Сохранение озонового слоя

Озоновому слою Земли посвящено сравнительно много публикаций: в одних утверждается, что озоновый слой исчезает быстро и необратимо и жить человечеству осталось недолго, а в других — авторитетное успокоение: озоновые дыры существовали всегда, и это нормальный естественный процесс, на который человечество никак повлиять не может. Так что же происходит на самом деле с атмосферным озоном?

Озон О₃ представляет собой едкий, слегка голубоватый газ. Его молекула состоит из трех атомов кислорода. Озон — одна из наиболее важных составляющих атмосферы Земли. С экологической точки зрения наиболее ценное его свойство — это способность поглощать опасное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца. С другой стороны, он сильнейший окислитель (попросту яд), способный отравлять ту самую флору и фауну, которую защищает, находясь в стратосфере. Отравляющее действие озона приносит пользу при очистке воды от болезнетворных организмов: озонирование воды — один из лучших способов ее очистки. Кроме того, озон обладает свойством

парникового газа, влияющего на изменение климата.

С точки зрения различных функций и свойств один и тот же по химическому составу озон можно условно разделить на «плохой» и «хороший». «Плохой» озон, входящий в состав фотохимического смога, поразившего многие крупные города, находится в приземном слое тропосферы и, достигнув определенных концентраций, представляет опасность для всего живого. Однако основная часть озона сосредоточена в стратосфере, расположенной над тропосферой на высоте 8 км над полюсами, 17 км над экватором и простирающийся вверх на высоту примерно 50 км. Это — «хороший» озон: он защищает все живое от опасного ультрафиолетового излучения.

Проблемы разрушения озонового слоя и образования городского смога часто обсуждаются в средствах массовой информации, и это дает повод полагать, что в атмосфере Земли содержится слишком много озона. Действительно, его может оказаться слишком много в тропосфере, где он наносит вред флоре и фауне, и слишком мало там, где он выполняет за щитную функцию. В целом же общее количество озона в атмосфере сравнительно мало: если его сжать до плотности воздуха у поверхности Земли, то получится слой толщиной примерно 3,5 мм. Концентрация озона в атмосфере зависит от географической широты, высоты, времени года, активности Солнца, техногенного воздействия и т.п. Естественные ее колебания могут достигать 25%. Распределение озона по высоте представлено, где концентрация дана в условных единицах, соответствую щих давлению в миллипаскалях (мПа). В стратосфере сосредоточено 90% всего озона, 10% — в тропосфере, частично в смоге. Больше всего озона находится на высоте 20—25 км, где его концентрация превышает 30 мПа, что соответствует примерно одной молекуле озона на 100 000 молекул воздуха.

В процессе развития жизни на Земле совершенно случайно оказалось, что озон, образовавшийся в древней земной атмосфере, и клетки живых организмов поглощают биологически опасное коротковолновое излучение Солнца в одном и том же диапазоне длин волн 230—290 нм. Опасное воздействие ультрафиолетового излучения на живую клетку заключается в том, что оно повреждает молекулы ДНК, поглощающие его сильнее, чем молекулы белков клетки. С формированием озонового слоя появилась, может быть, единственная возможность во Вселенной для развития большого разнообразия живых форм, включая человека. Поэтому весьма важно представлять механизмы образования и разрушения озона.

Основной источник озона в атмосфере — молекулярный кислород О₂, который под действием ультрафиолетового излучения распадается на атомы. Атомы кислорода О вступают в связь с молекулами О₂, образуя молекулы озона О₃. Атомарный кислород образуется на высоте выше 20 км при расщеплении молекулы кислорода ультрафиолетовым излучением с длиной волны не более 240 нм. В нижние слои атмосферы такое излучение не проникает, и здесь атомы кислорода образуются в основном при фотодиссоциации двуокиси азота под действием мягкого ультрафиолетового излучения с длиной волны более 300 нм (рис. 10.5).

