При исследовании почвы рН является одной из наиболее
реклама
Лекция 6 1 Некоторые другие абиотические факторы Немного остановимся еще на некоторых абиотических экологических факторах. Из того, что мы будем говорить о них сравнительно немного, следует, главным образом, лишь то, что их значение для живых организмов изучено хуже, чем для тех факторов, которые мы обсуждали на предыдущих лекциях. Но «хуже» не означает, что и говорить об этих факторах придется меньше. Наоборот, как мы сейчас увидим, иногда вокруг этих факторов разворачиваются многолетние ожесточенные споры, если не сказать баталии. После обсуждения ионизирующих излучений (радиации), проиллюстрируем это на двух совсем различных, казалось бы, группах факторах – коротковолновом электромагнитном излучении и газовом составе земной атмосферы. Коротковолновое электромагнитное излучение и корпускулярные ионизирующие излучения. Под общем названием «коротковолновое электромагнитное излучение» я объединю ультрафиолетовую, рентгеновскую и гамма-части спектра электромагнитных волн. О рентгеновском и гамма-излучении обычно говорят вместе с корпускулярными альфа- и бета- излучениями как об ионизирующих излучениях. В естественных условиях с ионизирующими излучениями живым организмам приходится иметь дело постоянно, но высоких уровней достигают редко. К сожалению, благодаря таким «достижениям» нашей цивилизации, как Хиросима и Чернобыль, а также более мелкие выбросы радиоактивных веществ, актуальность этих факторов для биосферы существенно возросла за последние несколько десятков лет. Общими свойствами ионизирующих излучений является способность выбивать электроны из одних атомов и присоединять их к другим, вызывая ионизацию облучаемых веществ. Считается, что именно ионизирующий эффект вызывает основные повреждения цитоплазмы живых клеток, а также нуклеиновых кислот, находящихся в их ядрах. С последним эффектом связывают мутагенные и канцерогенные свойства ионизирующих излучений. Повреждение клеток организма ионизирующими излучениями может приводить к т. н. лучевой болезни. Медики применительно к человеку различают острую и хроническую лучевую болезнь. Острая лучевая болезнь развивается в результате гибели преимущественно делящихся клеток организма под влиянием кратковременного (до нескольких суток) воздействия на значительные области тела ионизирующей радиации. Лучевая болезнь – это завершающий этап в цепи процессов, развивающихся в результате воздействия больших доз ионизирующего излучения на ткани, клетки и жидкие среды организма. Изменения на молекулярном уровне и образование химически активных Лекция 6 2 соединений в тканях и жидких средах организма ведут к появлению в крови продуктов патологического обмена – токсинов, но главное – это гибель клеток. Симптомы и течение весьма разнообразны, зависят от дозы облучения и сроков, прошедших после облучения. Лучевая болезнь проявляется в изменении функций нервной, эндокринной систем, нарушении регуляции деятельности других систем организма. И все это в сочетании с клеточно-тканевыми поражениями. Повреждающее действие ионизирующих излучений особенно сказывается на клетках кроветворной ткани костного мозга, на тканях кишечника. Угнетается иммунитет, это приводит к развитию инфекционных осложнений, интоксикации, кровоизлияниям в различные органы и ткани. Хроническая лучевая болезнь вызывается повторными облучениями организма в малых дозах. При хронической лучевой болезни преобладает астенический синдром (слабость, утомляемость, снижение работоспособности, повышенная раздражительность) и угнетение кроветворения (снижение в крови числа лейкоцитов, тромбоцитов, анемия). Часто на этом фоне возникают разнообразные опухоли (рак, лейкозы и др.). Проникающая способность ионизирующих излучений зависит от их вида. Так, альфа-излучение, представляющее собой потоки относительно тяжелых ядер гелия, обладает относительно слабой проникающей способностью, его может остановить тонкий лист бумаги или верхний ороговевший слой кожи человека. Однако оно способно вызвать локальную сильную ионизацию. Бета-излучение – потоки быстрых электронов или позитронов – может проникать в ткани на глубину нескольких сантиметров. Коротковолновые электромагнитные ионизирующие излучения – гамма- (длина волны менее 0,1 нм) и рентгеновское (от 1 нм до 0,01 нм) – обладают значительно большей проникающей способностью. Область рентгеновских и гамма-лучей частично перекрывается, и