Озон, свойства, токсикология и применение. Роль озонового щита планеты

     В 1881 году в книге, посвященной дифтерии, доктор Келлог (Kellogg) рекомендовал его использование в качестве средства для дезинфекции. Но подлинная революция в использовании озона для стерилизации произошла после патентования и начала массового производства генераторов озона — предшественников озоновых стерилизаторов. До середины XIX века попытки создания таких генераторов были безуспешными. Считается, что первый образец создал Werner von Siemens в 1857 году. Однако понадобилось еще 29 лет для того, чтобы запатентовать промышленный генератор озона, который отвечал определенным требованиям. Патент на его изобретение принадлежит Николе Тесла. Он же в 1900 году начал выпуск данного продукта для медицины.

     С этих пор начинает развиваться несколько  направлений по применению озона  — дезинфекция, стерилизация и лечение.

     При стерилизации происходит уничтожение  микроорганизмов путем насыщения  озоном замкнутого объема, где находятся  медицинские инструменты, приспособления, устройства. Во время лечения применяют озонированную воду, водные растворы и озонокислородную смесь. Для дезинфекции помещений, емкостей, трубопроводов — озоновоздушную или озонокислородную смеси.

     Все три метода обладают одним неоспоримым  преимуществом: озон оказывает быстрое и эффективное воздействие

     Время воздействия озона на некоторые  виды микроорганизмов измеряется секундами. По качеству стерилизации и некоторым  техническим характеристикам современные  озоновые стерилизаторы превосходят  ультрафиолетовые, сухожаровые шкафы, паровые автоклавы, жидкостную и газовую стерилизацию. Лечение с применением озона позволяет безболезненно и с высокой эффективностью уничтожать микроорганизмы, проникшие в органы и ткани человека. Это стало возможным еще и потому, что наш организм, в отличие от бактерий, обладает достаточно мощной системой антиоксидантной защиты. При воздействии определенных концентраций озона в течение ограниченного времени клетки нашего организма сохраняют достаточную устойчивость к образованию нежелательных агрессивных продуктов.

     Озон  оказывает положительное действие на метаболизм печени и почек, поддерживает работу сердечной мышцы, уменьшает  частоту дыхания и увеличивает  дыхательный объем. Положительное  влияние озона на людей с заболеваниями сердечно-сосудистой системы (снижается уровень холестерина в крови, снижается риск тромбообразования, активизируется процесс "дыхания" клетки).

     Озонотерапия  в последние годы довольно широко применяется и в гинекологии, и в терапии, и в хирургии, и  в проктологии, и в урологии, и в офтальмологии, и в стоматологии, и в других направлениях медицины.

     Озон  широко используют в химической отрасли промышленности.

     Особая  роль отводится озону в пищевой промышленности. Являясь сильно дезинфицирующим и химически безопасным средством, он используется для предотвращения биологического роста нежелательных организмов в продуктах питания и на технологическом пищевом оборудовании. Озон обладает свойством убивать микроорганизмы, не создавая новых вредных химических веществ.

     Самое распространенное применение - для очистки воды. В 1907 году был построен первый завод по озонированию воды в городе Бон Вуаяж (Франция), который обрабатывал 22500 кубических метров воды из реки Вазюби в сутки для нужд города Ниццы. В 1911 году была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге. В 1916 году действует уже 49 установок по озонированию питьевой воды.

     К 1977 году во всем мире действует более 1000 установок. В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде и ряде других городах). Приняты программы перевода на озонирование еще нескольких крупных станций водоподготовки.

     Широкие спектр областей применения озона  в сельском хозяйстве: растениеводство, животноводство, рыбоводство, кормопроизводство и хранение продуктов, обуславливает множество озонных технологий, которые условно можно разделить на два больших направления. Первое имеет целью стимулировать жизнедеятельность живых организмов. С этой целью применяются концентрации озона на уровне ПДК, например санация помещений с животными и растениями для улучшения комфортности их пребывания. Второе направление связано с подавлением жизнедеятельности вредных организмов или с устранением вредных загрязнений из окружающей атмосферы и гидросферы. Концентрации озона в этом случае намного превышают значения ПДК. К таким технологиям относятся дезинфекция тары и помещений, очистка газовых выбросов птицеферм, свинарников, обезвреживание сточных вод сельскохозяйственных предприятий и т.д. 

     5 Озон в атмосфере. Озоновый слой - ультрафиолетовый щит Земли 

     Озоновый  слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода (О22 —> О3).  

     5.1 Изучение озонового слоя. Причины его разрушения. 

     С начала 20 века ученые наблюдают за состоянием озонового слоя атмосферы. Сейчас уже все понимают, что стратосферный озон является своего рода естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы жесткого космического излучения - ультрафиолета-В.

