Озоновые дыры. 5
Введение
Современная кислородная атмосфера Земли – уникальное явление среди планетСолнечной системы, и эта её особенность связана с наличием на нашей планетежизни.
Проблема экологии для людей сейчас, несомненно, самая главная. На реальностьэкологической катастрофы указывает разрушение озонного слоя Земли. Озон — трехатомная форма кислорода, образуется в верхних слоях атмосферы под действиемжесткого (коротковолнового) ультрафиолетового излучения Солнца.
Сегодня озон беспокоит всех, даже тех, кто раньше не подозревал осуществовании озонного слоя в атмосфере, а считал только, что запах озонаявляется признаком свежего воздуха. (Недаром озон в переводе с греческогоозначает ''запах''.) Этот интерес понятен – речь идёт о будущем всей биосферыЗемли, в том числе и самого человека. В настоящее время назрела необходимостьпринять определённые обязательные для всех решения, которые позволили бысохранить озонный слой. Но чтобы эти решения были правильны, нужна полнаяинформация о тех факторах, которые изменяют количество озона в атмосфере Земли,а также о свойствах озона, о том, как именно он реагирует на эти факторы.
1. Озоновые дыры и причины ихвозникновения
Озоновый слой — это широкий атмосферный пояс, простирающийся на высоте от10 до 50 км над поверхностью Земли. Химически озон — это молекула, состоящая изтрех атомов кислорода (молекула кислорода содержит два атома). Концентрацияозона в атмосфере очень мала, и небольшие изменения количества озона приводят ксерьезным изменениям интенсивности ультрафиолета, достигающего земнойповерхности. В отличии от обычного кислорода озон неустойчив, он легкопереходит в двухатомную, устойчивую форму кислорода. Озон – гораздо болеесильный окислитель, чем кислород, и это делает его способным убивать бактерии,подавлять рост и развитие растений. Впрочем, из-за его низкой в обычныхусловиях концентрации в приземных слоях воздуха эти его особенности практическине влияют на состояние живых систем.
Гораздо важнее его другое свойство, делающее этот газ совершеннонеобходимым для всей жизни на суше. Это свойство – способность озона поглощатьжесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. Квантыжесткого УФ обладают энергией, достаточной для разрыва некоторых химическихсвязей, поэтому его относят к ионизирующим излучениям. Как и другие излученияэтого рода, рентгеновское и гамма-излучение, оно вызывает многочисленныенарушения в клетках живых организмов. Озон образуется под воздействиемвысокоэнергетичной солнечной радиации, стимулирующей реакцию между О2и свободными атомами кислорода. Под воздействием умеренной радиации онраспадается, абсорбируя энергию этой радиации. Таким образом, этот цикличныйпроцесс «съедает» опасный ультрафиолет.
Молекулы озона, как и кислорода, электрически нейтральные, т.е. не несутэлектрического заряда. Поэтому само по себе магнитное поле Земли не влияет нараспределение озона в атмосфере. Верхний слой атмосферы – ионосфера,практически совпадает с озоновым слоем.
В полярных зонах, где силовые линии магнитного поля Земли замыкаются наее поверхности, искажения ионосферы весьма значительны. Количество ионов, в томчисле и ионизированного кислорода, в верхних слоях атмосферы полярных зонснижено. Но главная причина малого содержания озона в области полюсов – малаяинтенсивность солнечного облучения, падающего даже во время полярного дня подмалыми углами к горизонту, а во время полярной ночи отсутствуют вовсе. Площадьполярных «дыр» в озоновом слое – надежный показатель изменений общегосодержания озона в атмосфере.
Содержание озона в атмосфере колеблется вследствие многих естественныхпричин. Периодические колебания связаны с циклами солнечной активности; многиекомпоненты вулканических газов способны разрушать озон, поэтому повышениевулканической активности ведет к снижению его концентрации. Благодаря высоким,сверураганным скоростям воздушных потоков в стратосфере разрушающие озонвещества разносятся на большие площади. Переносятся не только разрушителиозона, но и он сам, поэтому нарушения концентрации озона быстро разносятся набольшие площади, а локальные небольшие «дыры» в озоновом щите, вызванные,например, запуском ракеты, сравнительно быстро затягиваются. Только в полярныхобластях воздух малоподвижен, вследствие чего исчезновение там озона некомпенсируется его заносом из других широт, и полярные «озонные дыры», особеннона Южном полюсе, весьма устойчивы.
1.1 Источники разрушения
Среди разрушители озонного слоя можно выделить:
1) Фреоны.
