., для опреснения морской воды, для борьбы с пожарами и взрывами (т.е. в огнетушителях). Поставлен вопрос о физиологической и токсической опасности холодильных агрегатов. Для наиболее распространенных ХФУ установлены ПДК. Есть ХФУ практически не токсичные. Сроки жизни - десятки и сотни лет.

От естественных источников (океаны, вулканы) максимальное количество хлора поступает в виде HCL - от 0,3 до 10 мегатонн в год, от океанов - до 200 мегатонн в год.

Рост производства ХФУ в 70 г.г. превысило 1 млн. т в год, а в 1991 - 1,3 млн т год. Основным производителем является США - 40 %, Япония - 10 %, Россия - около 10 %. Украина ХВУ не производит, а потребность 7500 т в год погашается за счет импорта. Американское агентство по защите Окружающей Среды (ЕГА) прогнозирует рост потребления ХФУ в размере 2,5 % в год . Естественно, рост производства вызывает и рост выбросов в атмосферу. Например, с 1950 по 1980 гг. выброс RII вырос более чем в 300 раз. Молекулы ХФУ проходят тропосферу и достигают стратосферы, а здесь, как известно, действует УФ и происходит фотодиссоциация (разрушение) молекул. В результате диссоциации одной молекулы ХФУ образуется две активные хлорсодержащие частицы - атом Сl и молекула ClO. Обе они включаются в каталитический цикл разрушения озона.

Разумеется атмосфера не может оставаться неизменной при таком нашествии галогеноуглеводородов и их концентрация в воздухе неуклонно растет. Например, за 1970-80 гг. концентрация хладона (фреона) RII возросла в стратосфере в 4 раза, хладона R12 - в три раза. И хотя молекул ХФУ пока всего 3-5.10-10 (т.е. 3-5 молекул ХФУ на 10 миллиардов молекул воздуха) они наносят существенный ущерб озоновому экрану планеты.

МЕХАНИЗМ ПРОНИКНОВЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ В СТРАТОСФЕРУ

Известно, что движение воздушных масс в тропосфере осуществляется за счет конвекции только до тропопаузы. Дальнейшее движение возможно только за счет диффузии. А это медленный, но постоянно действующий процесс. Следовательно, проникновение микрогазов в стратосферу хотя и долгий, но действующий процесс.

Второй путь - обходной. Тропопауза не повторяет очертания горизонтальной поверхности Мирового океана. Она над Землей, как двускатная крыша: в центре над экватором мощность тропосферы 18 км, а над полюсами - 7 км. Теплые воздушные массы достигнув тропопаузы - "крыши" вдоль ее ската стремятся к самой высокой точке, расположенной над экватором. А здесь свои самые теплые массы воздуха мощно стремятся вверх, прорывают тропопаузу и проникает в стратосферу. Но там действуют другие законы - температура с высотой не падает, а растет и сильно охлажденные в высокой и холодной экваториальной тропопаузе воздушные массы по скату тропосферной "крыши" устремляются к полюсам. Таким образом, загрязнители средних широт (там их больше всего) в тропосфере движутся к экватору (горизонтальный меридиональный тропосферный перенос), затем следует "прорыв" через высокую тропическую тропопаузу (вертикальный перенос) и, наконец, возврат назад в средние широты и затем дальше к полюсам уже на стратосферных высотах (опять горизонатльный меридиональный, но уже стратосферный перенос).

Третий путь - очень короткий, максимально прямой и быстрый. Только открыт он не всегда, а эпизодически, когда мощные кучевые облака иногда пробивают тропопаузу (вертикальный перенос) и "вклиниваются" на несколько км в стратосферу. В этом случае происходит "всасывание" некоторого количества тропосферного воздуха со всеми малыми примесями в стратосферу. Четвертый путь - это извержения вулканов. Этот процесс мощнее третьего, но происходит реже. Сюда относятся и ядерные взрывы, но сейчас уже не актуальны.

Пятый путь - полеты стратосферной авиации и ракетный выход в космос, т.е. чисто антропогенный.

Ракетные двигатели выбрасывают большое количество отработанных газов, в которых значительная часть оксидов азота и пара воды. Крупные ракеты выбрасывают огромное количество молекул воды. Таким образом, первый путь дает ничтожно малое поступление, т.к. законы атмосферной динамики таковы, что перенос масс воздуха через тропопаузу практически не происходит. III, IV и V короткие пути, но маломощные и носят эпизодический характер, поэтому их действие в сумме на порядок меньше действия второго пути.

