СТРАТОСФЕРА Озоновый слой

Основная экологическая проблема связана с уменьшением количества озона в стратосфере. Озон был открыт в 1840 г. швейцарским химиком С. Шенбайном, который отметил образование газа с острым запахом при электрических разрядах и назвал его озоном.

В 1920 г. англичанин Г. Добсон доказал существование в стратосфере слоя озона. В нем сосредоточено около 90% всего газа.

Озон — это одна из форм существования кислорода в атмосфере. В приземном слое кислород существует практически только в форме молекул. В очень незначительном количестве идет диссоциация (разрушение) молекул 02 до атомов, но быстро наступает реакция обратного соединения атомов в молекулу, поэтому концентрация атомов кислорода в тропосфере очень мала.

В 1930 г. английский физик С. Шепман детализировал фотохимическую теорию образования озона. В его формировании ведущая роль принадлежит УФИ.

В стратосфере под действием космического и жесткого УФИ Солнца (в основном УФС) молекулы кислорода (02) диссоциируют на 2 атома кислорода:

2. + Ау —gt; О + О.

Атомарный кислород участвует в образовании стратосферного озона (03):

02 + О —gt; 03.

С высотой увеличивается мощность УФИ, поэтому растет и количество озона.

Интенсивность солнечного света достаточна для продукции примерно 350 ООО т озона в день.

На высоте около 40 км имеет место обратный процесс, и под действием солнечного УФИ (особенно УФВ) молекулы озона быстро разрушаются:

3. + Ну —gt; 03 + О;

О + 03 —gt; 02 + 02.

Таким образом, в слое атмосферы толщиной 10—40 км устанавливается динамическое равновесие концентрации озона.

Концентрация озона, мг/м3

  Рис. 8.2. Схема распределение озона в слоях атмосферы

Поглощение ультрафиолетовой радиации в верхней части стратосферы ведет к повышению температуры в этой области (разность температур составляет около 60 °С).

Максимальная концентрация озона в стратосфере чрезвычайно мала и составляет всего 10 ppm. Если бы удалось собрать все молекулы озона из атмосферного воздуха в один слой, то толщина его составила бы всего 2—5 мм. Несмотря на это, в силу приведенных выше химических реакций слой озона способен ослабить УФИ в 1040 раз. Более того, из-за протекания упомянутых реакций УФС и частично УФВ поглощаются озоновым слоем. Начиная с длины волны 280 нм, солнечное излучение, особенно УФА, уже доходит до поверхности Земли.

Озоновый слой — верхняя граница биосферы. Отсюда весьма важным представляется необходимость поддержания концентрации озона на постоянном уровне.

Измерения, проведенные в 60-х гг. прошлого столетия, показали, что концентрация озона с атмосфере значительно ниже, чем следует из теории С. Шепмана. Это указывает на то, что имеют место реакции, которые способны снижать концентрацию озона.

Существуют группы соединений, способных влиять на концентрацию озона в стратосфере. Сюда относятся соединения хлора, фтора и др.

2. Соединения, разрушающие озоновый слой

Фреоны.

Таблица 8.2

Химические свойства некоторых хлорфторуглеводородов

Помимо холодильной техники, фреоны широко применяются при производстве аэрозолей (пропелленты), вспенивающих веществ при производстве пенополиуретанов, в электронной промышленности для очистки деталей электронного оборудования. Сюда относятся трифторметан — R11, дихлордифторметан - R12, хлордифторметан — R22, дихлорфторэтан — R141b, пентафторэтан — R125, тетрафтор- этан — R134a.

Фреон-12 долгое время был основным хладоагентом в домашних холодильниках, а фреон-22 — в домашних кондици-

онерах. Фреон-11 используется в производстве пластмасс. Наибольшей способностью воздействовать на озон стратосферы обладают фреон-11 и фреон-12, наименьшей — фре- он-125 и фреон-134а.

Таблица 8.3

Озоноразрушающий потенциал некоторых соединений

В настоящее время мировое производство фреонов превышает 1 млн т в год (рис. 8.3). Подсчитано, что около 85% фреона-11 и фреона-12, произведенных к настоящему времени, уже попало в атмосферу. В последние 15 лет ежегодный общемировой выброс в атмосферу фреона-12 находился в диапазоне 350—500 тыс. т, фреона-11 — 250— 400 тыс. т.

