Разрушениие озонового слоя

     В 1974 г. пропелленты из ХФУ использовали в 300 видах аэрозольных упаковок, применявшихся для косметических товаров, парфюмерии, дезодорантов, средств для мытья окон, освежителей воздуха, инсектицидов, смазок, средств для очистки от смазки, упаковки для продуктов, различных средств по уходу за автомобилем, ветеринарных препаратов. Ежегодное производство ХФУ во всем мире к 1974 г. составило почти 1 млн т.

     Примером  «легкомысленного» использования  ХФУ американцы считали изготовление упаковок из пенопластов для хранения горячих гамбургеров компании «Макдоналдс». Начиная с 1976 г. эти упаковки из пенопласта стали вытеснять картонные, при этом также руководствовались экологическими соображениями, считая, что пенопласт меньше воздействует на окружающую среду, чем картон — в смысле потребления природного сырья, воды и энергии на его производство. Тогда еще вопрос разрушения озона не стоял так остро, но уже в 1987 г. «биг-мак» стал своего рода символом загрязнения среды хлорфторуглеродами. Хотя использование ХФУ в производстве упаковок продовольствия составляло менее 2% общего его потребления в США, проводимая кампания против использования ХФУ в продуктовых упаковках способствовала повышению общественного сознания в отношении угрозы озоновому слою.

     Каким же образом эти вещества распространяются в атмосфере и разрушают озоновый слой?

     Высокая химическая устойчивость фреонов и  плохая растворимость их в воде (они  не вымываются дождем) позволяют этим веществам высоко подниматься в  атмосфере. Оказавшись вблизи поверхности  Земли, фреоны беспрепятственно проходят тропосферу, т. е. первые 10—15 км воздушного пространства, и оказываются в  стратосфере, где сосредоточено 90% атмосферного озона. Путь в стратосферу непрямой, поскольку фреоны, как и все  другие соединения, могут попасть  в стратосферу с поверхности  Земли только с тропическими конвективными  потоками. До тропиков вещества переносятся  приблизительно месяц. Движение вверх  по тропосфере до высоты 10—15 км за счет конвекции занимает несколько суток, иногда несколько часов. Но чтобы оказаться на высоте 35 км, веществам требуется 15 лет. Отсюда следует, что влияние на озоновый слой могут оказать только такие вещества, время жизни которых в атмосфере превышает несколько десятков лет. Именно такими веществами являются фреоны. Время их жизни составляет 50 и более лет. По оценкам Роуленда и Молины, хлорфторуглеродам нужно от 50 до 100 лет, чтобы накопиться в стратосфере. 

     Рис. 4. Изменение по высоте концентрации озона (выражено через его парциальное давление):

     1 - фреоны высвобождаются человеком; 2 — фреоны разрушаются только в стратосфере; 3 — атом хлора разрушает озон; 4 — более тонкий озоновый слой пропускает больше УФ-излучения; 5 — увеличенное количество УФ опасно для живых организмов. 

     О количестве озона судят по его  давлению (см. на оси абсцисс —  Р, мПа), пик содержания озона соответствует высоте 20—25 км. Здесь же приведена схема разрушения озона фреонами. Из аэрозольного баллончика фтортрихлорметан CFC1₃ (CFC-11) поднимается в стратосферу. На высоте более 30 км фреон разрушается солнечным УФ-излучением с образованием атомов хлора, которые посредством цепных реакций разрушают стратосферный озон.

     2.2.Экологические последствия разрушения озонового слоя. Защитная роль озонового слоя объясняется тем, что озон поглощает коротковолновое солнечное УФ-излучение совершенно в том же диапазоне длин волн, что и молекулы живых клеток. В результате биологически опасное УФ-излучение поглощается в атмосфере, не достигая поверхности Земли.

     Солнечное излучение с длиной волны меньше 200 нм хорошо поглощается молекулами кислорода, поэтому такое излучение  не распространяется даже до нижних слоев  стратосферы. Излучение с длиной волны от 200 до 320 нм поглощается озоном, а больше 320 нм — уже доходит  до поверхности Земли.

