Озон та життя

                              ОЗОН ТА ЖИТТЯ 

Надзвичайну важливість не тільки для історичної геології, а й для сучасної людини має питання про співвдношення життя та озона, що є в атмосфері. Можна вважати, що життя — рослинний та тваринний світ — зміг розвинутися на Землі тільки тогді, коли виник достатньо потужний «озоновий щит», що захищає її від ультрафіолетової радіації Солнця. Зрозуміло, що процей щит ми маємо піклуватися і зараз.

Хоча вік Землі оцінено зараз доволі точно - біля 4,5-10 ⁹ років,про первинну атмосферу Землі нам відомо дуже мало. Якщо Земля виникла з космічного протопланстної хмари, у складі якої знаходився у великій пропорції водень, то цей водень було досить рано загублено Землею. Геологи вважають, що відома нам атмосфера Землі вторинна та утворилася з вулканічних газів або вивільнена з геологічних порід. В цих газах не було вільного кисню (так його майже немає в атмосферах інших планет). Така вулканічна атмосфера Землі складалася тоді, біля 10⁹ років тому, мабуть, тільки з  Н₂, НОH, N₂ та СО₂. Тоді на Землі майже не було життя. Ультрафіолетова радіація з довжиною хвилі меньш ніж 307 нм могла знищити ДНК живих клітин (краще сказати, зашкоджувати їх розмноженню, якщо б вони виникли). Тільки потужній шар води міг захистити живу речовину від радіації. Поздніше в атмосфері зявився кисень, а з нього виник захисний шар озону.

Можна вважати, що водяна пара почала розкладатися під дією ультрафіолетової радіації з h = 134 ... 237 нм по реакції OНО + hv —- ОН + Н. При цьому атоми водню Н могли уникнути з верхньої гарячої атмосфери — такий процесс вивчено зараз добре — со скоростью 10⁷ . . . 10⁸ атомів з 1 см² в секунду. Далі при реакції  ОН + ОН —- НО + О утворювався вільний кисень.

Э. Хестведт та С. Хенриксен в праці, що була опублікована в університеті в Осло в 1973 г., вважають, що  саме таким було годоине джерело кисню в атмосфері давніх геологічних эпох. Спеціалісти геологи вважають, що утаорений О2 майже весь швидко використовувався на окислення порід земної поверхні.

Джерелом вільного озону міг також бути процес фотосинтезу.

При цьому є осить важливою більш  точна оцінка небезпечної радіації, що первоначально тормозила виникнення живої речовини. Так, в работі Беркнера и Маршалла було прийнято, що для життя — для ДНК — небезпечною є спектральна область с а = 240 . . . 285 нм при энергетичній освітленості в цій  області більш ніж 10 ^Вт-м"². Поздніше М. Ратнер та Дж. Уокер вибрали інший критерій. Хоча у більш довгих хвиль эфект, що знищує  ДНК, понижується, энергія променів Сонця в цих хвилях набагато більша, а захисна властивість інших органічних речовин, що оточують клітинне ядро, мала. При цьому небезпечною ультрафіолетовой радіацією є  10~¹ Вт-м~² для всієї області спектра с  h < 302 нм.

Так виникло унікальне явище в геологічній історії —до так званого еволюційного вибуху. Після того як в архейскій ері сотні мільйонів років існували тільки примітивні організми — бактерії та водорості, частково навіть анаеробні організми в мілководных морях та озерах, в палеозойскій ері розвиток життя швтдко піднявся на високий рівень. В силурійскій період проходив розвиток багатого життя в морі, де зявились роды риб, а в кінці його, біля 440 млн. років тому, зявилась рослинністть на суші — предки сучасних папоротнепдібних та плаунів. В девоні,  приблизно 370 млн. років тому, розквітло тваринне життя в багатих лісах. Так почався період підсиленного фотосинтезу та швидкого накопичення кисню в атмосфері.

Безсумнівно, що в кисневій атмосфері виник шар озону тобто озоннй екран, спочатку, біля поверхні Землі. При вмісті кисню біля 0,1 сучасної його кількості (РАL — present stmospheric level) шар  озону піднявся вже в стратосферу.

Рисунок 1 показує, як шар озону, що зародилася ще при концентрации кисню біля 3*10-⁴ РАL скоро досяг на рівні максимуму озону,  концентрації N₃ = 10¹³ молекул в 1 см³ та поступоио розповсюдився в більш  високі шари  атмосфери при накопиченні О₂ от 3-10-⁴ РАL до 1 РАL.

На рис. 2 показано, як пропускала така озоносфера радіацію Сонця до поверхні Землі. Майже вся радіация з h=280 нм відфільтровувалась вже при 2-*10-² РАL. Цей момент відмітив собою появу развинутого життя на суші. Ще трохи раніше при (2 ... 3)*10-³ РАL такому відфільтровуванню допомагав шар води товщиною приблизно 2 м, також зменьшуючий дію уль-трафіолетової радіації. Тоді ,мабуть, життя могло почати розвиватись інтенсивно у воді, в теплих прибережних водах, озерах.

