10.5. 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 успо-

коение: озоновые дыры существовали всегда, и это нормальный естест-

венный 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 моле-

кула состоит из трех атомов кислорода. Озон — одна из наиболее важных

416

составляющих атмосферы Земли. С

экологической точки зрения наиболее

ценное его свойство — это способ-

ность поглощать опасное для живых

организмов ультрафиолетовое излу-

чение Солнца. С другой стороны, он

сильнейший окислитель (попросту

яд), способный отравлять ту самую

флору и фауну, которую защищает,

находясь в стратосфере. Отравляю-

щее 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 хими-

ческому составу озон можно условно разделить на «плохой» и «хоро-

ший». «Плохой» озон, входящий в состав фотохимического смога, пора-

зившего многие крупные города, находится в приземном слое тропосфе-

ры и, достигнув определенных концентраций, представляет опасность

для всего живого. Однако основная часть озона сосредоточена в страто-

сфере, 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 ультрафио-

летового излучения.

Проблемы разрушения озонового слоя и образования городского смо-

га часто обсуждаются в средствах массовой информации, и это дает по-

вод 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 срав-

нительно мало: если его сжать до плотности воздуха у поверхности Зем-

ли, то получится слой толщиной примерно 3,5 мм. Концентрация озона в

атмосфере зависит от географической широты, высоты, времени года, ак-

тивности Солнца, техногенного воздействия и т.п. Естественные ее коле-

бания могут достигать 25%. Распределение озона по высоте представлено

на рис. 10.4, 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,

27-3290 417

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 излуче-

ние 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 появи-

лась, 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 излуче-

ние не проникает, и здесь атомы кислорода образуются в основном при

фотодиссоциации двуокиси азота под действием МЯГКОГО ультрафиолето-

вого 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 составляю-

щие. Если бы после образования озона можно было изолировать солнеч-

ное излучение, то озон сохранялся бы в атмосфере довольно долго. Так

418

оно в действительности и происходит: накопленный за день в стратосфе-

ре озон за ночь не распадается.

Ускорению естественного распада озона способствует его взаимодей-

ствие 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 (рис. 10.6). Несмотря на то что скорость появления ато-

мов хлора из фреонов в стратосфере в миллионы раз меньше скорости об-

разования молекул озона при солнечном излучении, один атом хлора мо-

жет разрушить сотни тысяч молекул озона. Происходит цепная реакция,

включающая сотни тысяч звеньев. Этот механизм разрушения озона име-

ет 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 растворя-

ются в воде и легко проходят тропосферу, достигая стратосферы, где

сконцентрирован озон.

Наиболее яркое проявление антропогенного воздействия на озоно-

вый слой Земли — это антарктическая озоновая дыра, в которой истоще-

ние озона составляет более 50%. После осознания последствий разруше-

ния озонового слоя антропогенными источниками были сделаны важные

шаги — приняты Венская конвенция (1985) и Монреальский протокол

(1987), запрещающие производство озоноразрушающих веществ. По

мере сокращения их производства в последнее время отмечается некото-

рая стабилизация в содержании озона в стратосфере и даже тенденция к

его восстановлению. Расчеты показывают, что процесс восстановления

419

озона будет происходить в течение всего текущего столетия. Ускорение

этого процесса — еще один важный шаг в решении сложной проблемы

сохранения озонового слоя.

10.6. ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И ИХ СОХРАНЕНИЕ

Необходимые для жизнедеятельности всего живого водные ресур-

сы — это соленая вода океанов и морей, пресная вода озер, рек и подзем-

ных источников. Гигантский объем воды сосредоточен в ледни-

ках — 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 оста-

новимся 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 обора-

чивается серьезными бедствиями.

По данным Института литосферы РАН, большая часть волжского бас-

сейна 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 назы-

ваемых нормативно очищенных, а на самом деле тоже недостаточно очи-

щенных — 1,6 км3. Основная масса загрязненных вод, как ни странно, по-

ступает через сети коммунального хозяйства, а на долю промышленных

отходов приходится меньше половины. Сокращение объема пресновод-

ного стока с завершением строительства Нижнекамского и Куйбышев-

ского водохранилищ и загрязнение воды привели к тому, что за послед-

ние 35 лет годовой лов рыбы в Волго-Каспийском регионе снизился в во-

семь 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 превы-

шает 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 переве-

дется. Многие ли знают, что для рыб вода должна быть чище, чем питье-

420

вая? Воду, не пригодную для рыбы, люди в соответствии с установленны-

ми нормами пить могут. Мы должны стремиться к тому, чтобы на питье-

вую 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 продук-

ции при затоплении более 1 млн. га сельскохозяйственных земель оцени-

ваются — в 16 млрд. долл. и из-за потери рыбных запасов — в 4—6 млрд.

долл. Если учесть эти потери, то по себестоимости электроэнергии дейст-

вующие ГЭС станут невыгодными по сравнению, например, даже с ТЭЦ.

Но остановить их работу, одновременно и сразу спустить воду невозмож-

но — энергия нужна всем. Значит, надо искать способы реконструиро-

вать ГЭС таким образом, чтобы они наносили минимальный ущерб при-

роде.

Загрязняются и подвергаются воздействию не только воды рек, но и

грунтовые воды прежде всего различными видами отходов. Применяе-

мые в течение длительного времени способы захоронения бытовых и

промышленных отходов основывались на том, что миграция отходов ма-

ловероятна и что со временем содержащиеся в них соединения окисляют-

ся, гидролизуются или перерабатываются бактериями в безвредные про-

дукты. Однако результаты исследований показали, что некоторые виды

отходов слабо разлагаются и способны мигрировать, а часть их перераба-

тывается бактериями не в безвредные, а в токсичные вещества. Загряз-

няющие вещества от различных источников могут распространяться в

421

поверхностных слоях земной коры на большие расстояния от источников

загрязнения и проникать в водоносные пласты (рис. 10.7).

Вынужденное захоронение всех видов отходов в грунте требует пред-

варительных и сопутствующих физических, химических и биологиче-

ских 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 площа-

ди суши, но и моря, и океаны. Пластмассы разрушаются очень медлен-

но — некоторые из них в течение нескольких десятков лет. Но все же уси-

лиями химиков выход найден—синтезированы пластики с особой струк-

турой и свойствами, отходы от которых наносят минимальный ущерб ок-

ружающей среде. В такие пластики внедряются светочувствительные мо-

лекулярные группы, способные поглощать солнечное излучение, приво-

дящее к расщеплению полимера.

Существует несколько способов сохранения водных ресурсов:

— оптимальная комбинация химической и биологической очистки

сточных вод;

— применение дополнительных средств очистки сточных вод, со-

держащих особо стойкие вещества;

— внедрение озонирования воды для ее обеззараживания;

— окисление загрязняющих веществ при высокой температуре и вы-

соком давлении;

— высокотемпературное сжигание отходов и обработка их адсор-

бентами и ионообменными смолами;

— циклическое применение воды при теплоотводе от различных ме-

ханизмов и агрегатов;

— возвращение в производственный цикл ценных веществ, напри-

мер 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 зани-

мающихся данной проблемой и предлагающих эффективные методы

очистки воды, но и от всех людей, бережно относящихся к природе, в том

числе и к водным ресурсам.