Екологічна оцінка природної атмосфери. Озонові діри

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут»

Міжуніверситетський медико-інженерний факультет

Кафедра медичної кібернетики та телемедицини

Реферат на тему:

«Екологічна оцінка природної атмосфери. Озонові діри»

Виконав:

Лялька Богдан

Враховуючи, що сила тиску повітря на кожен квадратний сантиметр на рівні моря в середньому дорівнює майже 10Н (ньютонів), то дійдемо висновку, що маса повітря над цим квадратиком становить 1 кг. Тепер, обчисливши поверхню Землі у квадратних сантиметрах за формулою 5* = 4nR2, де R -- радіус Землі (637 103 200 см), отримаємо масу атмосфери в кілограмах: 5,3-1018 кг.

Сприйняти цю цифру важко, тому для порівняння зазначимо, що вона у 266 разів менша від маси усієї води і становить усього мільйонну частину маси Землі. Якщо перетворити повітря у рідину з густиною води, то його вистачить на заповнення восьми Чорних морів, а з решти можна буде зробити з півсотні мілких Азовських. Отже, повітря не так і мало!

Оскільки людина споживає на дихання у середньому 800 г кисню за добу, то шестимільярдне населення Землі поглине весь кисень атмосфери за 300 000 років. На окислення різних видів палива люди споживають його більше, аніж на дихання. Промисловість забирає щороку приблизно 1/100 000 частину наявного кисню.

Зі сказаного випливає, що у найближчий і навіть віддалений час небезпеки вичерпання кисню атмосфери немає, бо природа закумулювала його дуже багато. Ситуація видається ще оптимістичнішою, якщо врахувати, що кожен зелений листочок чи водна мікророслина живиться, поглинаючи з повітря СО₂ і виділяючи в нього кисень.

Обчислення показали, що Україна загалом використовує кисню більше, ніж його утворюють рослини на її території. Поки що міжнародна співдружність не мала наміру висловити якісь претензії до нас з цього приводу. Причиною є насамперед згадана вище задовільна ситуація з киснем атмосфери. атмосферний озоновий ультрафіолетовий випромінювання

Наявна кількість кисню практично ідеальна для людини, забезпечуючи їй можливість проживання на переважній більшості поверхні Землі, за винятком незначної території високогір'я вище 4-5 км над рівнем моря.

Дослідження фотосинтезу довели, що його інтенсивність (отже, і продуктивність ріллі) пропорційна концентрації СО₂ у повітрі. За цими даними сучасна атмосфера не забезпечує максимально можливої продуктивності зелених рослин, тому невелике збільшення кількості СО₂ матиме очевидний позитивний вплив на сільське господарство.

Шкідливі для людини гази зі складу повітря лише в поодиноких випадках досягають небезпечної концентрації. В Україні для СН₄ та інших сполук вуглецю такі умови виникають лише поблизу кратерів грязьових вулканів Криму (під час виверження) і в глибоких колодязях у Прикарпатті.

Постійною загрозою для людей є вулкани. Частина з них подібна до вулкану Монт Пеле на острові Мартініка, який під час виверження у 1902 р. утворив велику, гарячу, важку і задушливу хмару, яка зісковзнула з його схилу і миттєво знищила квітуче місто Сент-П'єр з його приблизно 40 000 жителів. Пощастило одному в'язню (Августе Кіпарізо), який чекав страти у найглибшому казематі старої фортеці. Діставши опіки легенів, він все-таки вижив, був амністований і пізніше заробляв хліб виступами в цирках США.

Останніми роками увагу привернули озера в кратерах вулканів. Одне з них (озеро Ніос у Камеруні) 21 серпня 1986 р. раптово викинуло зі своїх глибин хмару СО₂ з домішками інших задушливих газів (рис. 1). Була тиха погода і ця хмара "перелилася" через край кратера й посунула вниз уздовж долин ручаїв, спричинивши смерть приблизно 1700 жителів трьох сіл та худоби.

Рис. 1. Екокатастрофа на озері Ніос

У цій трагедії цікаве те, що раніше геофізики не звертали уваги на можливість таких явищ, хоч кожен з них не раз бачив виділення бульбашок газу з газованої води чи вина від зменшення тиску над ними у момент відкривання пляшки. Щось схоже трапилося в озері, глибокі шари якого були насичені СО₂. Періодично від випадкових причин такі системи втрачають стійкість, адже СО₂ просочується безперервно, і озеро наче "закипає", виділяючи хмару газу.

