Хорошее, плохое и невидимое влияние УФ-лучей на жизнь и нашу планету

Доктор Брайан Редмонд, лицензированный профессиональный геолог, профессор

УФ-лучи могут быть вредны для вашей кожи, но они хороши для качества воды? Можем ли мы видеть, обонять, пробовать УФ? Есть ли какие-нибудь интересные факты о том, что происходит с ультрафиолетом, когда он проходит через атмосферу, отличную от земной? Важно ли это для жизни на Земле и на каких уровнях? Влияют ли действия людей на количество УФ-излучения, проникающего в атмосферу? Что случилось с той озоновой дырой?

УФ, как и свет, инфракрасное излучение, рентгеновское излучение, микроволны, гамма-излучение и радиоволны — все это часть электромагнитного спектра. Разница между ними заключается в том, каковы их длины волн и сколько энергии несут их фотоны — чем короче длина волны, тем больше энергия. Ультрафиолет находится за пределами видимого света в электромагнитном спектре и имеет более короткую длину волны, что соответствует более высокой энергии.

Как и свет, УФ включает в себя диапазон длин волн и энергий. Видимый свет имеет длину волны от 700 (красный свет) до 380 (фиолетовый свет) нанометров (одна миллиардная часть метра). УФ, по самому своему названию, ультрафиолет, начинается сразу за фиолетовым светом при длине волны от ~ 400 нм (нанометров) до 100 нм, после чего начинаются рентгеновские лучи. УФ обычно подразделяют на три меньших диапазона: УФА (400-315 нм), УФВ (315-280 нм) и УФС (280-100 нм).

Та часть электромагнитного спектра за пределами видимого света, которая включает в себя ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение, несет достаточно энергии для разрыва химических связей и образования ионов, поэтому такое излучение известно как ионизирующее (оно производит ионы) излучение. Обратите внимание, что микроволновое излучение с гораздо большей длиной волны, чем даже видимый свет, не является ионизирующим излучением. Он может поджарить вас, но ничего не ионизирует.

В большинстве случаев видимому свету не хватает энергии, чтобы ионизировать что-либо, но с правильными катализаторами и некоторой другой помощью он может это сделать, поэтому солнечные батареи могут создавать электричество, используя видимый свет, а растения могут фотосинтезировать.

UVA имеет достаточно энергии, чтобы вызвать загар у людей, но он повреждает и старит кожу. Более энергичный UVB может проникать в кожу и разрушать химические связи для создания витамина D3 , что хорошо, но, к сожалению, оно не ограничивается разрушением химических связей, которые создают витамин D3, но может разрушать и разрушает другие важные молекулы. Длительное воздействие слишком большого количества ультрафиолета может постепенно разрушать запасы фолиевой кислоты в организме, вызывая состояние, известное как тропическая спру, с потенциально ужасными последствиями.

Цвет кожи тесно связан с воздействием ультрафиолета. Вам нужно достаточное количество УФ-излучения для производства витамина D3, который имеет решающее значение для роста костей, но не настолько, чтобы он уменьшал запасы фолиевой кислоты. Люди, чьи предки жили в тропиках с высоким уровнем ультрафиолетового излучения, как правило, имеют более темную кожу, потому что большее количество меланина в коже защищает тело, поглощая/блокируя часть ультрафиолета.

Переместите тех же людей подальше от тропиков в районы с низким уровнем УФ-излучения, и они станут восприимчивы к рахиту, потому что не могут вырабатывать достаточное количество витамина D3, поэтому во многих странах молоко обогащают витамином D. Люди со светлой кожей имеют гораздо меньше проблема с получением достаточного количества УФ-облучения для производства витамина D, за исключением, пожалуй, зимы. Переместите их в тропики, и им придется беспокоиться о серьезном дефиците фолиевой кислоты и раке кожи. Таким образом, УФ-излучение может быть вредным для кожи, но определенное количество облучения также необходимо для хорошего здоровья. Поддержание хорошего баланса может быть проблемой .

Люди не могут видеть УФ, хотя некоторые птицы и насекомые, такие как пчелы, могут. УФ-лампа излучает то, что иногда называют черным светом (потому что мы его не видим), но при поглощении определенными веществами создает флуоресценцию или фосфоресценцию (она продолжает светиться некоторое время после отключения питания), поскольку поглощенное УФ-излучение восстанавливается. — излучается в виде видимого света. Флуоресцентный свет на самом деле излучает УФ-излучение, но белый порошок внутри люминесцентной лампы поглощает УФ-излучение и повторно излучает его в виде белого света.

Видимый свет не имеет ни запаха, ни вкуса, равно как и УФ, хотя мы все можем почувствовать результат слишком сильного воздействия УФ — просто спросите любого, кто когда-либо получал солнечные ожоги. Мы, пожилые люди, хорошо знаем еще одно последствие воздействия ультрафиолета на протяжении всей жизни – катаракту и, возможно, рак кожи.