     В ходе эволюции Земли живые существа смогли выйти из морей (также поглощающих  УФ-излучение) на сушу только тогда, когда над Землей возникла первая озоновая оболочка. Растительность на суше появилась лишь чуть более 400 млн лет тому назад, когда содержание кислорода составило примерно 0,5, а озона — 0,7 современного уровня, что оказалось достаточным, чтобы защитить живые клетки от коротковолнового солнечного излучения. До этого момента жизнь развивалась исключительно в водной среде, которая и обеспечивала соответствующую защиту вместо озонового слоя. Таким образом, стратосферный озоновый слой следует рассматривать как необходимое условие существования на суше всего живого.

     В 1970-х гг. было установлено, что озоновый слой истощается, следовательно, он перестает  в полной мере выполнять свою защитную функцию. Уменьшение содержания озона  позволяет большему количеству УФ-лучей достигать поверхности Земли, что является вредным для живых организмов. Рассмотрим возможные экологические последствия разрушения озонового слоя.

     Потеря  озона в стратосфере с одновременным  увеличением его в тропосфере может привести к изменению климата. Разрушение озона вызывает снижение температуры в стратосфере и разогревание тропосферы, так как все большее количество УФ-лучей проникает в нее. Вспомним также, что О₃ относится к парниковым газам и его образование в тропосфере происходит при загрязнении ее оксидами азота и углеводородами, что ведет к повышению температуры. Кроме того, хлорфторуглероды, являясь парниковыми газами, также поглощают ИК-излучение и тем самым участвуют в создании парникового эффекта. Таким образом, перераспределение озона между тропосферой и стратосферой будет сопровождаться климатическими изменениями.

     Усиление  УФ-облучения оказывает вредное воздействие на здоровье человека. Имеется много данных о связи солнечного света мрака кожи. Известно, что даже при небольшом повышении дозы УФ-облучения у человека появляются ожоги на коже. Солнечная радиация способствует также старению кожи. Усиление УФ-облучения вызывает увеличение заболеваемости раком кожи. За последнее десятилетие XX в. частота таких заболеваний у жителей США и Европы возросла в несколько раз. Это связано не только с увеличением доли УФ-облучения, но и с изменением образа жизни людей, которые стали больше времени проводить на солнце.

     Частота образования двух наиболее часто  встречающихся форм рака кожи, а  именно базальноклеточной и плоскоклеточной  карциномы, особенно тесно связана  с действием УФ-Б (т. е. действием  световых волн с длиной волны 290—320 нм). Люди со светлой кожей гораздо  больше предрасположены к заболеванию  этими формами, так как пигменты в темной коже способствуют задержке УФ-лучей. Однако у жителей тропических стран, большинство из которых имеет темную кожу, рак встречается чаще. Это, видимо, объясняется тем, что они подвергаются более сильному и более длительному УФ-облучению. Заболевания этими формами рака на юге встречаются в 2,5 раза чаще, чем на севере. Рак кожи, вызванный ультрафиолетом, в большинстве случаев излечим. Базальноклеточный и плоскоклеточный рак редко ме-тастазирует в другие области тела.

     Ученые  полагают, что уменьшение озонового  слоя на 1% приводит к 2%-му усилению УФ-радиации и к 2—5%-му увеличению числа случаев рака кожи.

     Третий  тип рака кожи — меланома — менее  распространен, и он не так тесно  связан с воздействием солнечного света. Тем не менее, частота меланомы на юге на 75% выше, чем на севере.

     Ультрафиолетовые  лучи оказывают также вредное  действие на глаза, в том числе  на роговую оболочку, приводя к  катарактам и старческому ослаблению зрения.

     Биологическое действие УФ-радиации обусловлено высокой чувствительностью нуклеиновых кислот, которые могут разрушаться, что приводит к гибели клеток или возникновению мутаций. Сильное УФ-облучение способно повредить молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) — основного хромосомного материала, передающего генетическую информацию.

     Воздействие УФ-излучения на живую клетку преимущественно связано именно с повреждением ДНК. Нуклеиновые кислоты, образующие молекулы ДНК, поглощают УФ-излучение гораздо сильнее, чем молекулы белков, образующих клетку. Максимум поглощения УФ-излучения (254 нм) для озонового слоя очень близок к таковому для ДНК (260 нм).