З часу катастрофи фахівці з Франції уважно стежать за Ніос і сусідніми вулканічними озерами, експериментуючи зі способами відведення зайвого газу через довгі труби, які сполучають повітря з нижніми шарами води біля дна. Скотарі фульбе аж надто помилялися, називаючи озеро Ніос "добрим"...

Питання задушливої чи шкідливої атмосфери стосується популярної останнім часом теми геопатогених (шкідливих для здоров'я) зон на поверхні Землі. Відклавши частково її обговорення до аналізу ролі іонізуючого випромінювання у біосфері, зазначимо, що до таких "зон" належать печери і глибокі провали, де накопичуються небезпечні гази. Багато разів описувалася "собача печера" в Італії, де у метровому шарі СО₂ гинуть собаки, а голови людей розташовані вище і вони дихають нормальним повітрям. У "долині гейзерів" на Камчатці знайшли видолинок, де гинуть навіть ведмеді.

Такі небезпечні місця та райони надто малі, а тому загалом на поверхні Землі природні атмосферні умови цілком сприятливі для людини. На жаль, цього не можна сказати про те життєве середовище, яке створила для себе і для інших людей homo technocraticus (людина "індустріальна").

"Озонова діра" -- сигнал небезпеки.

Явище серйозного пошкодження озонового захисту біосфери Землі є типовим прикладом глобальної екологічної проблеми техногенного характеру. Історія "озонової діри" цікава не тільки сама по собі, а й як перший приклад порівняно оперативної і скоординованої дії вчених та урядів більшості країн світу.

Як відомо, терміном "озонова діра" офіційно названо зону стратосфери (15-35 км) над Антарктидою з дуже зменшеною від нормального значення для цих висот концентрацією озону (падыння на 10--40%). Виникає під час антарктичної зими, досягаючи максимуму розвитку в самому її закінченні. Потім поступово заповнюється, а влітку антарктична стратосфера повертається до норми. В момент найбільшого розміру "озонова діра” останніми роками подекуди навіть виходить за межі континенту Антарктиди, зумовлюючи помітне зменшення кількості озону над Південною Австралією і Новою Зеландією.

Озоносферу над Антарктидою з 1957 р. вивчали вчені Великобританії. Перше невелике зменшення кількості озону відзначено у 1968 p., істотне -- у 1977 р. Значне посилення цього явища датується 1982-1984 pp., після чого проблема набула світового розголосу, а до досліджень долучилися інші країни. Залучивши чималі фінанси і всю можливу техніку (висотні літаки, ракети і супутники), антарктичної зими 1987 року було зроблено якнайдетальніші вимірювання хімічного складу повітря на багатьох висотах. Так було отримано незаперечне свідчення того, що причиною зникнення озону були сполуки хлору і фтору: всюди, де їх було багато -- озону мало, і навпаки.

Пояснимо коротко механізм утворення озону і причини негативного впливу на нього деяких техногенних хімічних сполук. Озон -- триатомний кисень (О₃), молекула якого формою на диво схожа на молекулу води, її нестійкістю пояснюється швидке зменшення запаху озону після грози. Нестійкість пов'язана з підвищеною хімічною активністю озону. У великих концентраціях він пошкоджує і рослини, і тварини. Відомо, що озон використовується як набагато кращий від хлору реагент для знезараження питної води від усіх патогенних мікроорганізмів.

Механізм синтезу, а також розпаду (фотоліз) озону, був запропонований Сіднеєм Чепманом 1930 року і названо його ім'ям. Реакції утворення озону:

* О₂ + hн > 2О + 2О₂ > 2О₃

Фотоліз молекулярного кисню відбувається в стратосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 175--200 нм і до 242 нм.

