Экология. Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности. Часть 1
§ 2.1.
§ 1.3. ФОТОТЕРМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ЗЕМЛИ АТМОСФЕРОЙ
В настоящее время принято считать, что биосфера (как часть
среды обитания живых организмов) включает верхние горизонты
твердой составляющей Земли (литосфера), водное пространство
(гидросфера), приземной слой воздуха (тропосфера 8—12 км). На
высоте 12—40 км от поверхности Земли расположена стратосфера,
в которой наблюдается повышенное содержание трехатомного ки-
слорода (озона). Этот газ является очень сильным окислителем, в
верхних слоях атмосферы (стратосферы) он образуется под дейст-
вием ультрафиолетового излучения (УФИ). В природных услови-
ях озон может локально образовываться в нижних слоях атмосфе-
ры при наличии ионизирующего излучения или при электриче-
ском разряде во время грозы.
Благодаря наличию озонового слоя поверхности Земли дости-
гает жизненно важный поток солнечной радиации G), спектр ко-
торого показан на рис. 1.5. Одной из характеристик, определяю-
щих защитные свойства атмосферы и спектр солнечного излуче-
), Вт/(м2нм)
1,2-
0,8-
0,4-
0,6 0,8 А..МКМ
Рис. 1.5. Спектр солнечного излучения на поверхности Земли
19
ния на поверхности Земли, является зависимость температуры ат-
мосферы от высоты (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Состав атмосферы в зависимости от высоты и температуры
Атмосферный
слой
Приземной
Тропосфера
Стратосфера
Мезосфера
Термосфера
Высота,
км
0-0,5
0,5-12
12-50
50-80
80-100
Химический состав (%); особенности
N2G8,08); OaB0,95); Аг@,93);
СО2@,03); Ne; Не; Хе; СН4; NOX; H2;
Кг; аэрозоли и иные загрязнители
Хим. состав тот же. Наблюдается
понижение давления
Хим. состав тот же + озоновый
слой (максимум концентрации О3 на
высоте 20—25 км)
Озоновый слой отсутствует, появ-
ляются атомы кислорода
Количество атомов кислорода —
20 %, молекулярного кислорода —
80%
Температурный
интервал, К
300-290
290-230
230 (с 12 до
20 км) 230-
240 (с 20 до
35 км) 240-
270 (с 35 до
50 км)
270 (с 50 до
58 км) 270-
190 (с 58 до
80 км)
190 (с 80 до
92 км) 190—
220 (с 90 до
100 км)
Материальное и энергетическое загрязнение земной поверх-
ности в основном определяет состояние стратосферы.
В стратосфере основная масса озона сосредоточена на высоте
20—25 км. Толщина озонового слоя, приведенного к нормальному
давлению G60 мм рт. ст.), при температуре 15 °С составляет 3 мм.
Естественный фотохимический процесс образования и разруше-
ния озона может быть представлен в виде:
О3 + /гй>B20 - 280 нм) -> О2 + О,
О2 + йео(« 300 нм) -> 20,
О + О2 + М
О3 + М,
A.6)
где М — сопутствующие газы, присутствующие в атмосфере (N2,
Не2 и др.).
Если нет причин, нарушающих процесс A.6), он может идти
бесконечно долго. Основным свойством озонового слоя атмосфе-
ры является его способность поглощать наиболее биологически
активные инфракрасное и ультрафиолетовое излучения Солнца.
20 ..¦•:¦
Для биообъектов основное значение имеет излучение в коротко-
волновой части спектра, в частности УФИ, способное вызвать
разрушительные фотохимические процессы на молекулярном
уровне.
Принято считать, что УФИ делится на три биологические зоны.
1. Зона «С» — 220—280 нм — ионизирующее излучение; имен-
но оно полностью поглощается озоновым слоем [см. уравнения
A.6)] и обладает деструктивным биологическим эффектом.
2. Зона «В» — 280—320 нм — биологически активное излуче-
ние, пропускаемое озоновым слоем. В общем случае УФИ «В» об-
ладает конструктивным (жизнеобеспечивающим) действием [на-
пример, A.1)]. Одновременно это наиболее «коварная» зона, обла-
дающая слабым ионизирующим действием. При передозировке
излучения, получаемого биообъектом, возможны разрушительные
процессы, подобные действию зоны «С».
3. Зона «А» — 320—400 нм. Мягкое УФИ, не вызывающее био-
логически отрицательных реакций, используется в качестве лечеб-
ного излучения (укрепляющая физиотерапия).
Из изложенного выше ясно, что если по каким-либо причинам
озоновый слой будет исчезать, то это приведет к проникновению
на Землю УФИ зоны «С» и существенному увеличению интенсив-
ности УФИ зоны «В».