Поскольку связь атома О с молекулой О₂ в озоне слабая, достаточно видимого света, чтобы молекула озона распалась на исходные составляющие. Если бы после образования озона можно было изолировать солнечное излучение, то озон сохранялся бы в атмосфере довольно долго. Так оно в действительности и происходит: накопленный за день в стратосфере озон за ночь не распадается.

Ускорению естественного распада озона способствует его взаимодействие с частицами, содержащими Cl, Br, NO, ОН, среди которых наиболее опасны хлор и бром и особенно хлор, входящий в состав различных видов фреонов. При взаимодействии атомов хлора с озоном образуется оксид хлора и кислород. Несмотря на то что скорость появления атомов хлора из фреонов в стратосфере в миллионы раз меньше скорости образования молекул озона при солнечном излучении, один атом хлора может разрушить сотни тысяч молекул озона. Происходит цепная реакция, включающая сотни тысяч звеньев. Этот механизм разрушения озона имеет антропогенный характер: фреоны стали производиться человеком во второй половине XX в. и широко использоваться в качестве хладагентов в холодильниках, пенообразующих агентов в огнетушителях, аэрозольных наполнителей, при химической очистке одежды, при производстве пено-пластов и т.п. Молекулы фреонов довольно устойчивы, плохо растворяются в воде и легко проходят тропосферу, достигая стратосферы, где сконцентрирован озон.

Наиболее яркое проявление антропогенного воздействия на озоновый слой Земли — это антарктическая озоновая дыра, в которой истощение озона составляет более 50%. После осознания последствий разрушения озонового слоя антропогенными источниками были сделаны важные шаги — приняты Венская конвенция (1985) и Монреальский протокол (1987), запрещающие производство озоноразрушающих веществ. Помере сокращения их производства в последнее время отмечается некоторая стабилизация в содержании озона в стратосфере и даже тенденция к его восстановлению. Расчеты показывают, что процесс восстановления озона будет происходить в течение всего текущего столетия. Ускорение этого процесса — еще один важный шаг в решении сложной проблемы сохранения озонового слоя.

ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И ИХ СОХРАНЕНИЕ

Необходимые для жизнедеятельности всего живого водные ресурсы — это соленая вода океанов и морей, пресная вода озер, рек и подземных источников. Гигантский объем воды сосредоточен в ледниках — около 30 млн. м³. Существенная доля водяных паров образуется при естественном испарении поверхностных вод.

Наша страна, как никакая другая, богата водными ресурсами. Но, к сожалению, многие озера заболачиваются, реки мелеют, а иногда совсем исчезают. Редко где можно встретить на озере либо реке прекрасную снежно-белую кувшинку — индикатор чистоты воды. Многие реки несут непомерную нагрузку. Можно было бы говорить обо всех реках, но остановимся на одной из них — Волге. Проблемы Волги — это проблемы не только всех рек и всей России, но и всей планеты в целом.

Сравнительно недавно, в середине XX в., за годы «великих строек» Волга, крупнейшая река Европы, превратилась в цепь каналов, шлюзов и водохранилищ. Теперь многие понимают, что такое превращение оборачивается серьезными бедствиями.

По данным Института литосферы РАН, большая часть волжского бассейна находится в критическом состоянии. Ежегодно в Волгу поступает более 300 млн. т минеральных веществ, 64 тыс. т фенола, более 100 тыс. т соединений железа, более 6 млн. т сульфата, свыше 10 млн. т хлоридов и т.д. В бассейн Волги в 1990 г. было сброшено 23,3 км³ сточных вод. Из них совершенно неочищенных — 1,9, мало очищенных — 9,6, так называемых нормативно очищенных, а на самом деле тоже недостаточно очищенных — 1,6 км³. Основная масса загрязненных вод, как ни странно, поступает через сети коммунального хозяйства, а на долю промышленных отходов приходится меньше половины. Сокращение объема пресноводного стока с завершением строительства Нижнекамского и Куйбышевского водохранилищ и загрязнение воды привели к тому, что за последние 35 лет годовой лов рыбы в Волго-Каспийском регионе снизился в восемь раз. Судака стало меньше в 24, леща в 4,5, сельди — в 16 раз. Рыба гибнет в основном из-за того, что количество фенола, ионов меди, цинка, нефтепродуктов и пестицидов в волжской воде в последние годы превышает допустимые нормы в десятки и сотни раз. А с конца 70-х годов XX в. резко повысилось содержание азота, фосфора и органических веществ.

