Влияние химических производств на загрязнение атмосферы и способы борьбы с загрязнениями

УФ-излучение Солнца по-разному  влияет на живые организмы. В диапазоне длин волн менее от 0,4 до 0,32 мкм его негативное влияние на живые организмы незначительно. Уф излучение с длиной волны в диапазоне 0,32-0,28 мкм вызывает загар и оказывает тонизирующее действие на организм человека при малых дозах облучения; ожоги и разрушения нуклеиновых кислот – при больших дозах. По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако из-за большей, чем у  g-излучения длины волны он не способен проникать глубоко в ткани и поэтому поражает только поверхностные органы. Уф излучения с длиной l<0,28 мкм обладают сильным бактерицидным воздействием и могут привести к злокачественным новообразованиям на открытых  участках кожи человека, заболеваниям глаз и ослаблению иммунной системы. Жёсткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, особенно быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Уже сейчас во всём мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако значительное количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом получая большую долю УФ-облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона. Также такое УФ-излучение нарушает фотосинтез растений, поражает планктон, губительно влияет на животных. Жёсткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в поверхностном слое, при увеличении интенсивности жёсткого УФ-излучения может серьёзно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к УФ-излучению, но при увеличении дозы могут пострадать и они.

Существуют также и другие последствия изменения интенсивности ультрафиолетового излучения.

1. Показатели экосистем, включающие  в себя открытые водные бассейны  тех или иных масштабов, могут  быть модулированы ритмикой солнечной  активности, ибо, как выяснилось, для бактерий, простейших и водорослей – обитателей поверхностных слоёв воды толерантность к УФ-излучению довольно точно равна как раз получаемой доле.

2. Известно, что ультрафиолетовое  излучение в полосе В влияет  на интенсивность фотосинтеза.  Поэтому не исключено, что колебания  радиации вносят кокой-то вклад в изменения урожайности, прирост деревьев и т. п.

3. Облучение растительных  объектов дополнительным потоком  УФ-радиации приводит – среди  прочих последствий – к возрастанию  концентрации активных биологических  веществ, таких, как витамины. Переданный через трофические связи, этот эффект может иметь далеко идущие последствия. Например, высказывалось мнение, что повышенное содержание витамина Е в растительности данного региона может быть фактором, регулирующим численность мелких грызунов. Таким образом, может оказаться, что связь ритмики изменения численности этих животных с солнечной активностью осуществляется через динамику озоносферы.

4. Ультрафиолетовая  радиация  в полосе (l=290-320 нм) является мутагенным фактором. Модуляция темпа возникновения мутаций может быть сложным и многоступенчатым: возрастание интенсивности радиации первоначально приводит к увеличению концентрации мутагенных веществ в среде обитания, далее – к возрастанию числа мутаций вирусов и бактерий, к увеличению частоты их следования у более высокоорганизованных организмов-хозяев и т. д.

5. УФ-излучение в определённых  условиях способно восстанавливать  активность инактивированных вирусов  внутри клетки. Не исключено, что  некоторые из вспышек инфекционных  заболеваний нндуцированы явлениями, обусловленными, в конечном итоге, динамикой озоносферы(подобные эффекты должны быть приурочены территориально к областям преимущественного появления локальных озоновых дыр, а во времени располагаться близ сезонного минимума толщи озоносферы – конец лета – осень северного полушария).

Образование и разрушение озона в атмосфере. Разрушение молекул кислорода О₂ фотонами УФ-излучения сопровождается образованием атомарного кислорода О, который, взаимодействуя с О_2, образует О₃ . Одновременно с образованием озона идёт его непрерывное разрушение под действием фотонов УФ и видимого излучения Солнца.

Образование озона описывается  уравнением реакции

 

О₂ + О ® О_3.

 

Необходимый для этой реакции атомарный  кислород выше уровня 20 км образуется при расщеплении кислорода под действием ультрафиолетового излучения с l < 240 нм:

 

О₂ + hv ® 2О.