* О₃ + hн > О₂ + О

* О₃ + O > 2О₂

У процесах і утворення, і розпаду озону в незабрудненій стратосфері найактивнішу роль беруть два з трьох ультрафіолетів А, В і С. Всі короткохвильові фотони у сонячному випромінюванні вчені поділяють на:

* ультрафіолет-А (UVA, 315--400 нм), який непогано проходить крізь атмосферу, має помірну енергію, хімічно (але досить м'яко) діє на клітини нашої шкіри, бере участь в утворенні вітамінів групи Д, провокує характерну засмагу. Шкідливий лише у надмірних дозах;

* ультрафіолет-В з більшою на 20-40 % енергією фотонів (UVB, 280--315 нм). На жаль, вона виявляється цілком достатньою для розщеплення зв'язків у біомолекулах, що пошкоджує клітини і провокує небажані мутації (частина яких веде до раку шкіри -- меланоми). Якщо вилучити з повітря озон, то решта газів погано поглинають цей вид ультрафіолету, його шкідлива дія на біосферу стане дуже небезпечною;

* ультрафіолет-С зі ще більшою енергією фотонів. На щастя, їх кількість мала і частина газів атмосфери поглинає цей "третій" ультрафіолет (УФ-С, UVC, 100--280 нм)

При дії на живі організми УФ-випромінювання поглинається вже верхніми шарами тканин рослин або шкіри людини і тварин. В основі біологічна дія випромінювання обумовлена хімічними змінами молекул біополімерів. Ці зміни викликаються як безпосереднім поглинанням квантів випромінювання, так і (в меншій мірі) радикалами води (HO^-; H₃O⁺; H₂O₂^-2) та інших низькомолекулярних з'єднань, що утворюються при опромінюванні.

На людину і тварин малі дози УФ-випромінювання впливають благотворно -- сприяють утворенню вітамінів групи D, покращують імунобіологічні властивості організму. Характерною реакцією шкіри на УФ-випромінювання є специфічне почервоніння -- еритема (максимальну еритемну дію має випромінювання з довжиною хвилі 296,7 нм та = 253,7 нм), яка звичайно переходить в захисну пігментацію -- «засмагу». Великі дози УФ-випромінювання можуть викликати пошкодження очей (фотоофтальмію) і опік шкіри. Часті і надмірні дози в деяких випадках можуть зумовлювати канцерогенну дію на шкіру.

У рослинах УФ-випромінювання змінює активність ферментів і гормонів, впливає на синтез пігментів, інтенсивність фотосинтезу і фотоперіодичної реакції. Не встановлено, чи корисні і чи тим більше необхідні для проростання насіння, розвитку паростків і нормальної життєдіяльності вищих рослин малі дози УФ-випромінювання. Великі ж дози, поза сумнівом, несприятливі для рослин, про що свідчать існуючі у них захисні пристосування (наприклад, накопичення певних пігментів, клітинні механізми відновлення від пошкоджень).

Спектри впливу УФ-випромінювання: А -- мутації пилкукукурудзи; Б -- знерухомленняпарамецій. Крива -- спектр поглинання:

а) нуклеїнових кислот;

б) альбуміна.

На мікроорганізми і культивовані клітини вищих тварин і рослин УФ-випромінювання діє згубно і викликає мутагенез (найефективнішне при довжині хвилі в межах 280--240 нм). Звичайно спектр летальної і мутагенної дії приблизно збігається із спектром поглинання нуклеїнових кислот -- ДНК іРНК, в деяких випадках спектр біологічної дії близький до спектру поглинання білків. Основна роль дії УФ-випромінювання на клітини належить хімічним змінам у ДНК: піримідинові сполуки (головним чином тимін) при поглинанні квантів УФ-випромінювання утворюють димери, які перешкоджають нормальному подвоєнню (реплікації) ДНК при підготовці клітини до ділення. Це може приводити до загибелі клітин або зміни їхніх спадкових властивостей (мутацій). Певне значення в летальній дії випромінювання на клітини мають також пошкодження біолеских мембран і порушення синтезу різних їх компонентів і клітинної оболонки. Більшість живих клітин мають здатність до відновлення завдяки наявності в них систем репарації. Здатність відновлюватися від пошкоджень, що викликані УФ-випромінюванням, виникла, ймовірно, на ранніх етапахеволюції і відігравала важливу роль у виживанні первинних організмів, що піддавалися інтенсивному сонячному ультрафіолетовому опромінюванню.

