Мониторинг озонового слоя Земли

 

         Основное воздействие УФ-излучения  на живую клетку связано с повреждением молекул ДНК. Это объясняется ролью ДНК в жизнедеятельности клетки, а также тем, что нуклеиновые кислоты поглощают УФ-излучение гораздо сильнее, чем молекулы белков, образующих клетку.

 

          Наиболее эффективно УФ-излучение  поглощается циклическими структурами азотистых оснований, соединяющих в ДНК группировки сахара-дезоксирибозы и фосфорной кислоты. На рис.3 на примере молекулы тимина показано, что при этом происходит (источник - В.А.Барабой, Солнечный луч, "Наука", М. 1976). Две молекулы тимина, участвующие в реакции, принадлежат соседним нитям молекулы ДНК. При поглощении кванта света молекулой тимина в одной из нитей спирали ДНК двойная связь между 5 и 6 атомами углерода в кольце разрывается, и образуются две свободных валентности. Если вблизи от этого места то же самое происходит и в соседней нитке спирали, то образовавшиеся связи могут замкнуться, прочно соединив нити, что ведёт к задержке роста и деления, потере генетического кода клетки и, в конце концов, к её гибели.

 

Нужно подчеркнуть, что эта реакция, при всей своей обыденности, совершенно особенная. Действительно, стоит только представить, что связь между 5 и 6-м атомами углерода в тимине, которая разрывается при поглощении кванта света, была бы чуть слабее, а сечение поглощения света было бы чуть больше, как станет ясно, что описанный процесс мог бы происходить и при больших длинах волн, которые не "защищаются" озоновым слоем, а, следовательно, жизнь не смогла бы появиться на земной поверхности ни 400 миллионов лет тому назад, ни позднее и была бы обречена на исключительно подводное существование. Пришлось бы далее развиваться под водой.     

 

Из сказанного выше отметим  два важных момента:

1.     Совершенно  случайно оказалось, что появляющийся  в древней земной атмосфере  озон и развивающиеся в это время в мировом океане клетки живых организмов поглощают биологически опасное коротковолновое излучение Солнца в одном и том же диапазоне длин волн 230-290 нм.

 

2.      Это  позволило при образовании достаточно  плотного слоя озона в атмосфере шагнуть жизни на сушу и начать ту уникальную, может быть единственную во вселенной ветвь эволюции, которая привела к колоссальному разнообразию живых форм и появлению человека.

 

Короче говоря, наше появление  на Земле было делом случая.

 

Но раз уж нам так повезло с озоном, имеет смысл разобраться, каким образом природа создала и сохраняет озоновый слой, и как человек может этому помешать. 

 

Практически единственным источником озона в атмосфере  является фотодиссоциация молекулярного  кислорода на атомы с последующим быстрым прилипанием атома к молекуле O2 с образованием молекулы озона:  

 

O2 + hn ® O + O, l Ј 242 нм;    (1)                         

 

O + O2 + M ® O3 + M,                  (2)

 

(здесь М - любая  молекула воздуха).              

 

      Этот процесс происходит на высотах более 30 км, поскольку ниже этой высоты (как это показано на рис.2) ,коротковолновое солнечное излучение не проникает. В результате довольно высоко в атмосфере появляются молекулы озона и атомы кислорода.     

 

 

            Гибель атмосферного озона происходит в результате следующих процессов:          

 

O3 + hn ® O + O2,                              (3)     

 

O + O3 ® O2 + O2.                              (4)          

 

Таким образом, образовавшиеся когда-то из молекул кислорода атомы вновь соединяются в молекулу. Заметим только, что для того чтобы "развалить" молекулу озона, коротковолновое излучение не нужно. Связь атома О с молекулой О2, в озоне очень слабая, поэтому даже при облучении видимым светом молекула озона будет фотодиссоциировать на исходные составляющие.

 

Отметим также, что реакция (3) является основным поставщиком атомов кислорода; её скорость на всех высотах  тропосферы и стратосферы на три  и более порядков выше скорости реакции (1).              

 

Приведенный выше механизм был предложен в начале 1930-х годов английским геофизиком Чепменом и явился первой попыткой объяснить образование озонового слоя в атмосфере.

 

Из приведенной схемы видно, что если бы после образования  озона можно было "выключить" Солнце, то накопленный озон сохранялся бы в атмосфере.

 

Так оно в действительности и  происходит: накопленный за день в  стратосфере озон ночью сохраняется  на дневном уровне. Аналогичный механизм действует и в течение всего  года. Он заключается в том, что  образующийся в тропической стратосфере (где высок уровень коротковолнового УФ-излучения) озон процессами глобальной циркуляции переносится к полюсам, где в течение полярной ночи происходит его накопление. В результате во все сезоны больше всего озона находится в высоких широтах (особую роль антарктической и арктической весенних озоновых дыр мы обсудим ниже). Глобальный сезонный ход распределения общего содержания озона на всех широтах имеет максимум весной, что объясняется накоплением озона в зимний период.