различать эти волны можно не по свойствам, а по происхождению. Кроме собственно ионизирующих излучений, следует упомянуть нейтроны, не вызывающие ионизации непосредственно, однако способные взаимодействовать с ядрами различных атомов, превращая их в радиоактивные изотопы. Частично ионизирующие излучения приходят к нам из космоса, однако бóльшая их часть поглощается внешними слоями атмосферы, и гораздо большую актуальность для живых организмов имеет излучение радиоактивных компонентов горных пород. Вместе, эти две группы излучений создают естественный радиоактивный фон, к которому и приспособлены живые организмы. Величина фонового излучения в различных местностях, главным образом в зависимости от состава горных пород, может различаться в несколько раз. Чем выше высота над уровнем моря, тем больше вклад в фон Лекция 6 3 космического излучения. Если говорить о содержании радионуклидов в горных породах, то обычно в осадочных породах оно меньше чем в гранитах. Для оценки радиоактивного излучения используется несколько показателей. Мерой радиоактивности радионуклида в соответствии с системой измерений СИ, является его активность, которая измеряется в Беккерелях (Бк). Один Бк равен 1 ядерному превращению в секунду. Кроме того, в качестве меры радиоактивности широко используется несистемная величина Кюри (Ки) и ее производные (милликюри, микрокюри и т.д.). Численно 1 Кюри = 3.7*1010 Бк, а 1 Бк = 0.027нКи (наноКюри). Содержание активности в единице массы вещества характеризуется удельной активностью, которая измеряется в Бк/кг (л). Мерой воздействия рентгеновского и гамма-излучения является экспозиционная доза и измеряется она в Рентгенах (Р) и его производных (млР, мкР), а количественную сторону его характеризует мощность экспозиционной дозы, которая измеряется в Рентгенах/сек (Р/сек.) и его производных (млР/час, мкР/час, мкР/сек). Рентген – это доза рентгеновского или гамма-излучения в воздухе, при которой на 0.001293 г воздуха образуются ионы с суммарным зарядом в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака. Количество альфа- и бета-излучения определяется как величина плотности потока частиц с единицы площади, в единицу времени a-частиц*мин/см2, b-частиц*мин/см2. Поглощенная доза - количество энергии ионизирующего излучения которое поглощено в элементарном объеме, отнесенной к массе вещества в этом объеме. Единица поглощенной дозы – рад и его дольные значения, 1 рад = 0,01 Дж/кг. Единица поглощенной дозы в системе СИ – грей, Гр, 1Гр=100рад=1Дж/кг-1 Эквивалентная доза – она равна произведению поглощенной дозы на средний коэффициент качества ионизирующего излучения (Например: коэффициент качества гамма-излучения составляет 1, а альфа-излучения – 20). Единица измерения эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена) и его дольные единицы: миллибэр (мбэр) микробэр ( мкбэр) и т.д., 1 бэр = 0,01 Дж/кг-1. Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ – зиверт, Зв, 1Зв=1Дж/кг-1= 100 бэр. 1 мбэр = 1*10-3 бэр; 1 мкбэр = 1*10-6 бэр; Из всех природных радионуклидов наибольшую опасность для здоровья человека представляют продукты распада природного урана (U-238) - радий (Ra-226) и радиоактивный газ радон (Ra-222). Основными поставщиками радия-226 в окружающую Лекция 6 4 природную среду являются предприятия занимающиеся добычей и переработкой различных ископаемых материалов: добыча и переработка урановых руд; добыча нефти и газа; угольная промышленность; промышленность строительных материалов; предприятия энергетической промышленности и др. Радий-226 хорошо поддается выщелачиванию из минералов содержащих уран, этим его свойством объясняется наличие значительных количеств радия в некоторых видах подземных вод (радоновых, применяемых в медицинской практике), в шахтных водах. Диапазон содержания радия в подземных водах колеблется от единиц до десятков тысяч Бк/л. Содержание радия в поверхностных природных водах значительно ниже и может составлять от 0.001 до 1-2 Бк/л. Существенной составляющей природной радиоактивности является продукт распада радия-226 – радон, представляющий собой инертный газ, излучающий альфачастицы. Он в 7.5 раза тяжелее воздуха, поэтому преимущественно накапливается погребах, подвалах, цокольных этажах зданий, в шахтных горных выработках, и т.