Фреоны — долгоживущие молекулы (в атмосфере могут находиться до нескольких сотен лет), не растворимы в воде,

Рис. 8.4. Схема разрушения озона под влиянием фреонов

летучи. В области экватора из-за наличия мощных восходящих потоков воздуха фреоны могут попадать в стратосферу. Там под действием УФИ от фреонов отделяется атомарный хлор, который, взаимодействуя с озоном, образует молекулярный кислород и активный СЮ. Взаимодействие последнего с атомарным кислородом приводит к образованию кислорода и вновь атома хлора, который продолжает процесс разрушения озона (рис. 8.4).

Четыреххлористый углерод (СС14).

Расчеты показывают, что один атом хлора способен разрушить до 10 тыс. молекул озона. Это приводит к образованию так называемых озоновых дыр (рис. 8.5).

Соединения брома. Некоторые из этих компонентов производятся в промышленных масштабах. Сюда относятся так

  Рис. 8.5. Изображение озоновой дыры над Южным полюсом, полученное в результате сканирования стратосферы с американского искусственного спутника Земли

Соединения азота (NOx). Эти компоненты образуются при распаде химически стабильного N20 при посредстве почвенных микроорганизмов. N0 и N02 имеют дополнительные электроны, следовательно, являются свободными радикалами и весьма активны. Хотя их концентрация невелика, за время своего существования они способны разрушить тысячи молекул озона.

Помимо этого, источниками оксидов азота в стратосфере являются реактивные самолеты, пуски ракет, а также использование азотных удобрений в сельском хозяйстве и сжигание ископаемого топлива.

Соединения водорода. К этой группе соединений можно отнести гидроксиды ОН-. Их источниками являются реактивные самолеты, выбрасывающие при сжигании топлива пары воды, а также пары воды, попавшие из тропосферы.

Соединения серы. Одним из мощных источников серы в стратосфере является вулканическая деятельность.

3. Состояние озонового слоя и последствия его разрушения

Согласно заключению Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА) разрушение стратосферного озона зависит от трех главных факторов:

• общей суммы атомов хлора и брома в стратосфере;
• длины холодного периода, когда температура в стратосфере опускается ниже —78 °С (этот период составляет приблизительно 4 мес.), способствуя формированию так называемых замороженных облаков;
• наличия сильных полярных вихрей.

Именно кристаллы льда облегчают освобождение хлора и брома, которые играют роль катализаторов при разрушении озона.

Озоновые дыры — явление, в основном, антарктическое. Они увеличиваются весной и имеют антропогенное происхождение. Согласно данным Всемирной метеорологической организации ООН в ближайшем будущем будет происходить расширение озоновой дыры над Антарктидой. Данные, полученные из четырех станций наблюдения, расположенных на этом континенте, свидетельствуют о том, что толщина озонового слоя составляет 20—35% от толщины слоя, обнаруженного в 1964—1976 гг., т.е. до открытия явления уменьшения концентрации озона. Самых больших размеров озоновая дыра достигла в 1998 г., когда ее площадь составляла 12 млн км2.

В северном полушарии несколько иные условия. В среднем зима продолжается 68 дней, а этого недостаточно для переохлаждения воздуха. Максимальный период существования «замороженных облаков» в северном полушарии за все время наблюдения составлял 79 дней (зима 1988— 1989 гг.). Тем не менее в холодные годы «замороженные облака» могут существовать значительно более длинный промежуток времени. Следовательно, угроза северной озоновой дыры будет по-прежнему оставаться актуальной.

Разрушение защитного экрана повлечет за собой увеличение доли УФИ, особенно УФВ, достигающего поверхности Земли. Расчеты показывают, что уменьшение общего содержания озона на 1% приводит к увеличению интенсивности УФИ на 1,4—2,5%. В настоящее время имеется общая тенденция к уменьшению концентрации этого газа в стратосфере (рис. 8.6).

Это может вызывать:

• рост заболеваемости раком кожи. Установлено, что снижение концентрации озона на 1% будет вести к увеличению числа злокачественных заболеваний кожи на 4%, и это явление зависит от географической широты (рис. 8.7, 8.8);
• увеличение числа катаракт;
• снижение устойчивости к инфекционным заболеваниям;
• для акваэкосистем — гибель морского фитопланктона — основы пищевой цепочки для всех антарктических животных.

Дело в том, что океаническая пищевая цепочка начинается с так называемого микрослоя — водного слоя толщиной всего 50 мк. Это весьма тонкий слой, в 8 раз меньше точки, поставленной в конце данного предложения. Тем не менее в нем концентрируется планктон, который является

Годы

  Рис. 8.6. Динамика изменения концентрации озона в стратосфере

  Рис. 8.7. Зависимость частоты новообразований кожи от географической широты

В связи с описанным знание методов снижения риска возникновения злокачественных новообразований кожи от действия УФИ является весьма актуальным. Необходимо придерживаться ряда важных принципов.