Остается II путь - он длинный , но движения в нем ни на секунду не прерывается. Время "перелета" молекулы из тропосферы на широте Европы на ту же широту в стратосфере примерно один - полтора года. Значит этот путь могут одолеть только молекулы, продолжительность жизни которых более года. Исходя из существующей классификации газов, а их 3 группы: устойчивые (N2, О2, Аr), живущие в атмосфере несколько тысяч лет; неустойчивые ( СО2, N2О, СН4, О3, ХФУ), живущие в атмосфере многие годы; и сильно изменяющиеся ( Н2О, NО2, NО, SО2 и др), живущие в атмосфере несколько суток. Становится ясным, что II путь может проделать только молекула СH4, которая "живет" в атмосфере от 1 до 11 лет, молекулы закиси азота N2О с продолжительностью жизни от 7 до 20 лет и молекулы ХФУ с жизнью от 2 до 500 и более лет.

Микрогазы - загрязнители, живущие только сутки при локальных выбросах, способные создать "пятно" загрязнений в несколько сот км и проникнуть в стратосферу только коротким путем. А те молекулы, которые живут годы, даже при локальном выбросе распространяются по всей тропосфере, т.е. имеют глобальный характер загрязнения и проникают в стратосферу всеми путями.

Таким образом, установлено, что уничтожение озона осуществляется метаном, закисью азота и ХФУ. Причем первенство за ХФУ. Какие прогнозы? Специалисты по аэрономии построили математические модели по различным сценариям. Более 10 организаций и научных коллективов в мире занимаются этими моделями. Конечно, результаты разные. Но объединившись, ряд коллективов решили провести расчеты по нескольким одинаковым сценариям для шести моделей.

Оказалось, что для сценария, где выброс ХФУ был законсервирован (т.е. не увеличивался) на уровне 1980 г. все шесть моделей дали сходный результат - общее количество озона будет меньше и хотя уменьшение у всех разное, но оно колеблется в пределах 5,3-9,4 %. Это разброс небольшой.

Для второго сценария разброс больше. Сценарий предусматривал равновесное увеличение хлорсодержащих веществ в 3-5 раз больше, чем сейчас. Уменьшения содержания озона происходило в пределах 2,9-9,1 % и т.д. Таким образом, по всем моделям прогнозируется уменьшение содержание озона. Причем определяющую роль играет хлорный цикл, т.е. рост ClsОх в атмосфере в ближайшее десятилетие будет влиять на темпы уменьшения количества озона, т.е. надо бороться с выбросами долгоживущих фреонов, заменяя их другими со сроком жизни сутки и месяцы. При увеличении выброса фреонов на 3 % в год озон будет уменьшаться на 5-10 %.

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.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВОЙСТВ ОЗОНА

Разумеется , что озон является не только загрязнителем. Его положительную роль трудно переоценить, хотя бы потому, что благодаря озону живое на планете ограждено от ультрафиолетового облучения. Но озон используют в различных процессах жизнедеятельности, например, для улучшения качества воды и в других процессах.

Озон - окислитель и дезинфекатор. При его диспергировании в воду осуществляется оба этих процесса. Кроме того, идет обогащение воды кислородом. Идет прямое и непрямое окисление, озонолиз и катализ.

Прямая реакция: вещество + озон - окисление вещества. Непрямое окисление осуществляется с помощью активных радикалов, образующихся в результате перехода из газовой фазы в жидкость и его саморазложение.

Озонолиз представляет собой процесс фиксации озона на двойной или тройной углеродной связи с последующим ее разрывом и образованием озонидов, которые также как озон являются нестойкими соединениями и быстро разлагаются.

Каталитическое воздействие озонирования заключается в усилении озоном окисляющей способности кислорода, который присутствует в озонированном воздухе.

Преимущества озонированной воды заключаются в том, что озон быстрее вступает в реакции и в меньшей зоне. В отличие от хлора, который пассивен по отношению к некоторым типам бактерий, озону отводится роль универсального окислителя, осуществляющего быструю инактивацию. При очистке сточных вод озон вводится на последнем этапе ("постзонизование"). Но есть состояния, при которых происходит активизация некоторых бактерий. Поэтому существуют определенные теории. Сейчас воду озонируют на всех этапах, а не только на последнем, в том числе на начальном, так называемом "преозонирование".

Озонирование снижает в 2-3 раза мутность, обесцвечивает, устраняет привкусы и запахи, удаляет железо, марганец, фенол, сероводород, удаляет микроорганизмы, обеззараживает воду.

Широко используются обезвреживание воды в плавательных бассейнах. При пользовании бассейном одним человеком вносится 3г. органических загрязнений, из которых 35-40 % приходится на долю органического углерода. Причем на поверхности воды загрязнение в 2-3 раза выше, чем на глубине 50 см.