Естественный процесс может нарушаться при появлении в
стратосфере водорода, галогенидов, оксидов азота и углерода. В их
присутствии фотохимические реакции разрушения озона носят
каталитический характер.
Содержание озона в атмосфере за последние 20 лет уменьши-
лось примерно на 7 %. Эта опасная тенденция, по мнению некото-
рых специалистов, уже привела к увеличению числа раковых забо-
леваний, поскольку УФИ «С» и частично «В» разрушают генетиче-
ский аппарат клетки, нарушают структуру мембран и т. д.
Причина обсуждаемого явления — загрязнение атмосферы
фторированными и хлорированными углеводородами и метаном.
Углеводороды появляются в результате потерь теплоносителей в
холодильниках и кондиционерах, при производстве пластмасс и
пенопластов; разнообразные аэрозоли также вносят свой вклад в
загрязнение атмосферы. Метан уходит в атмосферу при добыче
природного газа и нефти, обычно больше при добыче нефти. Ме-
тан растворен в нефти и при выходе ее из скважины выделяется в
а™°сферу. Этот так называемый попутный газ в лучшем случае
сЖигают на месте добычи нефти, а часто его просто выбрасывают.
.¦¦..:. л •\" . • ¦\' \' ¦¦ ¦ ¦ 21
Метан может попадать в атмосферу и в результате природных про-
цессов (из вулканов), а также как продукт жизнедеятельности.
В стратосфере метан не взаимодействует с кислородом, но
окисляется озоном. Водяные пары превращаются в кристаллики
льда, на них совершается каталитический процесс разложения
фтор- и хлорсодержащих углеводородов с выделением элементар-
ного хлора. Хлор вступает в химическую реакцию с озоном. В ито-
ге скорость уничтожения озона оказывается больше скорости его
образования в ходе естественных процессов. Попадая в стратосфе-
ру, хлористые соединения под действия УФ-излучения разлагают-
ся и выделяют свободный галоген, который и играет роль катали-
затора при разрушении озона. Классическая схема разрушения
озонового слоя в этом случае имеет вид:
CFC13 + Й© -> CFC12 +
Cl + О3 -> СЮ + О2,
СЮ + О -> С1 + О2.
A.7)
Оригинальная гипотеза о связи озоновых аномалий с разлома-
ми земной коры и дегазацией Земли выдвинута В.Л. Сыворотки-
ным (МГУ), однако эта гипотеза нуждается в дальнейшей прора-
ботке. Проблема «озоновых дыр» — это очень сложная и во мно-
гом противоречивая проблема. Например, чл.-корр. РАН А.П. Ка-
пица считает, что главным фактором возникновения «озоновых
дыр» могут быть природные, естественные причины. Опасность
техногенных факторов для человечества значительно преувеличе-
на, и огромные затраты на реконструкцию промышленности, ко-
торые лягут на плечи потребителя, неоправданны и могли бы зна-
чительно эффективнее использоваться для решения других эколо-
гических проблем.
Однако проблема чрезвычайно актуальна, разрушители озона
известны, решение проблемы приведет к новому этапу познания
мироздания и научно-техническому прогрессу. Так, в России про-
изводители холодильной техники приступили к замене фреонов
на озонобезопасные вещества: пропанобутановую смесь, вспени-
ватель с циклопентаном, хладагент ГФУ-134а. Во Всероссийском
институте легких сплавов (ВИЛС) удалось добиться экологически
чистого производства холодильных установок, основанного на ис-
пользовании эффекта Пельтье. В этом случае при пропускании
электрического тока через полупроводниковую систему на одной
обкладке кристалла возникает тепло, а на другой — холод. Чем ин-
тенсивнее сбрасывается тепло, тем быстрее растет холод. В новом j
22
агрегате нет ни электродвигателя, ни компрессора, что позволяет
почти вдвое экономить электроэнергию, а долговечность полу-
проводниковых элементов повышает его надежность.
Российские физики (Институт общей физики РАН) предло-
жили уничтожить сам источник разрушения озона, организовать
глобальную очистку атмосферы от фреонов, воздействуя на нее
микроволновым разрядом. Образовавшаяся плазма избирательно
очистит атмосферу от фреонов, не нанося вреда каким-либо дру-
гим ее компонентам, не повышая температуру и не вызывая появ-
ления новых соединений.
Расчеты показали: создание необходимого для уничтожения
фреона количества плазмы требует относительно малых энергети-
ческих затрат, так как плазма создается импульсами продолжи-
тельностью всего в миллиардные доли секунды. Для создания в ат-
мосфере плазмы экономически и экологически выгодно использо-
вать мощные микроволновые пушки, уже выпускаемые оборонной
промышленностью.