д. Распространяется радон в недрах Земли крайне не равномерно. Характерно его накопление в тектонических нарушениях, куда он поступает по системам трещин из пор и микротрещин пород. В поры и трещины он поступает за счет процесса эманирования, образуясь в веществе горных пород при распаде радия-226. Радоновыделение почвы определяется радиоактивностью горных пород, их эманированием и коллекторными свойствами. Так, сравнительно слаборадиоактивные породы, оснований зданий и сооружений могут, представлять большую опасность, чем более радиоактивные, если они характеризуются высоким эманированием, или рассечены тектоническими нарушениями, накапливающими радон. При своеобразном «дыхании» Земли, радон поступает из горных пород в атмосферу, Причем в наибольших количествах – из участков на которых имеются коллекторы радона (сдвиги, трещины, разломы и др.), т.е. геологические нарушения. Высоким естественным фоном радиации обладает минерал монацит - безводный фосфат элементов ториевой группы, главным образом церия и лантана (Ce, La)PO4, которые замещаются торием. При разрушении горных пород включающих монацит, он накапливается в россыпях, которые представляют собой крупные месторождения. Россыпи монацитовых песков находящиеся на суше, как правило не вносят существенного изменения в сложившуюся радиационную обстановку. А вот месторождения монацита находящиеся у прибрежной полосы Азовского моря создают ряд проблем, особенно с наступлением купального сезона. Дело в том, что в результате морского прибоя за осенне-весенний период на побережье, в результате естественной Лекция 6 5 флотации, скапливается значительное количество "черного песка", характеризующегося высоким содержанием тория-232 (до 15-20 тыс. Бк/кг и более), который создает на локальных участках уровни гамма-излучения порядка 300 и более мкР/час. Для измерения уровней радиации и содержания радионуклидов в различных объектах используются специальные средства измерения: Для измерения мощности экспозиционной дозы гамма излучения, рентгеновского излучения, плотности потока альфа- и бета-излучения, нейтронов используются дозиметры различного назначения; для определения вида радионуклида и его содержания в объектах окружающей среды используются спектрометрические тракты, состоящие из детектора излучения, анализатора и персонального компьютера с соответствующей программой для обработки спектра излучения. В целом, ионизирующее излучение оказывает разные систематические группы живых организмов разной силы повреждающее действие. Так, млекопитающие более чувствительны к острым дозам радиации, чем насекомые, а насекомые – чем бактерии. Исследовать хроническое воздействие радиации сложнее, так как трудно учесть отдаленные его последствия. Особо следует подчеркнуть способность некоторых относительно долгоживущих изотопов накапливаться в тканях. Отношение содержания радионуклида в организме к его содержанию в окружающей среде называют его коэффициентом накопления. Он зависит прежде всего от интенсивности обменных процессов, связанных с данным химическим элементом в организме, а не от радиоактивности как таковой. В природных условиях живые организмы сталкиваются, прежде всего, с ультрафиолетовыми лучами. Основной, если не сказать единственный, их источник – солнечное излучение. Принято подразделять ультрафиолетовое излучение на два диапазона – ближний ультрафиолет (длина волны 200-400 нм) и дальний, или вакуумный (10-200 нм). Дальний ультрафиолет поглощается самыми верхними слоями атмосферы – ионосферой (именно он и ионизирует ее). Значительная часть ближнего ультрафиолета поглощается в стратосфере озоновым слоем. Кроме того, в медицине по практическим соображения УФ-излучение подразделяют на три области: длинноволновые УФ-лучи (400-315 нм) - УФ-А, средневолновые (315-280 нм) - УФ-Б и коротковолновые (менее 280 нм) - УФ-Ц По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у гамма-излучения длины волны Лекция 6 6 он не способен проникать глубоко в ткани, и поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако значительно количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом получая большую дозу УФ облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона. Газовый состав атмосферы. Нижний слой атмосферы Земли (тропосфера) имеет следующий химический состав (по объему, в процентах): азот – 78.09, кислород – 20.95, аргон – 0.93, углекислый газ – 0.03. На долю остальных газов приходятся уже тысячные и десятитысячные доли процента. Такой состав атмосфера имеет почти до высоты 90 км. Кроме этих постоянных компонентов, атмосфера содержит переменные компоненты: озон и водяной пар. Столь высокое содержание свободного кислорода в атмосфере нашей планеты – явление, вообще говоря, не совсем обычное, поскольку кислород даже в виде молекул O2 – сильный окислитель, легко вступающий в химические реакции с самыми разнообразными химическими веществами. Такое содержание кислорода не свойственно ни одной из планет Солнечной системы. Так, основная часть кислорода, присутствующего в атмосфере Венеры и Марса, представлена соединением с углеродом – углекислым газом, содержание которого составляет до 95% атмосферных газов. Общепринята точка зрения, согласно которой малое содержание CO2 и высокое содержание свободного кислорода в атмосфере нашей планеты является прямым следствием фотосинтеза, осуществляемого, прежде всего, зелеными растениями и цианобактериями. Как мы помним из предыдущих лекций, в пределах тропосферы температура быстро падает с высотой вследствие удаления от земной поверхности, излучающей инфракрасные (тепловые) лучи. Падение это составляет 6-7 градусов на километр высоты (зимой несколько меньше). На уровне от 11 до 17 км начинается стратосфера – сравнительно спокойная область атмосферы с почти постоянной температурой до высоты 34-36 км и ростом температуры до уровня 50 км. Этот рост происходит за счет поглощения солнечных ультрафиолетовых лучей слоем озона. Выше стратосферы, примерно от уровня озонного Лекция 6 7 пика температуры и до 80-85 км простирается мезосфера – область нового падения температуры с высотой. Ее, как и следующие слои атмосферы – термосферу (до 800 км) и экзосферу (свыше 800 км) – мы сейчас обсуждать не будем. Обратим, однако, внимание, на относительно повышенное содержание озона на границе тропосферы и стратосферы. Вообще концентрация озона в атмосфере очень мала – менее 0.0001%. Но основная его масса сосредоточена в слое стратосферы на высоте 15-55 км с максимумом концентрации в узком слое на высотах 20-25 км. Именно этот высотный интервал называют озоновым слоем планеты. Цифры эти усредненные для всей планеты, в реальности высота озонового максимума зависит от широты. Взаимодействие атмосферных газов с солнечным излучением. Как принято считать, озоновый слой играет в жизни нашей планеты исключительную роль. При этом, атмосферный озон – явление, динамичное во многих смыслах. В силу своей высокой окислительной способности, его молекулы, составляющие озоновый слой и вообще присутствующие в атмосфере, часто распадаются и синтезируются заново. Таким образом, наблюдаемая концентрация озона – результат баланса (фотохимического равновесия) между его распадом и синтезом, причем интенсивность обоих процессов определяется различными факторами. На всех высотах в атмосфере идут процессы диссоциации (т.е. разрушения молекул), приводящих к появлению атомарного кислорода. Эти процессы компенсируются быстрыми реакциями обратного соединения атомов в молекулы, поэтому концентрации атомарного кислорода ниже 100 км очень малы. С увеличением абсолютной высоты скорость процессов диссоциации растет, а обратных реакций падает, поэтому относительная концентрация атомарных компонентов увеличивается. Но лишь примерно со 100 км атомарный кислород становится одним из основных компонентов атмосферы, а на высоте около 150 км концентрации атомов и молекул кислорода сравниваются. На большой высоте кислород существует уже главным образом в виде атомов. Количество атомарного кислорода (хотя и очень малое) с увеличением высоты над поверхностью Земли растет. Диссоциация O2 на два атома кислорода – реакция эндотермическая, требующая внешнего источника энергии, в качестве которого чаще всего выступает ультрафиолетовое излучение Солнца, но могут быть и частицы, входящие в состав космических лучей. Образовавшиеся свободные атомы кислорода могут либо воссоединяться в молекулу O2, либо, взаимодействуя с молекулой O2, участвовать в синтезе молекулы O3. Поскольку образование озона происходит главным образом в Лекция 6 8 результате фотохимических реакций в стратосфере, здесь сосредоточена его основная масса. Но с некоторого уровня высоты разрушение молекул O3 солнечным излучением растет с высотой быстрее, чем их образование из атомов O, поэтому, начиная с этого уровня (так называемого максимума слоя озона) концентрация озона с высотой начинает уменьшаться. Роль озонового слоя в жизни планеты определяется тем, что озон – основной постоянный газовый компонент атмосферы, способный поглощать ультрафиолетовое излучение. Озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца с длиной волны <280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б , наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%. Озоновая молекула способна поглощать также инфракрасное, т.