Порушення озонового шару і виникнення озонових дір

Молекула озону (O3) складається з трьох атомів кисню. В атмосфері озон утворюється в результаті фотохімічної дисоціації молекулярного кисню під впливом сонячної радіації з довжиною хвилі не менше 240 нм.

Максимальна концентрація озону зосереджена в тропосфері на висотах 17-25 км, де існує так званий озоновий шар. Його маса настільки мала, що при нормальному приземному тиску весь атмосферний озон утворив би шар товщиною всього 3 мм. Озоновий шар тонше в екваторіальних районах і товщі в полярних. Він відрізняється значною мінливістю в часі і по території внаслідок коливань сонячної радіації та циркуляції атмосфери.

Незважаючи на малу потужність і невеликий вміст в атмосфері, озоновий шар захищає організми Землі від шкідливого і дуже згубного впливу ультрафіолетової радіації Сонця. Озон поглинає її жорстку частину (ЦУС) з довжинами хвиль 100-280 нм (або 10-9 м) і велику частину менш енергоємною, але також небезпечної UVB радіації з довжинами хвиль 280 -315 нм. Менш активна частина спектра ультрафіолетової радіації (більше довгохвильова частина UVB і вся UVA з довжинами хвиль 315-400 нм) озоном не абсорбується і проникає в тропосферу.
З впливом жорсткої ультрафіолетової радіації пов’язані невиліковні форми раку шкіри, хвороби очей, порушення імунної системи людей, несприятливі і навіть небезпечні для життєдіяльності впливу на планктонні організми в Світовому океані, зниження врожайності зернових культур та інші екологічні наслідки.

Життя на земній поверхні стала можливою тільки після того, як в атмосфері Землі виник озоновий шар, коли сформувалася надійний захист. Сталося це близько 400 млн. років тому, і тільки після цього на суші виник рослинний покрив і стали мешкати наземні організми. До цього часу життя розвивалася в морському середовищі і шар води завтовшки в декілька метрів охороняв живі істоти від впливу ультрафіолетового випромінювання.

Ще на початку 70-х років XX в. стан озонового шару стало викликати занепокоєння вчених. У 1974 р. американські геохіміки Ш. Роуланд і М. Моліна прийшли до висновку про те, що зростаюче виробництво і застосування хлорфторвуглеців неминуче приведуть до прогресуючої деградації озонового шару.

Це попередження про прийдешнє руйнуванні озонового шару з серйозними наслідками для людства було помічено науковою громадськістю і політиками. Однак переговори про підготовку Міжнародної конвенції по захисту озонового шару відбувалися вельми мляво. Конвенція була укладена у Відні в 1985 р. вже після появи перших повідомлень про виникнення озонових дір і стала декларацією про необхідність міжнародної співпраці в цій галузі.

Озоновий шар, що формується в результаті фотолізу молекулярного кисню, під впливом різних причин як природного, так і антропогенного характеру дійсно став поступово руйнуватися. Вперше його часткова деградація була зафіксована під час спостережень з полярних станцій в Антарктиді в 80-і роки. Перша озонова діра була виявлена в атмосфері над Антарктидою англійським дослідником Д. Фарманом в жовтні – листопаді 1984 р. У її межах вміст озону виявилося на 40% нижче, ніж у середньому над усім континентом. З тих пір число і розміри так званих озонових дір збільшуються. До того ж вони були виявлені не тільки в Південному, але і в північній півкулі.
Виявлена над Антарктидою озонова діра стала тривожним сигналом загальнопланетарного неблагополуччя і зажадала серйозної уваги всіх країн світу. Незабаром після цього в 1988 р. був підписаний Монреальський протокол до Конвенції з захисту озонового шару, який передбачає поступове скорочення виробництва і споживання хлорфторуглеродов.
У розкладанні озону беруть участь кисневий, водневий, азотний і галоїдний цикли хімічних перетворень (Г. А. Богдановський, 1994). Відповідно з кисневим циклом (цикл Чепмена) озон розпадається на молекулярний та атомарний кисень:

O3 ? O2 + О

На висотах 20-40 км в результаті такого хімічного процесу втрачається близько 20% атмосферного озону.
Більш істотні втрати припадають на частку водневого циклу – до 60% озону на висотах 17-25 км. Втрата озону обумовлюється його взаємодією з радикалом (ОН). Освіта гідроксилу відбувається при взаємодії водню, метану і води з атомарним киснем за наступною схемою:

2Н2O ? 2OН + Н2
СН4 + О ? ОН + СН3
Н2 ? 2Н

Сам водневий цикл може бути записаний таким чином:

ОН + O3 ? HO2 + O2
НO2 + O3 ? ОН + 2O2
2O3 ? 3O2

Подібні реакції мають великі швидкості і тому протікають дуже енергійно, особливо на висотах 17-25 км.
На початку 70-х років XX в. для визначення стану озонового шару в модельні розрахунки дослідники ввели уявлення про азотному циклі, засновані на здатності оксидів азоту руйнувати молекулу озону. Вони розкриваються в наступних хімічних реакціях:

NO2 + О ? NO + O2
NO + Oе ? NO2 + O2
NO2 + O3 ? NO3 + O2
ІОЗ ? NO + O2

Крім того, встановлено, що при порівняно низьких температурах озон здатний реагувати з інертним азотом:

N2 + O3 N2O + O2

У 70-ті роки XX в. був відкритий галоїдний цикл розкладання озону:

Сl + O3 ? СlO + O2
Сl + 2O ? Сl + O2

Останньому циклу багато дослідників надають чільну роль у руйнуванні озонового екрану.
Як показують дослідження останніх років, на стан озонового екрану, можливо, сильно впливає азотний цикл. Однак до теперішнього часу не вивчена ступінь сумісного впливу всіх перерахованих чотирьох циклів на стан озонового шару.

Разом з тим встановлено, що в останні десятиліття відбувається глобальне скорочення вмісту озону в стратосфері і тропосфері. Тільки з 60-х років XX в. атмосфера Землі втратила майже 15% озону.
Вище ми зазначали, що у верхніх частинах тропосфери й у стратосфері відбувається періодичне освіту озонових дір. Вони мають локальне поширення, але їх розміри становлять кілька сотень мільйонів квадратних кілометрів. Всі озонові діри через порівняно короткі відрізки часу поступово зникають, а рівень вмісту озону в них знову відновлюється.

Було виявлено зменшення вмісту озону над певними територіями і в північній півкулі. Взимку 1991-1992 рр.. падіння рівня вмісту озону було зафіксовано над Північною Європою. Спостережні пункти в районі Риги і Санкт-Петербурга встановили падіння рівня вмісту озону на 40-45% нижче багаторічної норми. У 1993 р. поява озонової діри було виявлено та над територією США і частково над Канадою.
У 1995 р. різко посилився процес руйнування озону був зареєстрований і над територією СНД. Найбільш сильна втрата озону була відзначена у вересні 1995 р. над північним сходом Росії. Виникли значні аномалії над озерами Байкал і Балхаш, над Прикаспійської низовиною, Полярним Уралом і Памиром.

Треба підкреслити, що з тих пір значні втрати озону спостерігалися над великими територіями Арктики і над Британськими островами, Скандинавією, Північно-Заходом і Північно-Сходом Росії.
Біологічні наслідки виникнення озонових дір. Періодично виникають озонові діри досить негативно впливають на біоту. Це викликано негативною роллю ультрафіолетового випромінювання. У життєдіяльності організмів важлива роль належить короткохвильової частини сонячної радіації.
Виявлено такі особливості впливу ультрафіолетового випромінювання на живі організми.
1. Опромінення ДНК і клітинних мембран мікроорганізмів призводить до втрати здатності орієнтації, а це зрештою сприяє їх загибелі, що викликає порушення в харчових ланцюгах і становить серйозну екологічну небезпеку для органічного світу.

2. Під впливом UVB-випромінювання порушується ріст рослин суші, зменшуються їх кількість і розміри, придушуються реакції фотосинтезу. Тому навіть невелике зниження концентрацій озону в атмосфері призводить до різкого скорочення врожайності.

3. Велика частина UVB-випромінювання поглинається водою, але даний процес не безмежний. У фітопланктоні пригнічується фотосинтез і знижується його продуктивність. У зоопланктоні особливо чутливі до випромінювання молоді організми, в яких з’являються патологічні зміни і відбувається масова загибель окремих спільнот і цілих популяцій.

4. У великих ссавців, у тому числі і у людини, UVB-випромінювання в першу чергу вражає очі, шкіру та імунну систему. У людей виникає кон’юнктивіт, розвивається катаракта, посилюється зморшкуватість шкіри (фотоеластоза), з’являються опіки шкіри (еритема), рак шкіри і меланоми. Дослідження показують, що при зниженні рівня озону на 1-2% підвищується рівень захворювання на меланому, а це, в свою чергу, призводить до зростання смертності на 0,8-1,5%.

У зв’язку з вкрай негативними наслідками проблема походження озонових дір і розробка методів протистояння скорочення стратосферного озону в даний час мають не тільки наукове, а й важливе практичне значення.
Всі гіпотези про походження озонових дір можуть бути об’єднані в три групи: метеорологічну, техногенну і ендогенну.

ПОДІЛИТИСЯ:

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.