 

 К сказанному выше по поводу Чепменовского механизма образования атмосферного озона нужно добавить следующее.

 

Помимо реакции (4) к гибели озона  приводят и реакции (5) и (6): 

 

O3 + O3 ® O2 + O2 + O2,           (5)

 

O + O + M ® O2 + M,                  (6)

 

хотя в последнем  случае реагируют не молекулы озона, а атомы кислорода. Последнее  обстоятельство объясняется тем, что  атомы кислорода и молекулы озона  образуют в атмосфере жёстко связанную  систему частиц, называемую нечётным кислородом, в которой атомы O и молекулы О3 формально неразличимы. Действительно, как это показано на рис.4 после образования молекулы озона и до её гибели через 0,6 года (на высоте 30 км) происходят быстрые взаимные превращения между O3 и O, в которых частицы нечётного кислорода, Ox = O3 + O, сохраняются.                   

 

            Реакция (4) является основным  и единственным процессом гибели  молекул озона, в которой погибают  две частицы нечётного кислорода  - и молекула озона, и атом  кислорода. Выбор истинной реакции  гибели озона чрезвычайно важен. Ведь формально можно принять, что реакция О3 + hn ® О2 + О - тоже приводит к гибели озона. Однако в этом случае время жизни молекул озона на высоте 30 км было бы 0,5 часа, а на высоте 15 км - двое суток и перенос озона из тропиков к полюсам (который требует месяцев) был бы невозможен. Только приняв, что озон (и атомарный кислород) погибают в реакции (4), можно правильно оценить и равновесную концентрацию озона и атомов кислорода, а также атмосферное время жизни этих частиц. Подчеркнём также, что поскольку в нашей концепции О3 и О рассматриваются как одна и та же частица Ох, постольку и атмосферные времена жизни этих частиц одинаковы. Другими словами, если на высоте 30 км молекула озона живёт 0,6 года, то столько же живёт и атом кислорода.

 

Важность выбора реакции (4) как основного стока нечётного  кислорода усиливается ещё и  тем обстоятельством, что действие всех других естественных и антропогенных  компонент, разрушающих озон, обусловлено  исключительно ускорением этой реакции.

 

  Это ускорение связано с появлением более быстрых параллельных путей основной реакции гибели нечётного кислорода:

 

O3 + 2X ® 2XO + 2O ® O2,

 

где X = OH, NO, Cl, Br и др.         

 

Чрезвычайно важной особенностью реакций с участием частиц X является цепной характер этих процессов. В простейшем случае этот механизм включает следующие стадии:

 

 

 

 

 

 

 Образование химически активных частиц Х, ведущих цепь.

 

  Продолжение цепи               

 

X + O3 ® XO +  O2     

 

XO + O ® X + O2                                  Результат: O3 + O ® O2 + O2                

 

 

                      Гибель частиц Х.              

 

Заметим, что на стадии 2 частицы Х сохраняются (что и  позволяет продолжать процесс), а  молекулы нечётного кислорода погибают. Отношение скорости продолжения цепи к скорости гибели частиц Х определяет длину цепи процесса и число разрушенных частиц нечётного кислорода (или, попросту говоря, молекул озона, поскольку в сумме О3 + О = Ох молекул озона гораздо больше, чем атомов О).

 

Из приведенного набора частиц Х, разрушающих озон, антропогенные факторы к настоящему времени смогли повлиять только на атмосферное содержание компонент, связанных с хлором и бромом. Но и этого оказалось достаточным, чтобы вызвать всеобщую тревогу, поскольку описанный цепной процесс может протекать с чрезвычайно высокой эффективностью, особенно для окислов азота и атомов галоидов. В этом случае длина цепи достигает сотен тысяч. Это означает, что один атом хлора, появившийся в стратосфере из одной молекулы фреона, может разрушить сотни тысяч молекул озона (!).

 

            Только наличие такого мощного  естественного химического ускорителя  позволило антропогенным факторам  оказать влияние на атмосферный  озон, несмотря на то, что, например, скорость появления атомов хлора  из фреонов в стратосфере в миллионы раз меньше скорости образования молекул озона солнечным светом. Подчеркнём здесь, что цепной механизм разрушения стратосферного озона является уникальной особенностью озонового слоя, не имеющей аналогов в газофазной химии атмосферы. Правда, эта уникальность сделала озоновый слой чрезвычайно чувствительным по отношению к антропогенным  воздействиям. В результате человек чуть не разрушил то, благодаря чему он появился на Земле.