е. собственно тепловое, излучение. Поглощая солнечное излучение в указанных диапазонах озоновый слой формирует тепловую структуру атмосферы. Особенность ее состоит в том, что температура воздуха в тропосфере на высоте 10 км падает до -50o С, а в стратосфере на уровне 35-40 км она возрастает до 0o С и выше. Озоновый слой поглощает инфракрасное излучение в полосе 957 нм. Эта частота лежит вблизи максимума излучения Земли и перекрывает в значительной мере окно прозрачности атмосферы в диапазоне 800-1200 нм. Через него в космос уходит до 17% земного тепла. Образно говоря, озоновый слой играет роль не экрана, а одеяла, которое укутывает Землю и, с одной стороны, закрывает доступ на ее поверхность ультрафиолетовому и инфракрасному излучению Солнца, а с другой – удерживает земное тепло от ухода в космическое пространство. Если толщина озонового "одеяла" будет изменяться, а тем более в нем появятся дыры, это неизбежно приведет к аномальным изменениям энергетических потоков. Сказанное и определяет климатическую роль озонового слоя. В последние десятилетия и в средствах массовой информации, и среди специалистов состояние озонового слоя, его изменения активно обсуждаются. Такой термин, как «озоновая дыра», стал широко известен широкой публике. На уровне законодательств государств и межгосударственных соглашений предпринимаются различные меры, которые направлены на предотвращение разрушения озонового слоя. О чем же идет речь? Деструкция озоносферы имеет два аспекта. Первый это образование озоновых дыр, т.е. локальных (сотни тысяч-миллионы квадратных километров), кратковременных (днинедели), но глубоких (десятки процентов) снижений общего содержания озона. Процесс Лекция 6 9 этот не вызывает сомнения, так как фиксируется наземными озонометрическими станциями и со спутников. Другой, но, несомненно, связанный с первым аспект глобальная убыль стратосферного озона. Выявление ее – чрезвычайно сложная научная задача, тем не менее, большинство исследователей склонны считать, что такой процесс идет, и Земля потеряла с конца 60-х годов от 3-4% до 12-14% озона, и скорость этого процесса нарастает. 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 за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона проостирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный Самолетный Антарктический Озонный Эксперимент. В его ходе ученые из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озонная «дыра». В начале 80-х 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 по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%. Зимой 1991-1992 гг. заметное понижение общего содержания озона было отмечено над Северной Европой. В 1993 г. беспрецедентное снижение общего содержания озона произошло над всей территорией США. В штатах Мэн и Виржиния дефицит общего содержания озона достигал 18%, в среднем же он составлял 12,6%. Аналогичные данные были получены и в Канаде. В 1995 г. процесс разрушения озонового слоя резко усилился над территорией бывшего СССР. Наиболее сильная потеря озона (около 40%) наблюдалась в октябре над Северо-Востоком России на протяжении 25 суток. Кроме того, значительные по глубине и времени проявления отрицательные аномалии наблюдались над озерами Байкал, Балхаш, Прикаспийской впадиной, Полярным Уралом, Памиром и плато Путорана. В середине марта 1997 г. над Северной частью России образовалась огромная озоновая аномалия, центр которой располагался над Тикси, а края достигали Кольского полуострова на западе и Камчатки на востоке. Среднемесячный дефицит общего содержания озона превышал в центре 40%. Аномалия существовала до середины мая того же года. Лекция 6 10 Открытие «озоновых дыр» обеспокоило как ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большей опасности, чем считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Особенно опасным представляется увеличение количества жесткого ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли. Естественно, у ученых и общественных деятелей всего мира неминуемо возникли два вечных для русской интеллигенции вопроса: кто виноват и что делать. Ну, а о том, насколько уместна эта моя ирония, попробуем поговорить. Дело в том, что