Залежність життєздатності бактерій від дози УФ-випромінювання: А -- кишкова паличка Escherichia coli (л=253,7 нм); 1, 2 -- мутантні штами; 3 -- дикий тип; Б -- Micrococcus radiodurans (л=265,2 нм)

За чутливостю до УФ-випромінювання біологічні об'єкти розрізняються дуже сильно. Наприклад, доза УФ-випромінювання, що призводить до загибелі 90% клітин, для різних штамів кишкової палички дорівнює 10, 100 і 800 ерг/ммІ, а для бактерій Micrococcus radiodurans -- 7 000 ерг/ммІ. Чутливість клітин до УФ-випромінювання у великій мірі залежить також від їхнього фізіологічного стану і умов культивування до і після опромінювання (температура, склад живильного середовища й таке інше). Сильно впливають на чутливість клітин мутації деяких генів. У бактерій ідріжджів відомо близько 20 генів, мутації яких підвищують чутливість до УФ-випромінювання. У ряді випадків такі гени відповідальні за відновлення кліток від променевих пошкоджень. Мутації інших генів порушують синтез білка і будову клітинних мембран, тим самим підвищуючи радіочутливість негенетичних компонентів клітки. Мутації, що підвищують чутливість до УФ-випромінювання, відомі й у вищих організмів, у тому числі у людини. Так, спадкове захворювання -- пігментна ксеродерма обумовлена мутаціями генів, що контролюють темнову репарацію.

Генетичні наслідки опромінювання ультрафіолетом пилку вищих рослин, клітин рослин і тварин, а також мікроорганізмів виражені в підвищенні частот мутації генів, хромосом і плазмид. Частота мутації окремих генів, при дії високих доз УФ-випромінювання, може підвищуватися в тисячі раз в порівнянні з природним рівнем і сягати декількох відсотків. На відміну від генетичної дії іонізуючих випромінювань, мутації генів під впливом УФ-випромінювання виникають відносно частіше, ніж мутації хромосом. Завдяки сильному мутагенному ефекту це випромінювання широко використовують як в генетичних дослідженнях, так і в селекції рослин і промислових мікроорганізмів, що є продуцентами антибіотиків, амінокислот,вітамінів і білкової біомаси. Генетична дія УФ-випромінювання могла відігравати істотну роль в еволюції живих організмів.

Біологічні ефекти ультрафіолетового випромінювання в трьох спектральних ділянках істотно різні, тому біологи іноді виділяють, як найважливіші в їх роботі, такі діапазони:

· (UVA, 315--400 нм)

· (UVB, 280--315 нм)

· (UVC, 100--280 нм)

Практично весь UVC і приблизно 90% UVB поглинаються озоном, а також водяною парою, киснем і вуглекислим газом при проходженні сонячного світла через земну атмосферу. Випромінювання з діапазону UVA досить слабо поглинається атмосферою. Тому радіація, що досягає поверхні Землі, в значній мірі містить ближній ультрафіолет UVA, і, в невеликій частці -- UVB.

У ХХ столітті було вперше показано як УФ-випромінювання має благотворний вплив на людину. Фізіологічна дія УФ-променів було досліджено в середині минулого століття (Г. Варшавер, Г. Франк. М. Данциг, Н. Галанін, М. Каплун, А. Парфенов, Є. Бєлікова, В. Dugger. J. Hassesser. Н. Ronge, Є. Biekford тощо). Було переконливо доведено в сотнях експериментів, що випромінювання в УФ області спектру (290--400 нм) підвищує тонус симпатико-адреналінової системи, активує захисні механізми, підвищує рівень неспецифічного імунітету, а також збільшує секрецію ряду гормонів. Під впливом УФ випромінювання (УФІ) утворюються гістамін і подібні йому речовини, які мають судинорозширювальну дію, підвищують проникність шкірних судин. Змінюється вуглеводний і білковий обмін речовин в організмі.

Дія оптичного випромінювання змінює легеневу вентиляцію -- частоту і ритм дихання, підвищується газообмін, споживання кисню, активізується діяльність ендокринної системи. Особливо значна роль УФ випромінювання в утворенні в організмі вітаміну Д, що зміцнює кістково-м'язову систему і має антирахітну дію. Особливо слід відзначити, що тривала недостатність УФ випромінювання може мати несприятливі наслідки для людського організму, які отримали назву «світлового голодування». Найчастішим проявом цього захворювання є порушення мінерального обміну речовин, зниження імунітету, швидка стомлюваність тощо.