Очевидно, если вода в Волге будет чистой, то и рыба в ней не переведется. Многие ли знают, что для рыб вода должна быть чище, чем питьевая? Воду, не пригодную для рыбы, люди в соответствии с установленными нормами пить могут. Мы должны стремиться к тому, чтобы на питьевую воду были установлены те же нормы, что и для рыб.

Каков же материальный ущерб, нанесенный Волге строительством целого комплекса ГЭС? Ежегодные потери из-за недополучения продукции при затоплении более 1 млн. га сельскохозяйственных земель оцениваются — в 16 млрд. долл. и из-за потери рыбных запасов — в 4—6 млрд. долл. Если учесть эти потери, то по себестоимости электроэнергии действующие ГЭС станут невыгодными по сравнению, например, даже с ТЭЦ. Но остановить их работу, одновременно и сразу спустить воду невозможно — энергия нужна всем. Значит, надо искать способы реконструировать ГЭС таким образом, чтобы они наносили минимальный ущерб природе.

Загрязняются и подвергаются воздействию не только воды рек, но и грунтовые воды прежде всего различными видами отходов. Применяемые в течение длительного времени способы захоронения бытовых и промышленных отходов основывались на том, что миграция отходов маловероятна и что со временем содержащиеся в них соединения окисляются, гидролизуются или перерабатываются бактериями в безвредные продукты. Однако результаты исследований показали, что некоторые виды отходов слабо разлагаются и способны мигрировать, а часть их перерабатывается бактериями не в безвредные, а в токсичные вещества. Загрязняющие вещества от различных источников могут распространяться в поверхностных слоях земной коры на большие расстояния от источников загрязнения и проникать в водоносные пласты.

Вынужденное захоронение всех видов отходов в грунте требует предварительных и сопутствующих физических, химических и биологических исследований, результаты которых позволят представить реальную картину миграции составляющих отходы соединений, а также процесс их разложения.

За последние десятилетия резко возрос объем антропогенных, в том числе и пластмассовых отходов, засоряющих не только огромные площади суши, но и моря, и океаны. Пластмассы разрушаются очень медленно — некоторые из них в течение нескольких десятков лет. Но все же усилиями химиков выход найден—синтезированы пластики с особой структурой и свойствами, отходы от которых наносят минимальный ущерб окружающей среде. В такие пластики внедряются светочувствительные молекулярные группы, способные поглощать солнечное излучение, приводящее к расщеплению полимера.

Существует несколько способов сохранения водных ресурсов:

• оптимальная комбинация химической и биологической очистки сточных вод;

• применение дополнительных средств очистки сточных вод, содержащих особо стойкие вещества;

• внедрение озонирования воды для ее обеззараживания;

• окисление загрязняющих веществ при высокой температуре и высоком давлении;

• высокотемпературное сжигание отходов и обработка их адсорбентами и ионообменными смолами;

• циклическое применение воды при теплоотводе от различных механизмов и агрегатов;

• возвращение в производственный цикл ценных веществ, например металлов, вызывающих загрязнение почвы и воды;

• создание быстроразлагающихся заменителей пестицидов, широко применяемых как средство борьбы с болезнями и вредителями растений.

Успешное решение проблемы сохранения окружающей среды, в том числе водных ресурсов, зависит не только от ученых, специально занимающихся данной проблемой и предлагающих эффективные методы очистки воды, но и от всех людей, бережно относящихся к природе, в том числе и к водным ресурсам.