 

 

 

 

4. Причины ослабления озонового щита

Озоновый  слой защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Обнаружено, что в течение многих лет озоновый слой претерпевает небольшое, но постоянное ослабление над некоторыми районами Земного шара, включая густо населенные районы в средних широтах Северного полушария. Над Антарктикой обнаружена обширная "озоновая дыра".

Разрушение  озона происходит из-за воздействия  ультрафиолетовой радиации, космических  лучей, некоторых газов: соединений азота, хлора и брома, фторхлоруглеродов (фреонов). Деятельность человека, приводящая к разрушению озонового слоя, вызывает наибольшую тревогу. Поэтому многие страны подписали международное соглашение, предусматривающее сокращение производства озоно-разрушающих веществ.

Предполагается  множество причин ослабления озонового щита.

 Во-первых, – это запуски космических  ракет. Сгорающее топливо «выжигает»  в озоновом слое большие дыры. Когда-то предполагалось, что эти  «дыры» затягиваются. Оказалось,  нет. Они существуют довольно  долго.

 Во-вторых, самолеты. Особенно, летящие на высотах в 12-15 км. Выбрасываемый ими пар и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время самолеты, летающие ниже 12 км.  Дают прибавку озона. В городах он – один из составляющих фотохимического смога. В третьих, это хлор и его соединения с кислородом. Огромное количество (до 700 тысяч тонн) этого газа поступает в атмосферу, прежде всего от разложения фреонов. Фреоны – это не вступающие у поверхности Земли, ни в какие химические реакции газы, кипящие при комнатной температуре, а потому  резко увеличивающие свой объем, что делает их хорошими распылителями. Поскольку при их расширении снижается их температура, фреоны широко используют в холодильной промышленности.

Каждый год количество фреонов в земной атмосфере увеличивается  на 8-9%. Они постепенно поднимаются наверх, в стратосферу и под воздействием солнечных лучей становятся активными – вступают в фотохимические реакции, выделяя атомарный хлор. Каждая частица хлора способна разрушить сотни и тысячи молекул озона.

9 февраля  2004 года на сайте Института Земли НАСА появилась новость о том, что учёные Гарвардского Университета нашли молекулу, разрушающую озон. Учёные назвали эту молекулу "димер одноокиси хлора", потому что она составлена из двух молекул одноокиси хлора. Димер существует только в особенно холодной стратосфере над полярными регионами, когда уровни одноокиси хлора относительно высоки. Эта молекула происходит из хлорфторуглеродов. Димер вызывает разрушение озона, поглощая солнечный свет и распадаясь на два атома хлора и молекулу кислорода. Свободные атомы хлора начинают взаимодействовать с молекулами озона, приводя к уменьшению его количества.

 

5. Озоновый  щит против парникового эффекта.

 

5.1. Климат

 

ОКОЛО ста лет назад шведский ученый Аррениус предположил, что рост  сжигания ископаемого топлива вызовет увеличение содержания  углекислого  газа  СО2  в атмосфере. Это усилит парниковый эффект,  и  произойдет  сильное  потепление климата. Данный  прогноз  в  той  его  части,  что  касается  климата,  пока работает слабо. Однако научное и  практическое  обслуживание  этой  гипотезы развилось  практически  в  самостоятельную  отрасль.   Во   многих   странах принимаются меры по ограничению эмиссии СО2. На этом фоне проблема  спасения разрушающегося озонового слоя выглядит пасынком. Не странно ли это?

 

 

5.2. Так ли всесилен  парниковый эффект?

 

      Когда в апрельские  холода 1997 г. в Москве  людей   удивляли  сводки  о

жаре на юге Сибири, в газетах  проскочило сообщение, что это является  частью новых завоеваний всемогущего  парникового  эффекта.  Да,  да,  именно  того,

созданного  людьми  явления,  которое  стало  угрожать   цивилизации   после превращения атмосферы Земли в "свалку" газообразных и аэрозольных отходов.   Экологическим врагом номер один  для цивилизации объявлен  излишек углекислого газа. Сжигая ископаемое топливо и сводя леса,  люди  увеличивают его содержание в атмосфере. И эта прибавка  разогревает  Землю  больше,  чем все прочие парниковые газы, такие, как метан, окись  азота,  фреоны.  Такова официальная версия  Всемирной  метеорологической  организации,  поддержанная ООН и ее специализированными организациями.

      В 1988 г. из-за  засухи и жары урожай зерновых  в США впервые в  истории оказался  ниже  уровня  потребления.  Засушливое  лето  и  снижение   урожая отмечались в странах-производителях зерна  и  в  предшествовавший  год.  Эти события,  видимо,  добавили  уверенности  сторонникам  идеи   антропогенного перегрева Земли. В 1992 г. на Международной конференции  ООН  по  окружающей среде в Рио-де-Жанейро борьба с потеплением климата объявлена одним из  трех главнейших приоритетов;  в  1994  г.  Россия,  вслед  за  многими  развитыми