Трохи пізніше в роботах (О.Г. Газенко, Ю.Є. Нефьодов, Є.О. Шепелєв, С.М. Залогуев, Н.Є. Панфьорова, І.В. Анісімова) зазначену специфічну дію випромінювання було підтверджено в космічній медицині. Профілактичне УФ опромінення було введено в практику космічних польотів поряд з методичними вказівками 1989 року «Профілактичне ультрафіолетове опромінення людей (із застосуванням штучних джерел УФ випромінювання)». Обидва документи є надійною базою подальшого вдосконалення УФ профілактики.

Дія ультрафіолетового опромінення на шкіру, що перевищує природну захисну здатність шкіри (засмага) призводить до опіків. Тривала дія ультрафіолету сприяє розвитку меланоми, різних видів раку шкіри, прискорює старіння і поява зморшок. При контрольованому дії на шкіру ультрафіолетових променів, одним з основних позитивних факторів вважається утворення на шкірі вітаміну D, за умови, що на ній зберігається природна жирова плівка. Жир шкірного сала, що знаходиться на поверхні шкіри, піддається дії ультрафіолету і потім знову вбирається в шкіру. Але якщо змити шкірний жир перед тим, як вийти на сонячне світло, вітамін D не зможе утворитися. Якщо прийняти ванну відразу ж після перебування на сонці і змити жир, то вітамін D може не встигнути вбратися в шкіру.

Ультрафіолетове випромінювання невідчутно для очей людини, але при інтенсивному опроміненні викликає типово радіаційне ураження (опік сітківки).

Все ж, ультрафіолет надзвичайно потрібен для очей людини, про що свідчать більшість офтальмологів. Сонячне світло розслаблює на приочні м'язи, стимулює райдужну оболонку і нерви очей, збільшує циркуляцію крові. Регулярно зміцнюючи за допомогою сонячних ванн нерви сітківки, можна позбутися від болісних відчуттів в очах, що виникають при інтенсивному сонячному світлі.

Для захисту очей від шкідливого впливу ультрафіолетового випромінювання використовуються спеціальні захисні окуляри, що затримують до 100% ультрафіолетового випромінювання і прозорі у видимому спектрі. Як правило, лінзи таких окулярів виготовляються із спеціальних пластмас або полікарбонату. Багато видів контактних лінз також забезпечують 100% захист від УФ-променів (зазвичай це вказано на маркуванні упаковки).

У процесі поглинання УФ-С "парним" киснем О₂ у верхній стратосфері вилучається цей найнебезпечніший фотон і утворюються два атоми кисню. Останні прилучаються до цілих молекул "парного" кисню і утворюють вже триатомну молекулу озону. Максимальна його кількість спостерігається на висотах 20-30 км, зрідка -- вище.

Озон чудово поглинає УФ-В, розпадаючись на атом кисню і молекулу "парного" кисню. Отже, у вічному циклі утворення-розпаду озону з потоку сонячного випромінювання вилучаються якраз ті фотони, що становлять серйозну небезпеку для рослин і тварин на поверхні Землі. Що це не жарти, а сумна правда, свідчать чимало різноманітних експериментів з дослідження впливу УФ-В і УФ-С на найпростіші, рослини і тварини.

У незабрудненій стратосфері Землі кількість сполук, що є "хімічними ворогами" озону, незначна, тому вже кілька сот мільйонів років "озоновий щит" мав достатню непроникність для надійного захисту життя на суші і у поверхневих шарах океану.

На жаль, з другої половини XX ст. homo tehcnocraticus ненавмисне, але рішуче, розпочав дірявити озоновий щит. Найефективнішим "свердлом" виявилися так звані фреони -- сполуки з одночасним вмістом і фтору, і хлору (насамперед CFC13 і CF2C12, які масово використовувалися в холодильних машинах та аерозольних балонах). У нижніх шарах атмосфери вони нешкідливі, бо хімічно досить-таки інертні. Діставшись до стратосфери і поглинувши один ультрафіолетовий фотон, розпадаються, звільняючи атоми хлору і фтору. Кожен з останніх, до свого вимивання вниз у формі сполуки з воднем (кислоти), встигає каталітичним способом розкласти десятки тисяч молекул озону.