Озон разрушается под воздействием соединений хлора, известных как фреоны,которые, также разрушаясь под воздействием солнечной радиации, освобождаютхлор, «отрывающий» от молекул озона «третий» атом. Хлор в соединения необразовывает, но служит катализатором «разрыва». Таким образом, один атом хлораспособен «погубить» много озона. Считается, что соединения хлора способныоставаться в атмосфере от 50 до 1500 лет (в зависимости от состава вещества)Земли. Наблюдения за озоновым слоем планеты проводились антарктическимиэкспедициями с середины 50-х.
Озоновая дыра над Антарктидой, увеличивающаяся по весне и уменьшающаяся косени, была обнаружена в 1985 году. Открытие метеорологов вызвало цепьпоследствий экономического характера. Дело в том, что в существовании «дыры»была обвинена химическая промышленность, производящая вещества, содержащиефреоны, способствующие разрушению озона (от дезодорантов до холодильныхустановок).
В вопросе о том насколько человек повинен в образовании «озоновых дыр» — единого мнения нет.
С одной стороны – да, безусловно повинен. Производство соединений,приводящих к разрушению озона, следует свести к минимуму, а лучше и вообщепрекратить. То есть отказаться от целого сектора промышленности, с оборотом вмногие миллиарды долларов. А если не отказаться — то перевести ее на «безопасные»рельсы, что тоже стоит денег.
Точка зрения скептиков: человеческое влияние на атмосферные процессы, привсей его разрушительности в локальном плане, в планетарном масштабе — ничтожно.Антифреоновая кампания «зеленых» имеет вполне прозрачную экономическую иполитическую подоплеку: с ее помощью крупные американские корпорации (Дюпон,например), душат своих зарубежных конкурентов, навязывая соглашения по«охране окружающей среды» на государственном уровне и насильно вводяновый технологический виток, который более слабые в экономическом отношениигосударства выдержать не в состоянии.
2) Высотные самолёты.
Разрушению озонного слоя способствуют не только фреоны, выделяющиеся ватмосферу и попадающие в стратосферу. К разрушению озонного слоя причастны иокислы азота, которые образуются при ядерных взрывах. Но окислы азотаобразуются и в камерах сгорания турбореактивных двигателей высотных самолётов.Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скоростьобразования окислов азота тем больше, чем выше температура, т. е. чем большемощность двигателя.
Важна не только мощность двигателя самолёта, но и высота, на которой онлетает и выпускает разрушающие озон окислы азота. Чем выше образуется окись илизакись азота, тем он губительнее для озона.
Общее количество окиси азота, которое выбрасывается в атмосферу в год,оценивается в 1 млрд. т. Примерно треть этого количества выбрасываетсясамолётами выше среднего уровня тропопаузы (11 км). Что касается самолётов, тонаиболее вредными являются выбросы военных самолётов, количество которыхисчисляется десятками тысяч. Они летают преимущественно на высотах озонногослоя.
3) Минеральные удобрения.
Озон в стратосфере может уменьшаться и за счет того, что в стратосферупопадает закись азота N2O, которая образуется при денитрификациисвязанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанногоазота производят и микроорганизмы в верхнем слое океанов и морей. Процессденитрификации напрямую связан с количеством связанного азота в почве. Такимобразом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почвуминеральных удобрений будет в такой же мере увеличиваться и количествообразованной закиси азота N2O. Далее, из закиси азота образуютсяокислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.
4) Ядерные взрывы.
При ядерных взрывах выделяется очень много энергии в виде тепла.Температура, равная 60000К устанавливается уже через несколькосекунд после ядерного взрыва. Это энергия огненного шара. В сильно нагретойатмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие принормальных или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона,его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этихпреобразованиях окислы азота. Так, за период с 1952 по 1971 г. в результатеядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 млн т. окислов азота.Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадаютна разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химическиереакции с участием озона, приводя к его разрушению.
5) Сжигание топлива.
Закись азота обнаруживается и в дымовых газах электростанций. Собственно,о том, что окись и двуокись азота присутствуют в продуктах сгорания, былоизвестно давно. Но эти высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно,загрязняют атмосферу, способствуют образованию в ней смога, но довольно быстроудаляются из тропосферы. Закись же азота, как уже говорилось, опасна для озона.При низких температурах она образуется в таких реакциях:
N2 + O + M = N2O + M,
2NH3 + 2O2 =N2O = 3H2.
Масштаб этого явления очень значителен. Таким путём в атмосфере ежегоднообразуется примерно 3 млн т. закиси азота! Эта цифра говорит о том, что этотисточник разрушения озона существенный.
1.2 Озоновая дыра над Антарктикой
О значительном уменьшении общего содержания озона над Антарктикой впервыебыло сообщено в 1985 г. Британской антарктической службой на основании анализаданных озонометрической станции Хэлли-Бей (76 гр. ю. ш.). Уменьшение озонанаблюдалось этой службой и на Аргентинских островах (65 гр. ю. ш.).
