Руйнування озонового шару в атмосфері, виникнення смогів, кислотних опадів, потепління клімату

Озон є важливою складовою частиною верхніх шарів атмосфери. Сонячна ультафіолетова радіація з хвилею завдовжки 242 нм спричинює дисоціацію молекулярного кисню в атомарний кисень, який взаємодіє з молекулярним киснем утворюючи озон. У нижніх шарах атмосфери озон утворюється внаслідок адсорбції сонячної радіації діоксидом азоту. Більша частина озону міститься в стратосфері у вигляді шару з максимумом концентрації (до 300 мкг/м³) на висоті 20 – 26 км. Товщина озонового шару близько 3 мм. Деградація озонового шару атмосфери призводить до проникнення згубного короткохвильового ультрафіолетового випромінювання на земну поверхню. Зменшення товщини озонового шару може бути причиною збільшення рівня захворюваності на рак шкіри, катаракти, зниження імунітету. Учені вважають, що втрата 1 % озону призводить до збільшення на 6 % випадків захворювань на рак шкіри. Уперше озонова діра площею 4 000 000 км ² і завглибшки 8 км була виявлена із супутника в 1985 р. над Антарктидою. У 1987 р. її зафіксували на меридіані Шпіцбергену між Скандинавією та Північним полюсом. Установлено, що за останні десятиріччя шар озону зменшився на 3 % над Північчю й удвічі – над Антарктидою. Насамперед руйнують озоновий шар хлорфторвуглеводні (фреони). Вони широко використовуються як наповнювачі аерозольних балончиків, холодоагенти в установках і кондиціонерах, у виробництві пластмас, в електронній промисловості. Під дією ультрафіолетового випромінювання хлорфторвуглеводні (наприклад фреон - 12) вивільнюють хімічно активний атом хлору:

CF₂CI₂ + УФВ = СІ + CCIF_2.

Хімічно активний атом хлору переходить у стратосферу, де взаємодіє з озоном:

СІ + О₃ = СІО + О₂

Ця реакція відбувається протягом кількох секунд. Установлено, що один атом хлору руйнує майже 100 000 молекул озону. Своєю чергою, хлору оксид вступає в реакцію з атомарним киснем з утворенням активного атома хлору. Виникає ланцюгова реакція, яка закінчується, або переривається після зв'язування хлору або переміщення його зі стратосфери в тропосферу і вимивання атмосферними опадами. Бромовані фторвуглеводні, ще більшою мірою руйнують стратосферний озон. Середній період перебування газоподібних хлорфторвуглеводнів у атмосфері становить майже 100 років. Шар озону руйнується внаслідок викиду продуктів згоряння від космічної і ракетної техніки, а також підвищення споживання кисню на всіх промислових підприємствах. З метою обмеження викидів хлорфторвуглеводнів в атмосферу в березні 1985 р. у Відні було прийнято Конвенцію Об'єднаних Націй із захисту стратосфери, до якої приєдналася і Україна. У протоколі, підписаному у Монреалі в серпні 1987 р., сформулювано положення про зниження викидів хлорфторвуглеводнів. Над територією України здіснюється моніторинг стану озонового шару. Зменшення його товщини зафіксовано у 1980 році.

Унаслідок екологічного пресингу і за останнє століття підвищилась температура повітря на Земл на 0,5 – 0,6 ⁰С. Близько 42 % енергії поглинається у верхній атмосфері, відбивається хмарами, земною поверхнею у простір або поглинається хмарами та водяною парою. Майже 47 % сонячної радіації поглинає земна поверхня води і суші. Сама Земля випромінює довгохвильову радіацію з максимальною інтенсивністю між 4 мкм і 12 мкм (близька інфрачервона ділянка). Більша частина радіації поглинається водяною парою та діоксидом вуглецю біля поверхні землі. Оскільки і водяна пара, і діоксид вуглецю пропускають велику частину сонячної радіації, але поглинають довгохвильову радіацію земної поверхні, виникає ефект, який призводить до нагрівання атмосфери. Він залежить від кількості діоксиду вуглецю та водяної пари в атмосфері. Цей ефект дістав назву парникового. Згідно з прогнозами, за сучасного рівня накопичення зазначених газів, температура земної поверхні до 2100 р. підвищиться на 3,5 ⁰ F і головно у північних широтах. Це призведе до танення великих ділянок північних льодовиків, почастішають дощі та снігопади. Із потеплінням клімату підвищиться об'єм випаровування води. У звіті міжурядової комісії ООН стосовно кліматичних змін зазначено, що у разі зростання викидів діоксиду вуглецю на 10 - 20 % кожні 10 років, матимемо незворотні наслідки. На міжнародній конференції з проблем кліматичних змін на Землі (Кіото, 1997 р.), представники 160 країн світу підписали угоду про ліміти на викиди промислових газів, що створюють " парниковий ефект ".