Якщо врахувати, що джерелом кисню була фотоднсоціація водяної пари, то эволюційний вибух міг відбутися тільки при дуже швидкому насиченні — за геологічою шкалою часу — атмосфери водяною парою, що почачла енергійно розкладатися на сонячному світлі.

Якщо ж допустити, что жття поступово утворювало фотосинтетичне джерело кисню, після того як розклад пари або життя в морі утворили первинне підвищення  рівня кисню до (2 ... 3)- 10-³ РАL, то швидкість еволюційного вибуху добре пояснюється таким механізмом з сильним додатнім звязком. Пояснюється й послідовність розвитку життя у воді й на суші 

.Питання про озоновий шар дуже гостро постало в наші дні.

Міжнародна метеорологічна організація виступила в 1976 р. з проектом «Глобального вивчення й моніторингу озону». Проект энергійно подтримала й Межнародна комісія з атмосферного озону. В березні 1977 г. Це питання буо розглянуто у  «Программі Організации Обєднанних Націй з оточуючого середовища «UNEP». В травні того ж року в Женеві зібрались спеціалісти,що вивчали новітні прибори й можлиаості координованних спостереженнь найбільш біологічно активної частини сонячного спектру — між 290 _ 320 нм. Вже у 1978 р. спеціальний циркуляр ММО вже рекомендував країнам організацию спостереженнь уль-трафіолетової радіації .

Ідея небезпеки знищення шару  озону та його наслідках призвела до створення в США спеціальної «Програми визначення кліматичних впливів» (СIАР) (під загальним керівництвом Департаменту транспорту США), маючи на увазі викиди стратосферної авіації. З цією ціллю в 1972 . . . 1975 рр. було зроблено 4 конференції спеціалістів з проблем авіації, фізиці атмосфери, та забруднення й  озону. Аналогична програма  (СОVOS) було утварено у  Франції.

В наш час головною рисою розподілення радіаці по земній куліє її широтна залежність. Розрахунки показують, що тропічний пояс  має отримувати до 360 . . . 420 Вт-ч-м-² на місяць. Таким чином, знищення шару озону має по різному вплинути на тропичній та помірнній зоні на населенні. 

ОЗОНОВИЙ ЩИТ ЗЕМЛІ 

Історія вивчення озону не дуже тривала. Заслуга вікриття його шару належить фізикам із Франції: Ш. Фабрі та А. Б'юіссону, які в 1913 р. довели, що випромінювання Сонця з довжиною хвилі від 200 до 300 нм інтенсивно поглинається атмосферою Землі. Це було істотне досягнення, бо частина вчених тоді вважала, що ультрафіолетове випромінювання поверхні Сонця поглинається його власною атмосферою—протяжною газовою оболонкою, що оточує Сонце. 

Який же дійсний вплив сонячного випромінювання на планету Земля? 

Графік (спектр) випромінювання Сонця наведений на малюнку 3, де на горизонтальній осі в нанометрах (Ю"⁹ м) указані довжини електромагнітних хвиль, випромінюваних фотосферою Сонця. По вертикалі відкладена потужність, що припадає на одиницю перпендикулярної до сонячних променів поверхні, розташованої поза атмосферою нашої планети.

Існує велика відмінність у кількості енергії, яку випромінює Сонце в різних діапазонах довжин хвиль. Максимум випадає на видиме світло—той діапазон, до сприймання якого пристосоване око людини. Максимум чутливості вдень припадає на зелене світло, тобто на максимум у спектрі випромінювання Сонця. Лише в сутінках краще сприймається синє світло.

Промені великих довжин хвиль названі «інфрачервоними» чи тепловими, бо їх випромінюють усі тіла. що мають невисоку температуру. Такі промені йдуть і від людини (максимум випромінювання—майже 10 тис. нм), радіатора опалення, праски й усіх оточуючих нас тіл і предметів. Чимало живих істот, наприклад, змії, сприймають теплові промені й можуть успішно полювати в темряві.

Світло складається з окремих порцій енергії, тобто квантів або фотонів. Чим менша довжина електромагнітної хвилі фотона, тим більшою є його енергія, яка при поглинанні фотона будь-яким тілом переходить до його часточок. Вбирання інфрачервоних фотонів при малій енергії посилює коливання молекул, тобто зумовлює нагрівання тіл. Зовсім іншою виявляється дія на молекули ультрафіолетових фотонів, у яких мала довжина хвилі та велика енергія. Таке випромінювання не сприймається людським оком. Під час поглинання подібних фотонів молекула розщеплюється на частини, якщо енергія окремого фотона достатня для розриву зв'язків між ними. На малюнку 2 вказано, що таких променів небагато, а довжини їхніх хвиль коливаються від 1 до '100 нанометрів. До діапазону 290—400 нм належить ультрафіолет - А (УФ-А).