единого мнения о причине возникновения «озоновых дыр» нет до сих пор. А из этого следует то печальное обстоятельство, что степень правильности тех мер, которые предпринимаются в ответ на это явления, по меньшей мере, спорна. Рассмотрим основные точки зрения на причину возникновения «озоновых дыр». Начну с наиболее известной и, если так можно выразиться, «раскрученной» точки зрения. Суть ее состоит в техногенной природе разрушения озонового слоя. Основывается же она на том, что озон при определенных условиях легко разрушается при взаимодействии с летучими химическими соединениями, содержащими галогены, прежде всего хлор. В 1974 г. Марио Молина и Шерри Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что хлорфторуглероды могут вызывать разрушение озона. Первооткрыватели разрушающего действия фреонов на озоновый слой – Молина, Роуланд и Крутцен (Германия) получили в 1996 году Нобелевскую премию по химии. Начиная с этого времени так называемая хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков. Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит не токсичны. Как это ни парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. Хлорфторуглероды не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и в конце концов проникают в стратосферу. Когда молекулы хлорфторуглеродов поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за Лекция 6 11 экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы хлорфторуглеродов, которые распадаются на компоненты обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом, хлорфторуглероды переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 1000 молекул озона, прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс хлорфторуглеродов в атмосферу исчисляется миллионами тонн. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых фреонов составляет 75 и 100 лет соответственно. Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования хлорфторуглеродов. С 1978 г. в США было запрещено их использование в аэрозолях. К сожалению, использование хлорфторуглеродов в других областях ограничено не было. Однако впоследствии Было заключено несколько международных соглашений о запрещении производства фреонов: в 1980 г. – Венская конвенция по сокращению выпуска хлорфторуглеводородов; в 1987 г. – Монреальский протокол о замораживании производства и потребления хлорфторуглеводородов к 1990 г. на уровне 1986 года, сокращении производства на 20% к 1994 г., на 30% к 1999 г. В связи с ухудшением состояния озонового слоя, был принят ряд Поправок к Монреальскому протоколу: в 1990 г. – Лондонская; в 1992 г. – Копенгагенская; в 1997 г. – Монреальская и в 1999 г. – Пекинская поправки. Поправки к Протоколу расширяют список регулируемых озоноразрушающих веществ, ужесточают сроки поэтапного сокращения и прекращения производства и потребления озоноразрушающих веществ, условия проведения импортно-экспортных операций с озоноразрушающими веществами с государствами, не являющимися Сторонами Протокола, предусматривают создание глобальной системы лицензирования импорта и экспорта озоноразрушающих веществ. Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель хлорфторуглеродов – пропанобутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее, такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками - вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы хлорфторуглеродов имеют высокую теплоту Лекция 6 12 испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает хлорфторуглеродам по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена. Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня хлорфторуглеродов 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 густонаселенных районов – концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов. Последствия Монреальской конвенции оказались весьма серьезными для России – правоприемницы Советского Союза, подписавшего этот договор. Согласно этой конвенции, промышленность нашей страны должна переориентироваться с использования хлорфторуглеродов на использование альтернативных хладагентов. Такое переоснащение требует затрат, исчисляемых миллиардами долларов. В то же время, экономика России и без того переживает непростые времена. С 1-го января 1996 года в отношении России вступили в силу санкции, которыми резко ограничен экспорт российских хладоносителей, даже в страны СНГ. Проводится переоснащение действующих предприятий технологиями и оборудованием западных