С 28 августа по 29 сентября 1987 г. было выполнено 13 полётовсамолёта-лаборатории над Антарктикой. Эксперимент позволил зарегистрироватьзарождение озонной дыры. Были получены её размеры. Исследования показали, чтонаибольшее уменьшение количества озона имело место на высотах 14 — 19 км. Здесьже приборы зарегистрировали наибольшее количество аэрозолей (аэрозольные слои).Оказалось, что, чем больше имеется аэрозолей на данной высоте, тем меньше тамозона. Самолёт — лаборатория зарегистрировал уменьшение озона, равное 50%. Ниже14 км. изменений озона было несущественным.
Уже к началу октября 1985 г. озонная дыра (минимум количества озона)охватывает уровни с давлением от 100 до 25 гПа, а в декабре диапазон высот, накоторых она наблюдается, расширяется.
Во многих экспериментах измерялось не только количество озона и другихмалых составляющих атмосферы, но и температуры. Была установлена самая теснаясвязь между количеством озона в стратосфере и температурой воздуха там же.Оказалось, что характер изменения количества озона тесно связан с тепловымрежимом стратосферы над Антарктидой.
Образование и развитие озонной дыры в Антарктиде наблюдали английскиеучёные и в 1987 г. Весной общее содержание озона уменьшилось на 25%.
Американские исследователи проводили измерения в Антарктике зимой иранней весной 1987 г. озона и других малых составляющих атмосферы (HCl,HF, NO, NO2, HNO3, ClONO2, N2O, CH4)c помощью специального спектрометра. Данные этих измерений позволили очертитьобласть вокруг Южного полюса, в которой количество озона уменьшено. Оказалось,что эта область совпадает практически в точности с крайним полярнымстратосферным вихрем. При переходе через край вихря резко менялось количествоне только озона, но и других малых составляющих, оказывающих влияние наразрушение озона. В пределах озонной дыры (или, другими словами, полярногостратосферного вихря) концентрация HCl, NO2 и азотнойкислоты была значительно меньше, чем за пределами вихря. Это имеет местопотому, что хлорины в продолжении холодной полярной ночи разрушают озон всоответствующих реакциях, выступая в них как катализаторы. Именно вкаталитическом цикле с участием хлора происходит основное уменьшениеконцентрации озона (по крайней мере 80% этого уменьшения).
Эти реакции протекают на поверхности частиц, составляющих полярныестратосферные облака. Значит, чем больше площадь этой поверхности, т. е. чембольше частиц стратосферных облаков, а значит, и самих облаков, тем быстрее вконце концов распадается озон, а значит, тем эффективнее образуется озоннаядыра.
2. Основные мероприятия по
Поскольку наиболее активный разрушитель озонового щита Земли – хлор,основные меры, разрабатываемые для сдерживания истощения озона, сводятся кснижению выбросов в атмосферу хлора и хлорсодержащих соединений, прежде всегофреонов. Одна из главных технологических задач, решения которой ищут во всехпромышленно развитых странах, — замена фреонов на другие хладагенты, несодержащие хлора и вместе с тем не уступающие фреонам по основным физическимсвойствам и химической инертности.
Другая задача, уже практически решенная в ракетоносителе «Энергия»,заключается в переводе ракетной техники и высотной реактивной авиации наэкологически безопасные виды топлива и двигатели.
Снижение выбросов оксидов азота наземными промышленными, энергетическимии транспортными системами имеет значение не только для снижения кислотностиосадков и решения проблемы «кислых дождей». Окислы азота не полностьювымываются осадками, часть их достигает высот, на которых существует озоновыйслой, и вносит свою лепту в его истощение.
Хотя окислы азота, по сравнению с хлором, в 10 тысяч раз менее активныкак разрушители озона, их выброс в атмосферу многократно превышает выброс хлора.Это повышает важность разработки двигателей, энергетических установок, котлов,новых видов топлива и способов его сжигания, которые сводили бы к минимумуобразование и выброс в атмосферу окислов азота.
Первая международная конвенция по мерам предохранения озонового слоя былазаключена в Вене в 1985 году. Через несколько месяцев после нее была обнаружена«озоновая дыра» в Южном полушарии. После этого в Монреале былподписан протокол, обязывающий страны-участницы избавляться от своих вредныхфреонов. В 1990, 1992 и 1997 гг. список разрушительных веществ пополнялся. Вслучае его соблюдения всеми странами (а Китай, например, и Индия конвенцию неподписали, рассудив, что она им «не по карману») прогнозисты обещаливосстановление озонового слоя к 2150 году. Главными производителями вредных дляозона соединений (90% от общемирового объема) называются развивающиеся страны(которые, по сути, являются потребителями устаревшей продукции«цивилизованных» стран) и страны бывшего СССР.