Фотони цього діапазону викликають засмагу шкіри, бо при поглинанні їх поверхнею нашого тіла відбуваються хімічні зміни молекул у клітинах. Малі дози такого опромінення корисні тим, що сприяють утворенню вітамінів групи Д. посилюючи імунітет

Діапазон довжин хвиль від 280 до 315 нм відносять вже до ультрафіолету-В (УФ-В). Як помітно з малюнку 2, у цьому інтервалі довжин енергія випромінювання Сонця зменшується майже у 100 разів. Причина криється в тому, що Сонце має невисоку температуру поверхні і вибухові процеси на ньому мають слабку активність, тому фотонів із дуже великою енергією утворюється мало. Ця обставина у свій час сприяла виникненню й утвердженню життя на Землі.

Фотони діапазону УФ-В мають тільки трохи більшу енергію, ніж УФ-А, але ця невелика різниця є дуже важливою. Цього збільшення енергії достатньо, щоб розщепити молекули білків v клітинах на частини. Порушується діяльність клітин, різко збільшується можливість виникнення мутацій, більшість з яких, певно, матиме негативні наслідки. Подібна шкідлива дія на живі клітини ще більше притаманна фотонам із діапазону УФ-С, у яких довжина хвилі менша 280 нанометрів. Таких фотонів у сонячному промінні у тисячі разів менше, ніж фотонів діапазону УФ-А.

Існує велика відмінність у кількості енергії, яку випромінює Сонце в різних діапазонах довжин хвиль. Максимум випадає, як і слід було чекати, на видиме світло — той діапазон, до сприймання якого пристосоване око людини. Максимум чутливості вдень припадає на зелене світло, тобто на максимум у спектрі випромінювання Сонця. Лише в сутінках краще сприймається синє світло.

Промені великих довжин хвиль названі «інфрачервоними» чи тепловими, бо їх випромінюють усі тіла. що мають невисоку температуру. Такі промені йдуть і від людини (максимум випромінювання—майже 10 тис. нм), радіатора опалення, праски й усіх оточуючих нас тіл і предметів. Чимало живих істот, наприклад, змії, сприймають теплові промені й можуть успішно полювати в темряві.

До майже 90-кілометрової висоти склад повітря практично такий, як довкола нас: серед кожних 100 молекул є 78 молекул азоту (Мг), 21—кисню (Оз) та близько однієї аргону (Аг). Одна молекула вуглекислого газу припадає на З тисячі інших молекул повітря. Концентрація пари води часто перевищує концентрацію вуглекислого газу, а при великій вологості та теплій погоді вона може поступатися тільки кисню й азоту. Вміст усіх інших газів, у тому числі й озону, значно менший і коливається в різних місцях Землі та на різних висотах. Одна молекула озону в середньому припадаєна_2 млн інших молекул у повітрі. Саме «в середньому», бо розподіл озону по висоті виявляється дуже нерівномірним. Причина цього полягає в механізмі його утворення. Ультрафіолетові промені малої довжини поглинаються на висотах близько 90 км і вище. де з'являються вільні електрони та позитивно заряджені молекулярні іони. Так виникають шари земної іоносфери, які можуть проводити стр і відбивати радіохвилі певних діапазонів.

Ультрафіолетові фотони з довжиною хвилі 242 нм і м менше поглинаються переважно молекулами кисню, що ві до їх розпаду на два окремі атоми за реакцією  

      О₂+ фотон = О+О 

До висоти 20 чи ЗО км відбувається майже повне поглинання УФ-С киснем. Отже. утворення озону при потрійних зіткненнях, що описується рівнянням: О₂+О+Х = О₃+Х*, може відбуватися вже па висотах 60—90 кілометрів. Але через те, що густина повітря там дуже мал потрійні зіткнення не часті, швидкість утворення озону є великою. Так само незначна вона і на висотах 10—20 куди потрапляє надто мало УФ-С і кількість атомарного кисню виявляється мізерною. Отже, існує висота, де швидкість утворення озону найбільша: майже 50 км над поверхнею Землі.

Саме процес руйнації озону і є найбільш цінним для життя.. Відносна нестійкість молекули озону зумовлює можливість її розпаду при поглинанні ультрафіолетових променів істотно більшої довжини хвилі від тих, що поглинаються киснем. Особливо інтенсивно молекули оз вбирають фотони з довжиною хвилі між 200 і 310 нм. Це дуже важливо, бо такі фотони порівняно слабо поглинаються іншими газами, що входять в атмосферу Землі.  Саме шар озону служить щитом, він захищає все живе нашій планеті від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця.