Озон и озоновый слой в атмосфере

Озон и озоновый слой в атмосфере

Озоновый слой это воздушный слой в верхних слоях атмосферы (стратосфере) состоящий из особой формы кислорода озона. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода (О3). Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. ("Reporting on Climate Change"). Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода (О22 —> О3). 

Так как озоновый слой поглощает ультрафиолетовое излучение, то его разрушение приведет к более высоким уровням ультрафиолетового излучения на поверхности земли. Это, в свою очередь, вызовет увеличение случаев рака кожи. Другим следствием повышенного уровня ультрафиолетового излучения станет разогрев поверхности земли и, вследствие этого, изменение температурного режима, режима ветров и дождей и повышение уровня моря. 

В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами. 

Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена: 

разрушение озонового слоя окисями азота соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету; 

воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон и 

соединения хлора в атмосфере разрушают озон. 

Ученые пришли к заключению, что соединения хлора, называемые хлорфторуглеродами (ХФУ), которые широко использовались в промышленности и в быту, несут ответственность за разрушение озонового слоя земли. Некоторые виды хлорфторуглеродов использовались в качестве охладителей в холодильных установках и кондиционерах. Другие ХФУ применялись для производства поролонов и пенопластов материалов, широко используемых во многих потребительских товарах, начиная от одноразовой пенопластовой посуды и заканчивая изоляционными материалами. Хлорфторуглероды нашли широкое применение в баллонах для распыления аэрозолей и в качестве веществ для промывания электрооборудования. 

В середине сентября 1987 года представители двадцати четырех стран встретились в Монреале и подписали соглашение, по которому обязались сократить вдвое использование озоноразрушаюших ХФУ к 1999-му году. Однако в связи с ухудшающейся ситуацией в 1990-м году в Лондоне были приняты поправки к Монреальскому протоколу. Согласно Лондонским поправкам в список регулируемых ХФУ вошли еще десять веществ и было принято решение прекратить использование ХФУ, галогенов и четырехлористого углерода к 2000-х тысячному, а метилхлороформа к 2005-му году.(Reporting on Climate Change. p.75) 

В Монтреале была принята система, по которой озоноразрушающие вещества подразделялись по следующим критериям: способность разрушать озон и продолжительность их жизни в атмосфере (Reporting on Climate Change. p.73) Ниже приведена таблица этих веществ, взятая из Федерального реестра 1988-го года (английская аббревиатура CFC обозначает «хлорфтороуглерод»): 

Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ



Разрушающий потенциал

(усл.ед)

Продолжительность жизни

(лет)

CFC 11

1.0

75

CFC 12

1.0

111

CFC 113

0.8

90

CFC 114

1.0

185

CFC 115

0.6

380

HCFC 22

0.05

20

Метилхлороформ 

0.10

6.5

Четырехлористый углерод 

1.06

50

Halon 1211

3.0

25

Halon 1301

10.0

110

Halon 2402

6

не установлено

Иная проблема, связанная с озоном, но не связанная с разрушением озонового слоя это фотохимический смог. Озон в нижних слоях атмосферы (тропосфере) является загрязняющим веществом. Он образуется на свету при реакции оксидов азота с углеводородами (см. главу "Взвешенные в воздухе токсичные вещества"). Озон в тропосфере снижает продуктивность сельскохозяйственных культур. Он замедляет фотосинтез в растениях и ослабляет их. По оценкам специалистов, в США ежегодные потери кукурузы, пшеницы, соевых бобов и арахиса вызванные озоном достигают от 1.9 до 4.5 миллиардов долларов. 

В дополнение озон ускоряет процесс разрушения резиновых изделий, текстиля и покрытий

Взвешенные в воздухе токсичные частицы

Одна из причин, по которой загрязненность воздуха вызывает всеобщее беспокойство это токсичные частицы и пыль, попадающие в организм при вдыхании и способные вызывать различные заболевания. Взвешенные в воздухе частицы обычно подразделяют на две категории: мелкодисперсные и крупнодисперсные. Мелкодисперсные аэрозольные частицы состоят из таких веществ, как соединения углерода, свинца, серы и азота, попадающих в атмосферу в результате человеческой деятельности. Крупнодисперсные частицы состоят из природных веществ, которые образуются вследствие естественной эрозии и в процессе различных работ по дроблению камня. К наиболее распространенным крупнодисперсным частицам относятся гипс, известняк, мрамор, карбонат кальция (мел), кремний и карбид кремния (карбид, используемый при сварочных работах). 

Первичные мелкодисперсные примеси сажа, летучая зола, частицы металлов и пары попадают в атмосферу в результате физических или химических процессов. Вторичные мелкодисперсные примеси образуются вследствие реакций между различными газами в атмосфере. Вторичные примеси составляют от шестидесяти до восьмидесяти процентов всех мелкодисперсных частиц, регистрируемых в городах. 

Человеческий нос естественным образом отфильтровывает крупные частицы пыли, но не защищает от мелкодисперсных частиц, и такие вещества, как серная кислота, мышьяк, бериллий или никель, могут попасть в легкие. Некоторые вещества (бенз[а]пирены, бензантрацен-супертоксикант, соединения металлов), попадающие в организм при вдыхании, обладают канцерогенными свойствами. 

Одно исследование показало, что соли серной кислоты, выбрасываемые в атмосферу автотранспортом, а также при сжигании нефти и угля, стали причиной двадцати одной тысячи преждевременных смертей в регионе, где проводилось это исследование. Специалисты считают, что эти вещества обостряют респираторные заболевания астму, хронические бронхиты, эмфизему легких и вызывают прерывистое дыхание и раздражение слизистой оболочки глаз. 

Оксиды азота (NOx), главным образом образующиеся вследствие вторичных реакций соединений азота, также связывают с респираторными и седечно-сосудистыми заболеваниями. 

Металлы, обнаруженные в воздухе, включают: свинец, кадмий, никель, бериллий, ртуть, мышьяк, ванадий и хром. Кроме того в воздухе присутствуют сравнительно небольшие количества стекловолокнистого минерала асбеста. Высокие концентрации свинца поражают центральную нервную систему, в то время как низкие дозы поражают мозг и приводят к психическим расстройствам у детей. Асбест вызывает рак легких и плевры. Никель, мышьяк, хром и тальк связывают с образованием раковых опухолей. 

В дополнение к перечисленным аэрозольным частицам, в воздухе присутствует еще множество других загрязняющих веществ, которые приводят к заболеваниям человека, животных и птиц, к поражениям сельхозкультур и так далее. Ниже приведен список наиболее часто встречающихся загрязнителей. 

Наиболее распространенные химические вещества-загрязнители воздуха и их воздействие на человека

As (мышьяк). Источники поступления в атмосферу: угольные и нефтяные печи, стекольное производство. Вызывает разрушение вегетативной нервной системы, паралич кровеносной системы, нарушение обмена веществ. Воздействие на протяжении продолжительного времени может привести к раку легких и кожи. 

С6Н6 (бензол). Источники поступления в атмосферу: нефтеперерабатывающие заводы, автомобильные выхлопы. Воздействие на протяжении продолжительного времени может вызвать лейкемию. 

Cd (кадмий). Источники поступления в атмосферу: металлургическое производство, сжигание мусора, угля и нефти. Воздействие на протяжении продолжительного времени может вызывать поражение почек и легких, ослабление костей. 

Сl2(хлор). Источники поступления в атмосферу: химическое производство. Вызывает раздражение слизистых тканей. 

СО (угарный газ). Источники поступления в атмосферу: автомобильный транспорт, сжигание угля и нефти, сталеплавильное производство. Вызывает удушье, поражает сердечно-сосудистую систему, нарушает работу кровеносной системы. 

F (ион фтора). Источники поступления в атмосферу: сталеплавильное производство. Высокие концентрации приводят к флюорозу (разрушению зубов у детей). 

НхСх (углеводороды). Источники поступления в атмосферу пары несгоревшего бензина. На солнечном свету вступает в реакцию с оксидами азота и образует фотохимический смог. 

НСНО (формальдегид). Источники поступления в атмосферу: автомобильный транспорт, химическое производство. Раздражает слизистые оболочки глаз и носа. 

НСl (хлористый водород). Источники поступления в атмосферу: мусоросжигающие заводы, химическое производство. Раздражает слизистые оболочки глаз и легкие. 

HF (фтористый водород). Источники поступления в атмосферу: заводы по производству минеральных удобрений, сталеплавильное производство. Раздражает кожу, глаза, слизистые оболочки. 

Hg (ртуть). Источники поступления в атмосферу: сжигание угля и нефти, сталеплавильное производство. Вызывает тремор (дрожание рук) и психические расстройства, врожденные дефекты. 

HNO3 (азотная кислота). Источник: реакции диоксида азота (NO2) в атмосфере. В высоких концентрациях приводит к возникновению кислотных дождей. Вызывает респираторные заболевания. 

HONO (азотистая кислота). Поступает в атмосферу в результате реакций между диоксидом азота(NO2) и парами воды. Вызывает респираторные заболевания. 

Н2S (сероводород). Источники поступления в атмосферу: нефтеперерабатывающие заводы, очистные сооружения, целлюлозно-бумажное производство. Вызывает тошноту, раздражает глаза. 

H2SO4 (серная кислота). Источник поступления в атмосферу: образуется на солнечном свету при реакции диоксида серы и гидроксил ионов(-OH). Вызывает респираторные заболевания. 

Mn (марганец). Источники поступления в атмосферу: металлургическое производство, электростанции. Воздействие на протяжении долгого времени может вызвать болезнь Паркинсона. 

Ni (никель). Источники поступления в атмосферу: сталеплавильное производство, сжигание нефти и газа. В высоких концентрациях может вызывать рак легких. 

NO (оксид азота). Источники поступления в атмосферу: автотранспорт, сжигание угля и нефти. Легко переходит в диоксид азота(NO2). 

NO2 (диоксид азота). Источник поступления в атмосферу: образуется на солнечном свету из NO. При этом в тропосфере образуется озон, который в нижних слоях атмосферы является загрязнителем. При попадании в верхние слои атмосферы стратосферу диоксид азота разрушает озоновый слой земли. Диоксид азота вызывает бронхит, понижает сопротивляемость организма к респираторным заболеваниям. 

ОН (радикал гидроксила). Источник поступления в атмосферу: образуется на солнечном свету при реакции углеводородов и оксидов азота. Вступает в реакции с другими газами и образует кислоты. 

О3 (озон). Источники поступления в атмосферу: образуется на солнечном свету при реакции оксидов азота и углеводородов. Раздражает слизистые глаз, обостряет астму. 

ПАН (гидронитрат пероксиацетила). Источники поступления в атмосферу: образуется на солнечном свету при реакции оксидов азота и углеводородов. Раздражает слизистые глаз, обостряет астму. 

Pb (свинец). Источники поступления в атмосферу: выхлопы автомобильного транспорта, сталеплавильное производство. Поражает головной мозг, вызывает высокое кровяное давление, замедляет рост. 

SiF4 (тетрофторид кремния). Источники поступления в атмосферу: химическое производство. Раздражает легкие. 

SO2 (диоксид серы). Источники поступления в атмосферу: сжигание нефти и угля, сталеплавильное производство. Диоксид серы является причиной кислотных дождей. Понижает сопротивляемость к респираторным заболеваниям, раздражает слизистые глаз.