 

Ниже этого уровня такие фотоны почти не проникают, и атомы кислорода  образуются в основном при фотодиссоциации  двуокиси азота

 

NO₂ + hv ®  NO + O

 

фотонами мягкого ультрафиолета с l < 400 нм.

Разрушение молекул  озона происходит при их попадании  на частицы аэрозолей, но основной сток озона определяют циклы каталитических реакций в газовой фазе:

 

О₃ + Y® YO + O₂

 

YO+O ® Y+O_2,

где Y=NO, OH, Cl, Br.

Эти реакции реализуются не только в озоновом слое, но и в тропосфере. Они носят цепной характер, приводя к разрушению 10 молекул озона одной молекулой NO_C   и к разрушению 10⁵ молекул озона при взаимодействии хлора или его соединений.

Впервые мысль об опасности  разрушения озонового слоя бала высказана ещё в конце 1960-х годов, тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона представляют выбросы водяного пара  и оксидов азота (NO_C)  из двигателей сверхзвуковых транспортных самолётов и ракет. Однако сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только «Конкорд», совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, из военных самолётов в стратосфере летают практически только сверхзвуковые стратегические бомбардировщики. Такая нагрузка вряд ли представляет серьёзную опасность для озонового слоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобрений также представляют определённую опасность для озонового слоя, но оксиды азота нестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Запуски ракет также происходят не очень часто, впрочем, хлоратные твёрдые топлива, используемые в современных космических системах, например в  твёрдотопливных ускорителях «Спейс-Шаттл» или «Ариан», могут наносить серьёзный локальный ущерб озоновому слою в районе запуска.

Техногенное влияние на озоновый слой. Предполагается, что глобальное загрязнение атмосферы некоторыми веществами (фреонами, оксидами азота [NO и NO₂] и др.) может нарушить функционирование озонового слоя Земли.

Главную опасность для  атмосферного озона составляет группа химических веществ, объединенных термином «хлорфторуглероды» (ХФУ), называемых также фреонами. В течение полувека эти химикаты, впервые полученные в 1928г., считались чудо - веществами. Они нетоксичны, инертны, чрезвычайно стабильны, не горят, не растворяются в воде, удобны в производстве и хранении. И поэтому сфера применения ХФУ динамично расширялась. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как  хладагенты  в холодильниках  и   системах кондиционирования воздуха,   пенообразующие агенты в огнетушителях, а также  при химической чистке одежды. Фреоны оказались очень эффективны при промывке деталей в электронной промышленности и  нашли широкое применение в производстве пенопластиков.  А с началом всемирного аэрозольного бума получили самое широкое распространение (их использовали как  пропеленты для аэрозольных смесей). Пик их мирового производства пришелся на 1987 – 1988 гг. и составил около 1,2 – 1,4 млн т  в год, из которых на долю США приходилось около 35%.

Механизм действия фреонов  следующий. Попадая в верхние  слои атмосферы, эти инертные у поверхности  Земли вещества становятся активными. Под воздействием ультрафиолетового излучения химические связи в их молекулах нарушаются. В результате выделяется хлор, который при столкновении с молекулой озона «вышибает» из неё один атом. Озон перестаёт быть озоном, превращаясь в кислород. Хлор же, соединившись временно с кислородом, опять оказывается свободным и «пускается в погоню» за новой «жертвой». Его активности и агрессивности хватает на то, чтобы разрушить десятки тысяч молекул озона.

Активную роль в образовании  и разрушении озона играют также оксиды азота, тяжелых металлов (меди, железа, марганца), хлор, бром, фтор. Поэтому общий баланс озона в стратосфере регулируется сложным комплексом процессов, в которых значительными являются около 100 химических и фотохимических реакций. С учетом сложившегося в настоящее время газового состава стратосферы в порядке оценки можно говорить, что около 70% озона разрушается по азотному циклу, 17% – по кислородному, 10% – по водородному, около 2%– по хлорному и другим и около 1,2 % поступает в тропосферу.