§ 1.3. ФОТОТЕРМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ЗЕМЛИ АТМОСФЕРОЙ
В настоящее время принято считать, что биосфера (как часть
среды обитания живых организмов) включает верхние горизонты
твердой составляющей Земли (литосфера), водное пространство
(гидросфера), приземной слой воздуха (тропосфера 8—12 км). На
высоте 12—40 км от поверхности Земли расположена стратосфера,
в которой наблюдается повышенное содержание трехатомного ки-
слорода (озона). Этот газ является очень сильным окислителем, в
верхних слоях атмосферы (стратосферы) он образуется под дейст-
вием ультрафиолетового излучения (УФИ). В природных услови-
ях озон может локально образовываться в нижних слоях атмосфе-
ры при наличии ионизирующего излучения или при электриче-
ском разряде во время грозы.
Благодаря наличию озонового слоя поверхности Земли дости-
гает жизненно важный поток солнечной радиации G), спектр ко-
торого показан на рис. 1.5. Одной из характеристик, определяю-
щих защитные свойства атмосферы и спектр солнечного излуче-
), Вт/(м2нм)
1,2-
0,8-
0,4-
0,6 0,8 А..МКМ
Рис. 1.5. Спектр солнечного излучения на поверхности Земли
19
ния на поверхности Земли, является зависимость температуры ат-
мосферы от высоты (табл. 1.2).
Таблица 1.2
Состав атмосферы в зависимости от высоты и температуры
Атмосферный
слой
Приземной
Тропосфера
Стратосфера
Мезосфера
Термосфера
Высота,
км
0-0,5
0,5-12
12-50
50-80
80-100
Химический состав (%); особенности
N2G8,08); OaB0,95); Аг@,93);
СО2@,03); Ne; Не; Хе; СН4; NOX; H2;
Кг; аэрозоли и иные загрязнители
Хим. состав тот же. Наблюдается
понижение давления
Хим. состав тот же + озоновый
слой (максимум концентрации О3 на
высоте 20—25 км)
Озоновый слой отсутствует, появ-
ляются атомы кислорода
Количество атомов кислорода —
20 %, молекулярного кислорода —
80%
Температурный
интервал, К
300-290
290-230
230 (с 12 до
20 км) 230-
240 (с 20 до
35 км) 240-
270 (с 35 до
50 км)
270 (с 50 до
58 км) 270-
190 (с 58 до
80 км)
190 (с 80 до
92 км) 190—
220 (с 90 до
100 км)
Материальное и энергетическое загрязнение земной поверх-
ности в основном определяет состояние стратосферы.
В стратосфере основная масса озона сосредоточена на высоте
20—25 км. Толщина озонового слоя, приведенного к нормальному
давлению G60 мм рт. ст.), при температуре 15 °С составляет 3 мм.
Естественный фотохимический процесс образования и разруше-
ния озона может быть представлен в виде:
О3 + /гй>B20 - 280 нм) -> О2 + О,
О2 + йео(« 300 нм) -> 20,
О + О2 + М
О3 + М,
A.6)
где М — сопутствующие газы, присутствующие в атмосфере (N2,
Не2 и др.).
Если нет причин, нарушающих процесс A.6), он может идти
бесконечно долго. Основным свойством озонового слоя атмосфе-
ры является его способность поглощать наиболее биологически
активные инфракрасное и ультрафиолетовое излучения Солнца.
20 ..¦•:¦
Для биообъектов основное значение имеет излучение в коротко-
волновой части спектра, в частности УФИ, способное вызвать
разрушительные фотохимические процессы на молекулярном
уровне.
Принято считать, что УФИ делится на три биологические зоны.
1. Зона «С» — 220—280 нм — ионизирующее излучение; имен-
но оно полностью поглощается озоновым слоем [см. уравнения
A.6)] и обладает деструктивным биологическим эффектом.
2. Зона «В» — 280—320 нм — биологически активное излуче-
ние, пропускаемое озоновым слоем. В общем случае УФИ «В» об-
ладает конструктивным (жизнеобеспечивающим) действием [на-
пример, A.1)]. Одновременно это наиболее «коварная» зона, обла-
дающая слабым ионизирующим действием. При передозировке
излучения, получаемого биообъектом, возможны разрушительные
процессы, подобные действию зоны «С».
3. Зона «А» — 320—400 нм. Мягкое УФИ, не вызывающее био-
логически отрицательных реакций, используется в качестве лечеб-
ного излучения (укрепляющая физиотерапия).
Из изложенного выше ясно, что если по каким-либо причинам
озоновый слой будет исчезать, то это приведет к проникновению
на Землю УФИ зоны «С» и существенному увеличению интенсив-
ности УФИ зоны «В».