Викиди промислових підприємств в атмосферне повітря призвели до утворення смогу. Термін “ смог ” походить від англ. “smoke” – дим і “fog” – туман. Смог утворюється внаслідок взаємодії природного туману з газовими промисловими викидами. Дим – це аеродисперсні системи, що складаються із частинок з малою пружністю пари та малою швидкістю седиментації під дією сили тяжіння. Туман – краплі рідини, що утворюються внаслідок конденсації пари або розпилення рідини. Смог Лондонського типу (синонім “чорний смог”, вологий смог) утворюється у великих промислово розвинених містах уранці (найчастіше в грудні – січні) під час штилю за температури повітря – 1⁰С до + 4⁰С, відносної вологості понад 85 %, температурної інверсії, високої концентрації сірки. Дія високих концентрацій діоксиду сірки та твердих аерозолів спричинює утруднення дихання, подразнення слизових оболонок носа, горла, очей, викликає нежить, сухий кашель, астенію, нудоту, головний біль, м'язові судоми. Найбільш чутливими до смогу є діти, люди похилого віку з хронічними процесами в дихальних шляхах та ураженням серцево-судинної системи. На відміну від смогу, фотохімічний туман (син.: лос-анджелеський смог, окисний смог, “білий смог”) утворюється в ясний сонячний день опівдні (найчастіше в серпні-вересні) за температури повітря від 24⁰С до 32⁰С, відносній вологості – до 70 %, температурній інверсії та на фоні забруднення атмосферного повітря вихлопними газами автотранспорту.

Під дією ультрафіолетового випромінювання вуглеводні й оксиди азоту в присутності озону вступають у ланцюгові хімічні реакції, утворються складні високоактивні сполуки (пероксиацетилнітрат, пероксибензоїлнітрат, пероксипропіонілнітрат), які несприятливо діють на органи дихання та подразнюють слизову очі.

Численні дослідження вчених свідчать про залежність захворюваності населення від дії забрудненого атмосферного повітря. Комбінація діоксиду азоту із смолоподібними речовинами ускладнює перебіг раку легенів, SO₂ і NO₂ можуть активізувати процеси розвитку пухлин у легенях. Діоксид сірки унаслідок високої розчинності на 80 – 95 % поглинається верхніми дихальними шляхами. Він надходить до легенів, швидко розчиняється в крові й поширюється кровоносною системою. Змінює фагоцитоз, зумовлює бронхоспазм, активізує слизовиділення. За даними ООН, у Парижі смог забирає життя 350 мешканців за рік, у Ліоні – 50 жителів. У США смертність від смогу становить 60 тис. чоловік щорічно, у тому числі він спричинює понад 700 випадків захворювань на рак легенів. Відоме явище у вигляді щільної хмари – нефос – суміш вихлопних газів автотранспорту і викидів промислових підприємств в атмосфері за високої температури повітря (більше, ніж 40 ⁰С) і безвітряної погоди влітку 1985 року у столиці Греції стало причиною щоденної госпіталізації близько 200 осіб із приступами серцево-судинних і легеневих захворювань.

Атмосферу можна розглядати як окисну систему з високим вмістом основного окиснювача – кисню. Сполуки, що містять С, Н, S, N природного та антропогенного походження при потраплянні в атмосферу, за участю кисню, озону, гідроксильних, гідропероксидних, органічних пероксидних радикалів, пероксиду водню (Н₂О₂) перетворюються на азотну і сірчану кислоти, які випадають у вигляді кислотних дощів. Кислотними опадами називають будь-які опади – дощ, сніг, туман з кислою реакцією (рН 1,7 – 4,0). Наслідком кислотних опадів є закиснення водойм із зміною екосистеми: зменшенням кількості видів організмів, порушенням трофічних ланцюгів. У Канаді внаслідок частих кислотних дощів стали мертвими майже 4000 озер, а 12 000 перебувають на межі загибелі. У Швеції закиснено 20 тис. озер, із них у 18.тис. озер порушено біологічну рівновагу. У Норвегії майже половина озер екологічно мертві. Вода містить багато сульфітів, зростає концентрація марганцю, підвищується “рухливість” міді, цинку. Гинуть гідробіонти. Кислотні дощі завдають великої шкоди й лісам. У Європі висихають чутливі до кислотних опадів соснові ліси, із трав’яних рослин – чорниця і верес. У гірсько-лісових районах Баварії, Шварцвальда, Бадена постраждала майже половина лісових угідь. У закиснених грунтах підвищується міграція свинцю, цинку, нікелю, міді, це наносить шкоду сільському господарству. При рН 3 грунти практично втратили родючість. В Україні спостерігається випадання закиснених азотною кислотою опадів у Черкаській області, у Сумській – із сірчаною кислотою. На територію України кислотні дощі надходять з інших країн.