За відсутності молекул озону відповідна кількість УФ-фотонів прорветься до поверхні Землі й зашкодить біосфері. До цієї неприємності додається й та, що час згаданого вимивання хлору і фтору з практично безхмарної стратосфери становить десятки не годин, а років!

Коли після винайдення фреонів вивчали їх дію на людину і довкілля, до цієї справи були залучені медики і біологи. Та жодна людина з цієї групи фахівців, перевіряючи вплив цих речовин на здоров'я людини, не могла передбачити, що на запаморочливій висоті у стратосфері є речовина, якій фреони через багато років завдадуть непоправної шкоди. А через озон шкодитимуть і людям.

Отже, справді серйозні екологічні питання -- надто твердий горішок для вузьких спеціалістів навіть найвищої кваліфікації. Чи могли у ті часи передбачити шкоду фреонів для озоносфери екологи? Мабуть, не могли, бо тоді знання про процеси у верхній атмосфері були надто поверховими.

Для запобігання виникненню нових "озонових дір" (пошкодження інших частин біосфери) необхідний одночасний розвиток екології, як найнеобхіднішої нині інтегральної науки, та ефективне об'єднання зусиль фахівців з усіх природничих наук для спільного аналізу комплексу аспектів впливу дій і технологій людства на біосферу.

В історії з фреонами таке об'єднання відбулося у 80-х роках XX ст. Хоч було доведено, що "озонова діра" такої інтенсивності є суто локальним явищем (зимовий вихор навколо Південного полюсу припиняє контакти антарктичного повітря з довкіллям, тому хлор і фтор мають досить часу для знищення початкової кількості озону, яка потім не поповнюється аж до закінчення полярної ночі), та не можна було заперечити швидкого накопичення фреонів у повітрі всієї Землі. Вимірювання з подальшими обчисленнями і моделюванням показали, що вже через 50 років кількість озону над нами зменшиться щонайменше удвічі, якщо й далі викидати в повітря щороку понад 1 млн. т хлорних сполук.

Зусиллями науковців і політиків у 1985 р. було прийнято Конвенцію про захист озону. Цього заклику було вочевидь мало і в 1987 р. представники тридцяти провідних промислових країн світу підписали офіційну угоду (Монреальський протокол) про дати і рівні припинення застосування фреонів і заміну їх безпечними для озоносфери сполуками і речовинами.

Відтоді представники цих країн спільно стежать за виконанням угоди, періодично збираючись у Монреалі для корекції протоколу. Зазначимо, що розвинені країни загалом цілком успішно виконують програму захисту озонового шару. Вони навіть пішли на те, щоб повністю припинити використання фреонів не з 2000 p., а з 1996 р.

Складніша ситуація з країнами, що розвиваються, бо більшість з них не прилучилися до озонозахисних проектів.

Список використаної літератури

1. Степановских А.С. Экология. -- Курган: ГИПП "Зауралье", 1997. -- 616с.

2. Сухомлинов А.И., Сухомлинова И.А., Микитюк А.Н. и др. Экология и здоровье человека. --Харьков: ХГПУ, 1992. -- 128 с.

3. Торошенъкин Б.А.. Возобновляемая энергия: В 2ч. --X.: Изд.-во "Форт", 2003.

4. Хайнд Р. Поведение животных. Синтез этологии и сравнительной психологии. -- М.: Мир, 1975. -- 855 с.

5. Хесле В. Философия и экология. -- М.: Наука, 1993. -- 205 с.

6. Фарб П. Популярная экология: Пер. с англ. -- М.: Мир, 1971. -- 189 с.

7. Федоров В.Д., Гильманов Т.Т. Экология. -- М.: Наука, 1980. -- 321 с.

8. Фоули Р. Еще один неповторимый вид. Экологические аспекты эволюции человека. -- М.: Мир, 1990. -- 368 с.

9. Царик Т.Є., Файфуpa В.В. Основи екології. -- Тернопіль, 2003. -- 208 с.

10. Экосистемы в критических состояниях / Отв. ред. Ю.Г. Пузаченко. -- М.: Наука, 1989. -- 157с.

Размещено на Allbest.ru