Естественный процесс может нарушаться при появлении в
стратосфере водорода, галогенидов, оксидов азота и углерода. В их
присутствии фотохимические реакции разрушения озона носят
каталитический характер.
Содержание озона в атмосфере за последние 20 лет уменьши-
лось примерно на 7 %. Эта опасная тенденция, по мнению некото-
рых специалистов, уже привела к увеличению числа раковых забо-
леваний, поскольку УФИ «С» и частично «В» разрушают генетиче-
ский аппарат клетки, нарушают структуру мембран и т. д.
Причина обсуждаемого явления — загрязнение атмосферы
фторированными и хлорированными углеводородами и метаном.
Углеводороды появляются в результате потерь теплоносителей в
холодильниках и кондиционерах, при производстве пластмасс и
пенопластов; разнообразные аэрозоли также вносят свой вклад в
загрязнение атмосферы. Метан уходит в атмосферу при добыче
природного газа и нефти, обычно больше при добыче нефти. Ме-
тан растворен в нефти и при выходе ее из скважины выделяется в
а™°сферу. Этот так называемый попутный газ в лучшем случае
сЖигают на месте добычи нефти, а часто его просто выбрасывают.
.¦¦..:. л •\" . • ¦\' \' ¦¦ ¦ ¦ 21
Метан может попадать в атмосферу и в результате природных про-
цессов (из вулканов), а также как продукт жизнедеятельности.
В стратосфере метан не взаимодействует с кислородом, но
окисляется озоном. Водяные пары превращаются в кристаллики
льда, на них совершается каталитический процесс разложения
фтор- и хлорсодержащих углеводородов с выделением элементар-
ного хлора. Хлор вступает в химическую реакцию с озоном. В ито-
ге скорость уничтожения озона оказывается больше скорости его
образования в ходе естественных процессов. Попадая в стратосфе-
ру, хлористые соединения под действия УФ-излучения разлагают-
ся и выделяют свободный галоген, который и играет роль катали-
затора при разрушении озона. Классическая схема разрушения
озонового слоя в этом случае имеет вид:
CFC13 + Й© -> CFC12 +
Cl + О3 -> СЮ + О2,
СЮ + О -> С1 + О2.
A.7)
Оригинальная гипотеза о связи озоновых аномалий с разлома-
ми земной коры и дегазацией Земли выдвинута В.Л. Сыворотки-
ным (МГУ), однако эта гипотеза нуждается в дальнейшей прора-
ботке. Проблема «озоновых дыр» — это очень сложная и во мно-
гом противоречивая проблема. Например, чл.-корр. РАН А.П. Ка-
пица считает, что главным фактором возникновения «озоновых
дыр» могут быть природные, естественные причины. Опасность
техногенных факторов для человечества значительно преувеличе-
на, и огромные затраты на реконструкцию промышленности, ко-
торые лягут на плечи потребителя, неоправданны и могли бы зна-
чительно эффективнее использоваться для решения других эколо-
гических проблем.
Однако проблема чрезвычайно актуальна, разрушители озона
известны, решение проблемы приведет к новому этапу познания
мироздания и научно-техническому прогрессу. Так, в России про-
изводители холодильной техники приступили к замене фреонов
на озонобезопасные вещества: пропанобутановую смесь, вспени-
ватель с циклопентаном, хладагент ГФУ-134а. Во Всероссийском
институте легких сплавов (ВИЛС) удалось добиться экологически
чистого производства холодильных установок, основанного на ис-
пользовании эффекта Пельтье. В этом случае при пропускании
электрического тока через полупроводниковую систему на одной
обкладке кристалла возникает тепло, а на другой — холод. Чем ин-
тенсивнее сбрасывается тепло, тем быстрее растет холод. В новом j
22
агрегате нет ни электродвигателя, ни компрессора, что позволяет
почти вдвое экономить электроэнергию, а долговечность полу-
проводниковых элементов повышает его надежность.
Российские физики (Институт общей физики РАН) предло-
жили уничтожить сам источник разрушения озона, организовать
глобальную очистку атмосферы от фреонов, воздействуя на нее
микроволновым разрядом. Образовавшаяся плазма избирательно
очистит атмосферу от фреонов, не нанося вреда каким-либо дру-
гим ее компонентам, не повышая температуру и не вызывая появ-
ления новых соединений.
Расчеты показали: создание необходимого для уничтожения
фреона количества плазмы требует относительно малых энергети-
ческих затрат, так как плазма создается импульсами продолжи-
тельностью всего в миллиардные доли секунды. Для создания в ат-
мосфере плазмы экономически и экологически выгодно использо-
вать мощные микроволновые пушки, уже выпускаемые оборонной
промышленностью.