В этом балансе азот, хлор, кислород, водород и другие компоненты участвуют как бы в виде катализаторов, не меняя своего «содержания», поэтому  процессы, приводящие к их накоплению в стратосфере или удалению из неё, существенно сказываются на содержании озона. В связи с этим попадание в верхние слои атмосферы даже относительно небольших количеств таких веществ может устойчиво и долгосрочно влиять на установившийся баланс, связанный с образованием и разрушением озона.

Нарушить экологический  баланс, как показывает жизнь, совсем несложно. Неизмеримо сложнее восстановить его. Озоноразрушающие вещества на редкость стойки. Различные виды фреонов, попав в атмосферу, могут существовать в ней и творить своё разрушительное дело от 75 до 100 лет.

Современное состояние озонового слоя. В настоящее время ограничения Монреальского и Лондонского протоколов ещё не вступили в полную силу, поэтому воздействие фреонов на озоновый слой ещё  сказывается. Общая оценка техногенного влияния на озоновый слой показывает, что в ближайшие годы будет продолжаться его непрерывное истощение (табл. 1)¹:

Таблица 1

 

Год	2000	2050
Потери концентрации озона в атмосфере, %	3-4	10

 

Использование фреонов  продолжается, и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях – на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселённых районов – концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растёт со скоростью 5 - 9 % в год. Содержание в стратосфере активных фотохимических соединений хлора в настоящее время в 2 – 3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.

За последние 10 лет  среднегодовая концентрация озона  в средних и высоких широтах на высоте около 20 км уменьшилась примерно на 10%.

Кроме общих показателей  снижения концентрации озона есть сообщения  о локальных изменениях в концентрации О₃ в атмосфере.

По данным Центральной  аэрологической обсерватории Роскомгидромета, в середине апреля 1997 года 15 млн км российских земель вновь оказались  «накрыты» атмосферой с самой низкой концентрацией озона за всю историю подобных наблюдений. В опасной зоне находится Западная и Восточная Сибирь, вплоть до Дальнего Востока. Ещё хуже в Якутии, особенно в районе Тикси, где недостаёт 35 – 37 % необходимого озона. Другая опасная зона наблюдалась в районе Мурманска и Архангельска, где не хватало 25% озона.

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской антарктической службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей   в Антарктиде уменьшилось с 1977 по 1984 годы на 40 %. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, то есть значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследование озонового слоя над Антарктидой был международный Самолетный антарктический озоновый эксперимент. В ходе него учёные из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона  и собрали детальные сведения о её размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имелась «озоновая дыра». В начале 80-х годов по измерениям со спутника «Нимбус-7» аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда, она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико – около 9%. В среднем на Земле с 1979 по 1999 год содержание озона упало на 5%.

После открытия этого  явления был выдвинут ряд гипотез, его объясняющих. К наиболее достоверной  относят гипотезу о взаимном влиянии  переохлаждения облаков в нижней части стратосфере до температур, близких к –70-50°С, и зон, расположенных в околополюсной области, с резко выраженной концентрацией озоноразрушающих примесей. В этой области концентрации СlO и ClO₂ в августе и сентябре почти в 100 раз выше, чем вне этой области. С появлением над Антарктидой солнца в августе оксиды хлора начинают интенсивно  разрушать озон, что приводит к образованию «дыры». После прогрева солнцем зоны  над Антарктидой воздушные массы приносят озон в полюсную зону извне, и «озоновая дыра» исчезает.

Таким образом, явление  антарктической «озоновой дыры» - результат сложных физических, фотохимических и динамических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идёт. Зимой над Антарктидой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьёзный ущерб озоновому слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктидой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции  Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -80°С. Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в  реакцию с хлором. Возможно также, что облачные  частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Всё это говорит о том, что ХФУ способны вызвать заметное понижение концентрации озона только в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах концентрация активного хлора должна быть намного выше.