1. Стратосферный озон и преимущества озонового слоя
Озон играет фундаментальную роль в балансе окружающей среды Земли. 90% атмосферного озона находится на высоте от 20 до 50 км. Этот "озоновый слой" объясняет существование на этих же высотах области большой стабильности в отношении вертикальных обменов - стратосферы. Хотя он является незначительным компонентом атмосферы (его максимальная относительная концентрация, наблюдаемая на высоте 25 км, не превышает 5-6 миллионных долей по объему), озон является единственным поглотителем ультрафиолетового солнечного излучения с длиной волны от 240 до 300 нанометров. Это поглощение позволяет поддерживать жизнь животных и растений на Земле, устраняя коротковолновое излучение, которое может разрушать клетки живой материи и подавлять фотосинтез. По этой причине с 1980-х годов существует большая озабоченность по поводу ущерба, нанесенного стратосферному озоновому слою в результате деятельности человека.
2. Тропосферный озон и его влияние на живые организмы
Количество озона в атмосфере выражается как "уменьшенная толщина", т.е. вертикальная толщина столба, в котором был бы собран весь газ, при нормальной температуре и давлении. В среднем эта толщина составляет 2,5 мм.
1. Открытие озоновой дыры
В 1985 году британские исследователи впервые сообщили о существовании озоновой дыры, а точнее, о значительном уменьшении толщины озонового слоя над Южным полюсом. Верхние слои атмосферы этого региона являются ареной бешеного цикла разрушения озона. Во время полярной зимы образование стратосферного воздушного вихря изолирует атмосферу Антарктики от остальной части Южного полушария. Затем температура стратосферы может опуститься до -85°C, что приведет к образованию ледяных облаков. Эти полярные облака фиксируют хлор в стратосфере в виде соляной кислоты (HCl) и нитрата хлора (ClONO2). В южную весну, когда Солнце вновь появляется в сентябре и октябре, его излучение вызывает диссоциацию хлора в результате фотохимической реакции. После этого запускается настоящая цепная реакция: каждый атом высвобожденного хлора может разрушить до 100 000 молекул озона. Этот процесс продолжается до ноября и уменьшает толщину слоя почти наполовину. К этому времени Солнце достаточно прогрело атмосферу, чтобы рассеять стратосферные облака. Полярный вихрь, ограничивавший озоновую дыру, исчезает, и богатый озоном воздух из средних широт просачивается обратно в стратосферу Антарктики. На Северном полюсе такая "дыра" в слое не образуется, а локальные дефициты озона наблюдаются с 1991 года. Это связано с циркуляцией воздуха, который сильно отличается от антарктического, и более мягкими зимними температурами.
2 Происхождение и последствия
Если некоторые природные факторы, такие как выброс сернистых газов при извержениях вулканов, всегда способствовали частичному и временному разрушению озонового слоя, то опасность, которую представляют промышленные выбросы хлора, ученые осуждают с 1980 года. Хлорфторуглероды (ХФУ), используемые в качестве аэрозольных пропеллентов, хладагентов или пенообразователей в некоторых жестких пенопластах, являются основной причиной разрушения озонового слоя. Многие другие химические вещества, такие как галоны (галогенизированные производные углеводородов), используемые в огнетушителях, а также некоторые растворители, такие как четыреххлористый углерод или бромистый метил, также способствуют образованию озоновой дыры. Все эти соединения чрезвычайно стабильны и могут оставаться в атмосфере в течение 50-100 лет. Они попадают на полюса и высвобождают свои атомы хлора (или брома), которые разрушают озон.
Истощая озоновый слой, человеческая деятельность поставила под угрозу нашу естественную защиту от солнца. Истощение стратосферного озона приводит к увеличению количества ультрафиолетового излучения, достигающего земли. Эти лучи могут повреждать ДНК человека, вызывать рак кожи и катаракту, а также другие заболевания. Они также оказывают вредное воздействие на растения и фитопланктон.
3. Международная осведомленность
С 1985 года (Венская конвенция) несколько международных конференций ознаменовали собой глобальное осознание необходимости защиты стратосферного озонового слоя и обеспечения ограничения воздействия человеческой деятельности на климат. Основные страны-производители ХФУ отказались от производства и использования этих озоноразрушающих газов. Сегодня гидрофторуглероды (ГФУ) и перфторуглероды (ПФУ), второе поколение заменителей ХФУ, безопасны для озонового слоя (хотя для его восстановления потребуются годы), но они являются мощными парниковыми газами, способствующими глобальному потеплению.
Немного истории
Первооткрывателем озона считается физик из Голландии Мартин ван Марум. В 1785 году при пропускании электрического разряда через колбу с воздухом он получил газ с запахом. Но описал его химик из Германии Х.Ф. Шенбейн только в 1840 году. Газ он назвал озоном, что в переводе с греческого обозначает «пахнущий». Таким образом, была проведена аналогия с выделяемым им запахом. А вот откуда взялся озон в атмосфере планеты, стало известно гораздо позже.
Два атома кислорода и еще один
Аллотропная модификация кислорода, что состоит их трех атомов, в химии носит название озон. Описать его можно как немного голубоватый газ с ярко выраженным запахом при нормальных условиях. При охлаждении он превращается сначала в жидкость синего цвета (индиго), а при переходе в твердое состояние образует кристаллы темно-синего или почти черного цвета. Молекулы газообразного озона в природе очень неустойчивы, но пока они существуют, вещество обладает сильными окислительными свойствами.
Природный озон
Всем известный озоновый слой планеты (озоносфера) – это стратосферный озон. Он находится на высоте 12-25 километров. На него приходится порядка 90% всего природного озона. Остальные 10% - это газ, который находится ниже. Он называется тропосферный озон. Кроме различного расположения в атмосфере эти два газа имеют и совершенно разное значение
Откуда взялся озон в древней атмосфере
Голубой газ возник в атмосфере планеты в результате очень сложной фотохимической реакции. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и космической радиации, при распаде молекул воды к двухатомному кислороду присоединяется третий атом и образуется аллотропный атом озона. Эта реакция протекает в верхних слоях атмосферы планеты и сегодня. Всего по объему этот газ занимает 0,6 части на миллион – это значит, что в кубометре атмосферы содержится 0,6 сантиметра кубического озона. Вот откуда взялся озон в атмосфере нашей планеты.
Озон и жизнь на планете
На высоте 25 километров этот газ сосредоточен очень тонким слоем. Но роль его для жизни очень значительна. Откуда взялся озон на Земле, мы уже знаем. Он служит щитом для ультрафиолетового излучения - губительного для всего живого. Именно благодаря поглощению этого ультрафиолета, сопровождающегося образованием озона, происходит защита человечества от гибели. Скорость образования озона в среднем равна скорости его распада. Важность озона для жизни оценена человечеством. И 16 сентября весь мир отмечает день охраны озонового слоя планеты.
Приземный газ
Откуда взялся озон в атмосфере Земли, а в особенности приземный газ – вопрос не простой. И вариантов ответа подразумевает несколько. Главное, что образуется он все так же в результате фотохимических реакций и воздействия радиации или высоких энергий. Как смог в городах он образуется из своих предшественников (оксидов азота, углеводородов) под воздействием температуры и солнечного излучения. А в период летней жаркой погоды концентрация газа повышается с четко выраженным суточным ритмом. Максимум достигается в полдень, а минимум в ранние утренние часы. Повышению концентрации озона способствуют нисходящие потоки воздуха и высокая температура.
Озон или кислород?
Если кислород – источник жизни всего живого, то приземный озон – ее погибель. Недавние исследования биологов подтвердили его губительное действие на легкие нашей планеты – на растения. Под действием озона поры в листьях растений сокращаются, а процессы фотосинтеза подавляются. Компьютерная модель показала снижение потребления растениями углекислого газа на 23%. А это уже серьезная угроза для жизни на всей планете.
Озон как ресурс
Человечество издавна ищет способы использовать в своей деятельности все ресурсы, которые может предоставить Земля. И вне зависимости от того, откуда взялся озон в атмосфере, он не стал исключением. Сильнейший окислитель нашел применение в стерилизации инструментов, в дезинфекции помещений и одежды, в очистке промышленной, сточной и питьевой воды. В перспективных производствах им заменяют хлор при отбеливании целлюлозы. Ведутся разработки в использовании жидкого озона как ракетного топлива. А о косметике, обогащенной этим газом, знают все женщины мира.
Озоновый щит и дыры в нем
Для современной цивилизации вопрос состоит не в том, откуда взялся озон, а как сохранить защитный слой этого газа и не погибнуть в потоке ультрафиолета и космической радиации. А чтобы понять, как его сберечь, необходимо знать причины его разрушения. Сосредоточим внимание на причинах разрушения озонового слоя связанных с антропогенной деятельностью:
• Развитие сверхвысокой авиации способствует повышению в атмосфере азотистых продуктов сгорания топлива, которые становятся разрушителями озона в атмосфере.
• Следующая причина также связана с повышением концентрации азотистых оснований в атмосфере и это применение в сельскохозяйственной деятельности азотных удобрений.
• Всем известные фреоны, которые широко применяются при производстве распылителей, холодильников и кондиционеров. В верхних слоях атмосферы они посредством фотохимических реакций выделяют атомы хлора. А они в свою очередь губят озоновый слой, соединяясь в хлористые основания.
Иногда в солнечную жаркую погоду можно услышать пугающее сообщение экологов о высоких концентрациях приземного озона ― газа первого класса опасности, который может вызвать паралич дыхательной системы. Что это за «зверь», и откуда он взялся?
Озон ― бесцветный газ с неприятным острым запахом. Сильный окислитель. У земли он содержится в небольших количествах, а наибольших концентраций достигает в стратосфере на высоте 20–25 км. Последнее обстоятельство играет ключевую роль в защите всего живого на планете от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. За это озону большое спасибо. Однако у земли повышенные концентрации озона представляют опасность.
Увеличение концентраций приземного озона происходит в летом солнечную антициклональную погоду. Способствуют этому как нисходящие движения воздуха, которые переносят его из верхних слоев атмосферы, так и фотохимические реакции между углеводородами под воздействием фотонов Солнца. Высокая температура ускоряет процесс, а слабый ветер не дает газу рассеиваться.
Концентрации приземного озона имеют хорошо выраженный суточный ход. Его максимальные значения приходятся на полуденные часы, минимальные ― на раннее утро. Защититься от ядовитого газа довольно просто ― меньше бывать на улице в жару в дневные часы.
Городские растения виновны в 225 тыс. смертей в год
Оказалось, что городские растения способствуют увеличению приземного (тропосферного) озона. Этот газ по классификации вредных веществ относится к веществам высшего класса опасности, представляющих серьёзный риск для человека – вплоть до возможного летального исхода.
Увеличению количества озона способствуют все растения. Однако особенно этим отличаются представители рутовых, кизиловых и астровых. И если апельсины и лимоны (семейство рутовые) – не слишком частые гости на наших улицах, то дёрен (семейство кизиловые) и лопух с одуванчиками (астровые) у нас распространены изрядно.
О полезном и вредном озоне
Все мы слышали об озоновых дырах – истончении слоя озона в результате выброса в атмосферу хлорфторуглеродов, бромистого метила, четыреххлористого углерода, гидрохлорфторуглеродов и прочего.
Но трёхатомное соединение кислорода по токсичности превосходит боевые отравляющие вещества, такие, например, как хлор. Поэтому тот озон, который находится в нижних слоях атмосферы – в тропосфере – смертельно опасен. К тому же ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения) относит озон к веществам беспорогового действия. То есть любая концентрация этого вещества опасна для здоровья человека.
В чём «вина» растений, или Как происходит образование «вредного» озона
В общем-то, растения не виноваты. Вина за появление тропосферного озона, впрочем, как и разрушение слоя стратосферного, лежит на человеке, на его разрушительном влиянии на экологию планеты.Образование озона – это нормальная для нашей планеты фотохимическая реакция. Реакция между окислами азота и летучими органическими соединениями при воздействии ультрафиолетового излучения. Именно так, с помощью растений, миллионы лет назад и образовался этот защитный экран нашей планеты – озоновый слой.
Растения выделяют органические соединения – монотерпены и сесквитерпены, изопрен и прочее. Благодаря им, пахнет сосновая хвоя, болотный багульник, апельсин. Чем жарче светит солнце, тем сильнее происходит выделение растениями летучих органических соединений, и как следствие – образование озона, который потом поднимается в верхние слои атмосферы.
Но беда в том, что эти летучие органические соединения реагируют с оксидами азота, которые содержатся в выхлопных газах автомобилей. В результате, кроме опасности от самих выхлопных газов (оксиды азота в десять раз более ядовиты, чем угарный газ), происходит образование озона.
По подсчётам учёных, присутствие растений увеличивает почти на 60 % количество озона в городах. Учитывая количество автомобилей в мегаполисах, такой объём образовавшегося озона не успевает удалиться в стратосферу.
Как уберечься от озона
К сожалению, жизнь наша устроена таким образом, что большинство людей вынуждено жить в городах. Против природных законов идти сложно, и процесс образования озона не остановить. Можно лишь уменьшить его количество, снизив количество выхлопных газов. Правда, это по большей части тоже вне власти обывателя.Единственное, что вы можете сделать для своего здоровья и здоровья близких – находиться как можно меньше на открытом солнце, и тем более не заниматься на жаре активной физической деятельностью: чем жарче светит солнце, тем более активно идёт процесс образования озона. Максимум приходится на полуденные часы, минимум – на раннее утро.
По данным исследований, во время аномальной жары 2010 года уровень озона в Московской области достигал 500 мкг/м3, при предельно допустимой концентрации в 100 мкг/м3. Такое количество озона (500 мкг/м3) убивает 20% лабораторных крыс всего лишь в течении часа.
Предупреждение об избегании жаркого солнца касается не только горожан, но и дачников: озон разносится на расстояние более 100 километров от городов.