Степень дезинфекции озоном зависит от эффективности удаления загрязнений в период физико-химической или биологической очистки. Озон инактавирует бактерии и вирусы в течение 4 мин. при остаточной его дозе в воде 0,04 мг/л (отметим, что обеззараживание хлором требуется доза 0,5 мг/л и продолжительность 30 мин.).

Где брать озон? Для его получения используют генераторы двух типов - пластинчатые и трубчатые. При синтезе озона через генераторы пропускают кислород или воздух в зависимости от возможности поставки кислорода на объект.

При работе с озоном требуются меры защиты (озон более сильный яд, нежели синильная кислота). На Украине санитарная норма содержания озона в атмосфере рабочих помещений составляет 0,1 мг/м3 (американские нормы 0,2 мг/м3). Речь идет об остаточном озоне, образующемся в цикле обработки вод. Деструкция этого озона может осуществляться с помощью адсорбции (пропуск через фильтрующие адсорбционные колонны (уголь).

Катализ, быстрое разложение газа на кислород и атомарный кислород при температуре 60-120 град; пиролиз, основанный на свойствах озона эффективно разлагаться при повышенной температуре.

Озоновые "дыры", "максидыра" над Антарктидой и "минидыры" над Европой.

В 1985 году английский ученый Джозеф К.Фарман сообщил о весеннем уменьшении стратосферного озона на 40% по сравнению с предыдущими годами. Это назвали "дырой". Позже это подтвердили другие исследователи - с 80-х годов область пониженного содержания озона наблюдается над южным полюсом каждой весной по площади, превышающую площадь Антарктиды. Так, в 1992 году площадь дыры с содержанием 200 еД. достигла 23 млн. км2 т.е. в 1,65 раза больше площади Антарктиды. Но были и более низкие значения, например, в 1992 году было 105 еД., что существенно меньше нормы.

Почему возникают "дыры"? Почему весной? Почему над Антарктидой? Поэтому поводу существует ряд гипотез: антропогенная, метеорологическая, фотохимическая и другие. У каждой свои сильные и слабые стороны. Одной гипотезой не объяснить. Это суммарное действие всех факторов.

АНТРОПОГЕННАЯ. Возникновение дыр обусловлено ростом промышленного производства и тем, что все загрязнители долгожители.

МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКАЯ. На протяжении всей антарктической зимы по периметру полярной области в нижней стратосфере движется устойчивый циклон. Воздух здесь движется по замкнутым траекториям вокруг южного полюса. По этой причине зимой практически не происходит обмена воздухом между полярной и среднеширотной стратосферой. Воздух сильно охлаждается (-78град.С и даже -83град.С). При этой температуре образуются так называемые полярные стратосферные облака. Влажность их составляет 1 %, что в 1000 раз меньше, чем в тропосфере. Облака бывают 3 видов: облака из тригидрата азотной кислоты; облака водно-ледовые, образующиеся при быстром охлаждении; водно-ледовые, образующиеся при медленном охлаждении.

Первые представляют собой тонкие темно-оранжевые слои, вторые - это перламутровые; третьи - толщина 1 км и более, а планово-несколько тысяч км. Они удаляют из стратосферы азот.

ФОТОХИМИЧЕСКАЯ. Полярные стратосферные облака помогают хлору разрушать озон. Они денитрируют и дегидрируют стратосферу посредством осадков. С наступлением весны и появлением солнца полярные стратосферные облака исчезают из-за роста температуры, а УФ начинает разрушать молекулярный хлор.

Термин "мини-дыры" ввели журналисты в противовес макси-дырам. Размер их от нескольких км до нескольких тыс.км, что меньше макси, которые захватывает 20 млн. км2. Они же есть над Канадой, США, Сибирью, Китаем, странами Америки, Африки, Австралии и Новой Зеландии.

Специалисты выделяют 3 основные причины образования "мини-дыр": чрезмерные выбросы поллютантов в густонаселенных и хозяйственно развитых регионах Северного полушария; вынос обеднённых озоном стратосферных воздушных масс за пределы "макси-дыры" при весенне-летнем разрушении циркуполярных вихрей над Южным полюсом. полеты транспортной авиации и ракет в стратосфере.

