Круговорот кислорода
Круговорот кислорода – планетарный процесс, связывающий атмосферу, гидро- и литосферу через совокупную деятельность живых организмов.
Основные этапы круговорота:
1) производство кислорода при фотосинтезе фотоавтотрофами суши и океана;
2) производство кислорода при диссоциации Н2О и О3 в верхних слоях атмосферы под действием ионизирующего и ультрофиолетового излучения (незначительное количество);
3) потребление О2 при дыхании живых организмов;
4) потребление кислорода при почвенном дыхании (окислении органики почвенными микроорганизмами);
5) потребление О2 при горении и других формах окисления (извержение вулканов);
6) потребление кислорода на производство О3 в стратосфере;
7) участие в океанических преобразованиях гидрокарбонатов в составе СО2 и Н2О:
Весь О2 полностью проходит через живые организмы за 2 000 лет. Ежегодное производство кислорода фотосинтетиками Земли примерно 240 млрд. т. В океане кислорода в растворенном виде так же, как и СО2 гораздо больше, чем в атмосфере (от 2 до 8 г/л). Часть органического вещества захороняется, поэтому часть кислорода выводится из цикла.
Биосферных проблем, связанных с циркуляцией кислорода в атмосфере, несколько:
1) при сжигании ископаемого топлива тратится огромное количество кислорода. Совокупное годовое потребление на Земле кислорода 230 млрд. т, из низ на дыхание растений и животных идет 2,6 млрд. т, почвенное окисление – 50 млрд. т, остальное – процессы горения. С учетом быстрого сведения лесов на планете и возрастающими темпами индустриализации закономерно: в будущем дальнейшее возрастание потребления и снижение производство О2.
2) в результате человеческой деятельности в атмосферу попадают сотни веществ, многие из которых являются парниковыми газами и разрушителями озонового слоя стратосферы, Например, озоновый слой разрушается при попадании в атмосферу хлора и азота.
В стратосфере под действием жесткого ионизирующего излучения (менее 242 нм) молекулы О2 распадаются на атомы, которые соединяются с молекулами О2 и образуют озон (О3). В результате, образуется слой, непроницаемый для ультрафиолета А (< 280 нм), В (280 < <315 нм) и задерживающий большую часть ультрафиолета С (315 < 400 нм). При поглощении озоном квантов УФ-излучения выделяется тепловая энергия, за счет которой и разогревается стратосфера.
Толщина озонового слоя измеряется в единицах Добсона (100 Д.е = 0,1 см при нормальном атмосферном давлении). У полюсов озона больше (301,6 Д.е.), чем у экватора, зато толщина тропосферы больше у экватора. Концентрация озона и продолжительность его жизни различна на разных высотах, меняется от времени суток, сезона. На каждой высоте имеются свои источники озона и свои стоки, обмен озоновыми массами идет также между различными широтами. В целом оценка содержания циркуляции озона в атмосфере – очень трудоемкий процесс с примерными фактическими результатами.
Причины разрушения озонового слоя:
1) гидроксил-ион (ОН-), образующийся при распаде воды, является мощным катализатором при разрушении озона;
2) закись азота (N2О), которая образуется при работе сверхзвуковых двигателей, в атмосфере, превращается в NО – разрушитель озона;
3) Н2, поступающий с вулканическими газами может быть инициатором снижения количества озона;
4) возможно разрушение озона на поверхности капелек серной кислоты и сульфатов в атмосфере, которые образуются при выбросах в атмосферу оксидов серы (SО2 и SО3);
5) соединения хлора и брома в инертном виде поступают в стратосферу. Кванты УФ-излучения активизируют атомы хлора, которые очень активно, самостоятельно или в составе ClO, ClONO2 разрушают озон. Фреоны (хлорфторуглероды) – инертные, плохо растворимые в воде газы, используются в качестве хладоагентов в холодильниках и распылителях в аэрозольных баллонах. Это очень стойкие соединения, разрушаются только в стратосфере под действием ионизирующего излучения, при этом выделяется хлор.
На международном уровне принята система мер по сокращению производства фреонов (Монреальский протокол 1987 года). Однако, как и в случае с парниковым эффектом, наблюдается сведение сложного многофакторного процесса к поиску единственного регулируемого параметра. Реакций преобразования озона сотни, динамика разложения фреонов в тропосфере изучена недостаточно, рост Антарктической озоновой «дыры» коррелирует с изменением солнечной активности, на содержание газов в стратосфере влияет вулканическая активность и т.д.
По прогнозам при сокращении стратосферного озона на 5 % поток ультрафиолетового излучения увеличится на 10 %, а количество заболеваний разными видами рака кожи – на 20 – 30 %. Самый опасный вид рака кожи – меланома. Начиная с 1935 года количество больных меланомой удваивается каждые 10 лет. Катаракта – помутнение кристаллика глаза – также инициируется ультрафиолетовым излучением. За последние 50 лет наблюдается уверенный рост заболеваемости катарактой.
Восполнение стратосферного озона происходит двумя путями: половину производит Солнце, другую – разряды молний. В тропосфере озон является активным ядом, подавляющим клеточный синтез и относящийся к 1 классу опасности. Поэтому грамотные решения в глобальном масштабе можно принимать лишь на основе глубокого изучения всех тонкостей происходящих в биосфере процессов.