* 18 S

і 16

14

Рис. 8.8. Заболеваемость меланомой в США

1. Ограничивать время нахождения на солнце, особенно между 10 и 16 ч. Чем короче тень, тем разрушительнее действие солнечных лучей. Это пиковые часы и для ультрафиолетовой активности.
2. Помнить об отражающей способности УФИ. Солнечный свет сильно отражается от песка, снега, льда и бетона, что может увеличивать повреждающее действие УФИ на 10-50%.
3. Защищать орган зрения. Следует носить только стеклянные солнцезащитные очки, которые отфильтровывают до 100% ультрафиолетового излучения.
4. Учитывать, что загар, полученный в соляриях, не имеет защитного эффекта от естественного солнечного УФИ.
5. Использовать солнцезащитные кремы. Эти средства характеризуются определенным значением солнечного защитного фактора (Sun Protection Factor — SPF), которое представляет собой отношение МЭД для защищенной и не защищенной косметическим средством кожи. На этот фактор необходимо умножать время безопасного загара. Кремы следует наносить за 15—30 мин перед принятием солнечных ванн и повторять нанесение каждые 2 ч или после купания. Солнцезащитный крем с SPF-15 отфильтровывает приблизительно 94% УФВ, крем с SPF-30 — 97%. Защитная активность касается, в основном, УФВ. Эффект против УФА в химических солнцезащитных кремах мал и составляет лишь 10% от поглощения в более коротковолновой области.

Имеется два типа солнцезащитных кремов: с химическим и физическим эффектами. К первым из них относятся изделия, которые содержат от 2 до 5% бензофенона или его производных (оксибензон, бензофенон-3). Бензофе- нон — один из наиболее мощных генераторов свободных радикалов. Используется в химической промышленности для инициации химических процессов. Поглощая УФИ, это соединение распадается на две части, что и приводит к поглощению энергии квантов. Нежелательным эффектом является то, что образующиеся два свободнорадикальных фрагмента могут запускать цепочку окислительных реакций в коже, что может вести к повреждению ее клеток.

Солнцезащитные кремы с физическим эффектом содержат инертные соединения типа диоксида титана, окиси цинка или талька. Их присутствие ведет к отражению ультрафиолетовых (УФА и УФВ) лучей.

Тем не менее не следует полагаться лишь на один протекторный эффект солнцезащитных кремов для предупреждения рака кожи. Гораздо более эффективен умеренный, правильно полученный естественный загар.

6. Необходимо обеспечить поступление в организм достаточного количества витаминов и Р-каротина. Недавнее исследование показало, что прием 30 мг Р-каротина в день предупреждает подавление иммунной системы человека от УФА. Рекомендуются ежедневные дозировки витамина С до 1 г, 800 IU витамина Е и 200 мкг селена.
7. Пациенты с повышенным фактором риска развития онкологических заболеваний кожи должны ежегодно обследоваться дерматологом. Появления новых родимых пятен, потеря ими четких границ, изменяющаяся пигментация, зуд и кровоточивость — сигнал для немедленного обращения к онкологу.

Различные страны принимают меры для решения этой глобальной экологической проблемы.

Так, например, Конференция полномочных представителей по охране озонового слоя в 1985 г. приняла «Венскую конвенцию по охране озонового слоя», которую подписало большинство стран мира (рис. 8.9).

В сентябре 1987 г. был принят «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой». Согласно ему к 2000 г. индустриально развитые страны должны прекратить производство и использование озоноактивных соединений. Помимо этого, им нужно оказать помощь развивающимся странам в постепенном отходе от технологий, использующих хлорфторуглеводороды.

Примером этого является отказ от фреонов и переход на использование гидрохлорфторуглеводородов (HCFC). Эти соединения очень похожи на фреоны, но содержат атомы водорода и, следовательно, менее устойчивы в атмосфере. Подавляющая часть HCFC реагирует в нижних слоях атмосферы с радикалом гидроксида, образуя воду и органические радикалы, которые фотоокисляются до водорастворимых продуктов и выводятся из тропосферы с осадками.

Исключают фреоны и из технологических процессов в электронной промышленности. Так, для очистки электрон-

Годы

• — тетрахлористый углерод М —фреоны ^ —метилхлороформ •

  Рис. 8.10. Тенденции в мировом производстве химических соединений, разрушающих озоновый слой планеты

В целом, в мире наблюдается устойчивая тенденция к понижению производства озоноактивных веществ (рис. 8.10).