     Наиболее  эффективно УФ-излучение поглощается циклическими структурами азотистых оснований, соединяющих в ДНК группировки сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. При поглощении кванта света (hv) происходит разрыв двойной связи в тимине с образованием двух свободных валентностей. Если вблизи от этого места то же самое происходит и в соседней спирали, то они могут замкнуться, что ведет к потере генетического кода клетки, задержке роста и деления и в конце концов к ее гибели.

     УФ-облучение вызывает ослабление иммунной системы человека. Полагают, что заболевания типа герпеса и тропической лихорадки вызваны УФ-облучением. Изменение в иммунной системе может повлиять на число случаев некоторых инфекционных заболеваний.

     Возросшее УФ-излучение оказывает вредное воздействие на растения и животных. Облучение ультрафиолетом приводит к уменьшению площади поверхности листьев, высоты растений и интенсивности фотосинтеза. Различные сельскохозяйственные растения неодинаково реагируют на усиление УФ-облучения. Испытания на злаках показали, что у ²/₃ ^{из них} снижается урожайность. Разрушение озонового слоя на 1% уменьшает урожайность соевых бобов на 1%. УФ-облучение ухудшает качество семян и понижает сопротивляемость вида к вредителям и болезням, оно влияет также на глубину укоренения растений и способствует тому, что сорняки отнимают у культурных растений воду и питательные вещества. Менее изучено влияние УФ-облучения на развитие дикорастущих наземных сообществ растений, дающих миру примерно 90% первичной (растительной) продукции.

     Усиление  УФ-облучения нанесет вред обитателям водных экосистем. Эксперименты показали, что облучение вредно для мальков рыб и другой водоплавающей молоди и тем самым существенно влияет на пищевую цепь водоемов.

     Одноклеточные и микроорганизмы подвержены опасности  в большей степени, чем крупные  живые организмы, потому что УФ-облучение проникает только в поверхностные слои клеток. Так, 5%-ое увеличение УФ-радиации может наполовину сократить время жизни некоторых микроорганизмов.

     В период весенних потерь озона в Антарктике ученые изучали влияние УФ-облучения на морские микроорганизмы. Было установлено, что с возрастанием УФ-облучения падает продуктивность фитопланктона — микроскопических растений, которые являются начальным звеном в пищевых цепях океана.

     Согласно  полученным оценкам 25%-ая потеря озона  может вызвать 35%-ое уменьшение количества фитопланктона. Такой эффект будет  иметь катастрофические последствия  для мирового рыболовства.

     Хотя  УФ-излучение проникает вглубь океана только на несколько метров, но это тот самый слой, где живет большая часть морских микроорганизмов. Небольшие плавучие растения и животные очень чувствительны к УФ-радиации, они же являются основой большинства пищевых цепей в океане. Вот почему увеличение УФ-излучения может нанести значительный ущерб многим живым организмам океана.

     Результатом разрушения озонового слоя может  быть нарушение равновесия не только в водных, но и в наземных экосистемах. Известно, что у одних живых  организмов механизмы защиты от УФ-излучения развиты лучше, чем у других. Поэтому может произойти уменьшение численности одних популяций и увеличение других.

     В заключение следует отметить, что  УФ-облучение оказывает воздействие и на строительные материалы. Усиление ультрафиолета приводит к более быстрому выцветанию красок и растрескиванию полимерных материалов, на восстановление которых потребуются дополнительные финансовые расходы. А это уже экономический ущерб.

     Меры  защиты озонового слоя. Итак, разрушение озонового слоя грозит изменением климата, вредным воздействием на здоровье человека (рак кожи, катаракта, нарушение иммунной системы, возрастание опасности инфекционных заболеваний), а также негативно влияет на многие растения и животных (падение урожайности сельскохозяйственных культур, гибель некоторых микроорганизмов) и даже на строительные материалы.

     Как же спасти, защитить озоновый слой Земли, чтобы избежать таких экологических  последствий?

     Еще в 1970-е гг. американские ученые Ш. Роуленд и М. Молина ставили вопрос перед промышленниками и политиками об отказе от производства и применения ХФУ в тех случаях, где это не продиктовано особой необходимостью.