Как их обнаруживают? Общее количество озона и его концентрация изучаются с 30-х годов ХХ в. Но станций наблюдений было немного. Исследования Д.К.Фармана осуществили в исследовании толчок. Сейчас 120 наземных станций, а также ракеты, самолеты, аэростаты, шары, зонды. Хорошо обеспечена наблюдениями Европа (особенно Западная), меньше наблюдений над материками средних широт, еще хуже над океанами и в Южном полушарии. Дыры эти меньше, но они более опасны для человечества, т.к. расположены над густонаселенными районами. В 1992 г. одна мини-дыра была над северной Европой, другая - над Испанией и Португалией. Уровень-200-300 е.Д. при норме 400-500 е.Д. В дырах наблюдалась высокая концентрация окиси хлора, а значит происходило интенсивное разрушение озона. Механизм их образования над Европой тем не менее пока не выяснен. Нижняя стратосфера здесь не настолько холодная, чтобы могли образовываться облака из тринитрата, тем более ледяные. Что касается стран Австралии,Н.Зеландии, Южной Америки и Южной Африки, то здесь дыры образуются в основном за счет разрушения антарктической "макси-дыры". Ну, и конечно, полеты космических кораблей. В столбе струи реактивных газов диаметром 2-4 км полностью ликвидируется озон и глубокая мини-дыра существует от нескольких минут до 1-2 часов.

МЕРЫ, НАПРАВЛЕННЫЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА В ТРОПОСФЕРЕ И СТРАТОСФЕРЕ

Наиболее существенной мерой является уменьшение выбросов оксидов углеродов, серы, азота, ЛОС И ХФУ, путем энергосбережения, альтернативных источников, совершенствования двигателей автотранспорта и т.д. Важным является вторичное использование ресурсов, о чем шла речь выше. Грузовой автомобиль выбрасывает в год 3 тонны вредных веществ. Выбросы карбюраторных и дизельных двигаталей практически одинаковы и преимуществ нет. Поэтому мир совершенствуют и тот, и другой. Нейтрализаторы на двигателях, новые виды топлива - спирты, диэстер и водород. Спирт производят из сахарного тростника, а в Европе из рапса. Это чемпион среди масличных культур. Из 1га рапса - одна тонна дизельного топлива, названного диэстером. (ди-дизель; эстер - химический термин, сложный эфир). Водород - топливо из воды, очень энергоемкое: к электродам, помещенным в воде, подводят ток, в результате расщепляют молекулы воды на атомы водорода и кислорода.

ЭЛЕКТРОМОБИЛИ: У нас производят в Днепропетровске. Кроме того Южмаш готовит комплексы "Мастер-А" и "Б" для уборки мусора, снега, полива, стрижки травы и т.д. Електропогрузчики - 1 тонна груза поднимется на высоту 4,5 м.

Нужны альтернативные озоносберегающие холодильные агрегаты, пожаротушители, растворители.

Стоит вопрос об активных способах восстановления запасов озона.

В настоящее время предлагается два пути:

1. Удаление из стратосферы тех ХФУ, которые в ней накопились за прошлые годы; 2. Наработка новых объемов озона, чтобы восполнить истощенный экран Земли. Это реальные пути. Разработаны способы осуществления. Это способ санации стратосферы (дословно от латинск.- лечение, оздоровление).Молекулы ХФУ хими- чески инертны, попав в атмосферу, они долго живут, переносятся на многие десятки тыс.км. Их надо убирать. Один из способов - использование лазерного луча, который возбуждает молекулы ХФУ и разрушает их,образуя инертные по отношению к озону вещества. Достоинство- простая технология и высокий уровень лазерной техники. Недостатки - неэффективное использование энергии на создание луча. Кроме того, нужен спутник, т.к. наземный пучок действует только на 5- км толщину атмосферы.

Другой способ - вымораживание, при котором меняется агрегатное состояние при температурах отличных от температур замораживания азота и кислорода. Нужны камеры. А где их располагать? Следующий способ - нагрев электронов ионосферной плазмы с помощью радиоволн. Нагрев приводит к образованию отрицательно заряженных ионов хлора, которые неспособны участвовать в ценной реакции распада озона.

Искусственное продуцирование озона. Это лазерное облучение. Другой способ - улавливание дополнительных солнечных лучей, т.е. лучи, пронизывающие верхние слои, бесполезны для озонового экрана. Надо расположить "зеркала" за пределами стратосферы, перехватывающие лучи и направляющие в нужный слой стратосферы. В результате и получают дополнительные объемы озона. Это технически сложно. Следующий - способ облучения стратосферы ФАР (фазированная антенная решетка). Оно создает разряд на высоте 15-30 км. В результате действия электронов на молекулы кислорода генерируется озон.

На одной из международных конференций прозвучало, что уменьшение общего содержания озона на 10 % эквивалентно смещению на 30 град. широты к экватору за счет усиления УФ облучения. Главной опасностью является ХФУ. Проблема озона стала политической международной проблемой. В ближайшие десятилетия производство хлорбромных катализаторов будет увеличиваться. Максимум ожидается вначале ХХI, а значит будет продолжаться истощение озона.