     С конца 70-х годов ученые стали отмечать неуклонное истощение озонового  слоя. Различные причины приводят к истощению озонового слоя. Среди них есть естественные, как, например, извержения вулканов. Известно, например, что при этом происходят выбросы газов, содержащих соединения серы, которая реагирует с находящимися в воздухе другими газами, образуя сульфаты, разрушающие озоновый слой. Но гораздо большее влияние на стратосферный озон оказывают антропогенные воздействия, т.е. деятельность человека. И она многообразна. Использование в хозяйственной деятельности таких соединений, как ХФУ, бромистый метил, галоны, растворители, разрушающие озон, также приводят к истощению озонового слоя. Хлорфторуглероды (ХФУ) или другие ОРВ, выпущенные человеком в атмосферу, достигают стратосферы, где под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы теряют атом хлора. Агрессивный хлор начинает разбивать одну за другой молекулы озона, сам при этом не претерпевая никаких изменений. Срок существования различных ХФУ в атмосфере от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано, что за это время один атом хлора способен превратить в кислород 100 000 молекул озона. Однако озоновый слой разрушает также реактивная авиация и некоторые пуски космических ракет

     В изучении проблемы озонового слоя наука  оказалась удивительно недальновидной. Еще с 1975 г. содержание стратосферного озона над Антарктидой в весенние месяцы стало заметно падать. В середине 1980-х годов его концентрация снизилась уже на 40%. Вполне можно было говорить об образовании озоновой дыры. Ее размеры достигли примерно площади США. Тогда же появились еще слабовыраженные - со снижением концентрации озона на 1,5-2,5% - дыры вблизи Северного полюса и южнее. Край одной из них зависал даже над Санкт- Петербургом.

     Однако  еще в первой половине 1980-х некоторые  ученые продолжали рисовать радужную перспективу, предвещая убыль стратосферного озона лишь на 1-2% и то чуть ли не через 70-100 лет.

     В 1985 г. английские ученые опубликовали статью, в которой утверждалось, что каждой весной, начиная с 1980 г., над Антарктидой образуются значительные области уменьшения общего содержания озона. Выяснилось, что диаметр её свыше 1000 километров, площадь – около 9 миллионов квадратных километров. Этот результат журналисты превратили в сенсацию, объявив о существовании "озоновой дыры" над Антарктидой. Сегодня принято аномалии озона относить к "озоновым дырам", если дефицит озона превышает 30%.

     5.2 Последствия разрушения озонового слоя. 

     Озоновый  слой защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца.

     Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере менее 0.0001%, однако, именно озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца с длиной волны l<280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б с 280<l<315 нм, наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов.

     Падение концентрации озона на 1% приводит в  среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%. Эта оценка подтверждается измерениями, проведенными в Антарктиде (правда, из-за низкого положения солнца, интенсивность ультрафиолета в Антарктиде все еще ниже, чем в средних широтах).

       По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у g-излучения длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, и поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул.

     По  мнению врачей, каждый потерянный процент  озона в масштабах планеты вызывает до 150 тысяч дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, вызывает 4%-ный скачок в распространении рака кожи, значительно возрастает  число болезней, вызванных ослаблением иммунной системы человека. Наибольшему риску подвержены жители северного полушария со светлой кожей.

     Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако, значительно количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом, получая большую дозу УФ облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона. Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при увеличении интенсивности жесткого УФ может серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жесткому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они. Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится, человечество легко найдет способ защититься от жесткого УФ излучения но при этом рискует умереть от голода. 

     5.3 Меры по сохранению и восстановлению озонового слоя 

     Многие  страны мира разрабатывают и осуществляют мероприятия по выполнению Венских  конвенций об охране озонового слоя и Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой.

     Монреальский  протокол: первое глобальное экологическое соглашение, достигшее всеобщей ратификации и всемирного участия 196 стран. Монреальский протокол был подписан 16 сентября 1987 года. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя.  К концу 2009 года деятельность, осуществленная в рамках Монреальского протокола привела к выводу из обращения 98% веществ, разрушающих озоновый слой. Другое важное достижение Монреальского протокола – в ближайшем будущем страны должны были прекратить производство и потребление хлорфторуглеродов, галонов, четырёххлористого углерода и других гидрогенизованных соединений, разрушающих озоновый слой. Все эти вещества объединяются под единым названием – озоноразрушающие вещества (далее по тексту ОРВ).

       Без Монреальского протокола  и Венской конвенции, содержание  ОРВ в атмосфере повысилось  бы в 10 раз к 2050, что привело  бы к 20 миллионам случаев рака  кожи и 130 миллионам случаев катаракты глаза, не говоря об ущербе, нанесенном иммунной системе человека, фауне и сельскому хозяйству. Теперь мы также знаем, что некоторые из этих газов воздействуют на изменение климата. По некоторым оценкам, выведение ОРВ с 1990 года способствовало замедлению глобального потепления на 7-12 лет и каждый доллар, потраченный на озон обернулся выгодой в других областях экологии. Даже при быстрых и решительных действиях правительств согласно Монреальскому протоколу, полное восстановление защитного слоя Земли займет еще 40-50 лет.

     Согласно  международным соглашениям промышленно  развитые страны полностью прекращают производство фреонов и тетрахлорида углерода, которые также разрушают  озон, а развивающиеся страны – к 2010г. Россия из-за тяжелого финансово-экономического положения попросила отсрочки на 3 – 4 года. Страны-члены Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой, на встрече в Катаре договорились выделить в общей сложности 490 миллионов долларов в течение трех лет в Многосторонний фонд протокола для борьбы с разрушением озонового слоя, сообщает РИА Новости со ссылкой на Управление по охране окружающей среды США. Средства, которые планируют выделить в фонд как развитые, так и развивающиеся страны, «позволят прекратить использование в производстве хлорфторуглеродов и заменить гидрохлорфторуглероды на более безопасные для окружающей среды вещества», - говорится в сообщении.