В то же время заявлено, что выброс фреонов в атмосферу, в 1986 году,достигавший 1.1 миллиона тонн, к 1996 г. снизился до 160 тысяч тонн. БезМонреальской конвенции к 2010 году мы имели бы 8 миллионов тонн годовыхвыбросов.
3. Правило оптимальной компонентной дополнительности
Правило оптимальной компонентной дополнительности гласит, что никакаяэкосистема не может самостоятельно существовать при искусственно созданномизбытке или недостатке одного из экологических компонентов.
«Нормой»экологического компонента следует считать ту, которая обеспечиваетэкологическое равновесие определенного типа, позволяющее функционировать именнотой экосистеме, которая эволюционно сложилась и соответствует балансу вприродной надсистеме и всей иерархии природных систем на данной единицепространства (в конкретном биотопе).
4. Закон Н.Ф. Реймерса о разрушении иерархии экосистем
Закон Н.Ф. Реймерса о разрушении иерархии экосистем гласит, чторазрушение более трех уровней в экосистемной иерархии абсолютно необратимо икатастрофично.
Иерархические уровни геохор (биохор) – это расположение в порядке отвысшего к низшему. Различают пять основных уровней угеохор и биохор:
- гигахоры –главнейшие элементы биосферы и географической оболочки: океаны и материки,биоклиматические пояса и биогеографические царстваразмером более 106км2;
- мегахоры –единицы природно-хозяйственного
и биогеографического (фитогеографического)
- макрохоры –территория конкретных ландшафтов, размером 10-10-2 км2;
- микрохоры имезохоры – морфологические единицы ландшафта, размером 10-1-10-2км2 и входящие в их состав биогеоценозы.
Каждаяподсистема следует за своей системой, вернее, развитие надсистемы определяетмногие ограничения в развитии входящих в нее подсистем. Такой процесс«подталкивания», направления развития характерен для всего системногомира как в сверхдлинных отрезках эволюционного времени, так и в сравнительнокоротких сроках индивидуального развития. Всюду есть взаимоотношения в иерархиисистем — эволюция эволюций и развитие развитей. Если развитие относительнодетерминировано воздействием иерархии надсистем, а отчасти и подсистем впрошлом (подсистемы, изменяясь, не могут не влиять на целое, пример томумутации), то характер процессов не изменится и в будущем, во всяком случаеближайшем (в масштабе характерного времени систем). И хотя принцип«развитие есть движение движений во всей иерархии значимых систем» непозволяет создать одной безальтернативной модели, все же можно прогнозироватьвероятный ход событий.
Н.Ф.Реймерс (1994) отмечает, что закон неравномерности развития систем, или, лучше,закон разновременности развития (изменения) подсистем в больших системах можетбыть сформулирован в таком виде: системы одного уровня иерархии (как правило,подсистемы системы более высокого уровня организации) развиваются не строгосинхронно — в то время, когда одни из них достигли более высокого уровняразвития, другие ещё остаются в менее развитом состоянии.
Заключение
Все глобальные экологические проблемы взаимосвязаны, и ни одна из них недолжна рассматриваться в изоляции от других.
Казалось бы, количество озона в атмосфере очень велико – около 3миллиардов тонн. Это, однако, ничтожная доля от всей атмосферы. Если бы весьозон атмосферы находился в приземном слое воздуха, то при «нормальных условиях»(давления 1 атмосфера и температура 25 градусов Цельсия) толщина озоновогоэкрана, защищающего Землю от жесткого УФ-излучения Солнца, составляла бы всегооколо 3мм. Вместе с тем эффективность озонового слоя очень велика. В частности,специалистами рассчитано, что снижение содержания озона на 1% ведет к такомуповышению интенсивности УФ-облучения поверхности, в результате которогоколичество смертей от рака кожи возрастет на 6-7 тысяч человек в год.
Необходимо срочно принимать меры к охране озонового слоя: разрабатыватьбезвредные хладагенты, способные заменить фреоны в промышленности и быту,экологически безопасные двигатели самолетов и космических ракетных систем,разрабатывать технологии, уменьшающие выбросы окислов азота в промышленности ина транспорте. Существующие международные соглашения по озону, Венскаямеждународная конвенция по охране озонового слоя и Монреальский протокол,обязывающий подписавшие его государства вести работу в конкретных направлениях,пока недостаточно эффективны. Еще недостаточно осознана людьми опасность, ещемало талантливых исследователей и инженеров работают в этой области. А время неждет.