фирм. Отечественное производство несет убытки. Оно находится под прессингом постоянной угрозы закрытия. Речь идет не только о холодильной промышленности. Использование фреонов, запрещенных Монреальским протоколом, очень широко. Они применяются в электронной промышленности, в ракетной технике, в связи и др. Очевидно, что никакие экономические трудности не могут служить оправданием действий, создающих опасность всей биосфере, включая человечество. Однако, дело состоит еще и в том, что действие хлорфторуглеродов – по меньшей мере, не единственная причина снижения концентрации озона в озоновом слое. А возможно, что и не главная. Попробую привести известные мне возражения против только что изложенных представлений о причинах возникновения «озоновых дыр». Так, Владимир Леонидович Сывороткин в своей диссертации на соискание ученой степени кандидата геологоминералогических наук подвергает техногенно-фреоновую гипотезу достаточно серьезной Лекция 6 13 критике. Так, по его оценкам, поток природного метана в атмосферу на три-четыре порядка превосходит поток фреонов любой природы. При этом в присутствии метана реакция взаимодействия хлора с озоном не идет. При указанных выше соотношениях потоков хлора и метана в стратосферу очевидно, что хлорный цикл как процесс планетарного масштаба невозможен. Следовательно, по мнению Сывороткина, авторы техногенно-фреоновой гипотезы допустили грубую методологическую ошибку. Изучив реакцию взаимодействия хлора с озоном "в пробирке", они применили ее для объяснения планетарного химического, т.е. геохимического процесса. Главное упущение авторов и сторонников техногенно-фреоновой гипотезы состоит в том, что они не учитывают естественные потоки озоноразрушающих веществ. Взамен Сывороткин предложил свою концепцию, основанную на предположении о возможности взаимодействия выделяющихся из глубин Земли водорода, метана и, возможно, азота – со стратосферным озоном. Сывороткин обращает внимание на то, что главные каналы выхода газов планеты – срединно-океанские рифты – максимально сближаются возле Антарктиды, где и сливаются в единый Циркумантарктический рифт. Таким образом, Антарктида – это участок планеты, над которым суммируются наиболее обильные их потоки и атмосфера подвержена максимальной для планеты продувке озоноразрушающими газами. Поэтому разрушение озонового слоя максимально именно здесь. С другой стороны, три наиболее устойчивых озоновых минимума Северного полушария – о. Исландия, Красное море, Гавайские острова – максимально удалены от промышленных районов, но отличаются интенсивной вулканической деятельностью, которая сопровождается потоками озоноразрушающих газов. Аналогично, Сывороткин связывает экваториальные озоновые аномалии с вулканической деятельностью, а расположенные над территорией России – с крупными геологическими разломами, также сопровождающимися выходом озоноразрушающих газов. Наконец, сезонные колебания выраженности озоновых дыр (максимум – октябрьдекабрь и в Южном, и в Северном полушариях) он связывает с усилением выделения озоноразрушающих газов из глубин Земли под влиянием гравитационного воздействия Солнца. Именно в это время Земля проходит точку перигелия своей околосолнечной орбиты. Справедливости ради, следует заметить, что как только мы попытаемся с таких позиций объяснить общее уменьшение содержания озона именно за последние 12 лет, мы столкнемся с определенными трудностями. Сам Сывороткин пытается объяснить гипотетическое усиление выделения озоноразрушающих газов 11-летним солнечным Лекция 6 14 циклом. Однако механизм его действия остается непонятным, а наблюдаемое явление давно перевалило за 11-летний возраст. Как же относиться к роли фреонов и подобных им веществ к разрушению озонового слоя? Я бы пока посоветовал относиться достаточно критично к мнениям и сторонников, и противников техногенно-фреоновой гипотезы. К сожалению, с одной стороны, ситуация с озоновым слоем – это не тот случай, когда можно поставить эксперимент с опытной и контрольной планетами. Возможно, качественно разработанные математические модели могли бы пролить свет на природу происходящих процессов. И, с другой стороны, нельзя забывать, что слишком много людей не заинтересованы в объективности исследований – это и производители фреонов и их не разрушающих озон заменителей, и политики, спекулирующие на проблеме, имеющей вид угрозы для биосферы и человечества и, возможно, действительно такую угрозу представляющей.