Будучи ионизирующим излучением, УФ может стерилизовать воду , убивая любые микробы, которые могут быть в ней, что, с нашей точки зрения, хорошо. Несколько футов воды достаточно, чтобы поглотить/блокировать все ультрафиолетовое излучение, что защищало морскую жизнь на ранней Земле, когда не было озонового слоя, блокирующего большую часть ультрафиолетового излучения.

На протяжении большей части истории Земли в атмосфере не хватало кислорода для создания защитного озонового слоя в стратосфере. Следовые количества кислорода начали появляться около 3 миллиардов лет назад, но даже полмиллиарда лет назад количество атмосферного кислорода составляло всего один-два процента. Сравните это с нынешними 21%.

Есть свидетельства того, что жизнь в земных океанах существовала уже 4 миллиарда лет назад, но наземные растения начали появляться лишь около 470 миллионов лет назад. Почему это заняло так много времени? Морскому фотосинтезу потребовались миллиарды лет, чтобы создать в атмосфере уровень кислорода, достаточный для создания хорошего стратосферного озонового слоя. Без этого озонового слоя уровни УФ-излучения на поверхности Земли были бы смертельными для всего, что высунет голову из воды.

Ходят разговоры о колониях на Луне и Марсе, но Луна, вообще без атмосферы, и Марс с очень тонкой атмосферой и без озонового слоя имеют очень высокие уровни ультрафиолетового излучения на своей поверхности. Любая лунная или марсианская колония должна будет уйти под землю для защиты от УФ (и космического излучения).

УФ, являясь ионизирующим излучением , хорошо разрушает химические связи, которые в живых существах могут вызывать рак, мутации и даже смерть. Он также может разорвать химические связи атмосферных соединений, особенно с водородными связями, в процессе, известном как фотолиз (буквально, разрывать/расщеплять светом). Общие простые соединения водорода в атмосферах некоторых планет, подверженные фотолизу, включают воду (H ₂ O), метан (CH ₄ ) и аммиак (NH ₃ ).

Связи сильнее для чего-то вроде двуокиси углерода (CO ₂ ), которую УФ не может расщепить. На очень ранней Венере, вероятно, были океаны, как на Земле, но, будучи ближе к Солнцу, более горячая Венера быстро оказалась с океанами водяного пара в своей атмосфере. Водяной пар, как и углекислый газ, является парниковым газом, поэтому весь этот венерианский водяной пар сделал Венеру еще более горячей, чем сегодня. Это также сделало воду уязвимой для фотолиза, который расщепил молекулу воды на водород и газообразный кислород.

Венера недостаточно массивна, чтобы удерживать газообразный водород (как и Земля), поэтому водород был потерян в космосе. Кислород в сочетании с очень горячей поверхностной породой образует оксиды, придающие поверхности Венеры красноватый оттенок, который вы не можете увидеть из-за очень густых облаков. Марс тоже, вероятно, потерял некоторое количество водяного пара в результате фотолиза, хотя, будучи намного холоднее, большая часть воды замерзла на поверхности.

Земля тоже потеряла значительное количество воды в результате фотолиза до образования озонового слоя, но, будучи более прохладной, чем Венера, удерживала большую ее часть в поверхностных океанах, а не в воздухе в виде уязвимого водяного пара.

Нормальный газообразный кислород является двухатомным (два атома кислорода связаны вместе, O ₂ ). Молекула озона представляет собой триплет O ₃ . Энергия УФ-излучения поглощается молекулой озона путем расщепления озона: О ₃ + УФ —> О ₂ + О. Этот единственный атом кислорода очень реактивен и с помощью молекулы азота (N ₂ ) или другого О ₂ будет быстро снова образуют озон: O + O ₂ —> O ₃ . А затем на сцену вышли люди.

Люди очень хорошо умеют создавать химические вещества и технологии, которые улучшают нашу жизнь, например, холодильники и кондиционеры. Для этих охлаждающих устройств требуется некоторое вещество с высокой теплоемкостью, которое может легко переходить из газа в жидкость и обратно, в процессе переноса тепла. В ранних холодильниках иногда использовались такие соединения, как аммиак и диоксид серы, которые работали хорошо, но в случае утечки могли быть весьма токсичными. А затем, в 1928 году, ученые разработали фреон.

В отличие от предыдущих хладагентов фреон не имеет запаха и не токсичен. На самом деле это группа очень стабильных соединений углерода, хлора и фтора, известных под общим названием CFC (хлорфторуглероды), таких как фреон 22, который представляет собой CCl ₂ F ₂ . Неизбежно, что во время производства и использования некоторое количество фреона выбрасывается в атмосферу. Часть его достигла озонового слоя со следующими результатами:

Вы можете видеть, что УФ-излучение достаточно энергично, чтобы отщепить атом хлора от молекулы на первом этапе. Как и отдельный атом кислорода, одиночный атом хлора очень реактивен, настолько, что он отрывает кислород от молекулы озона на втором этапе, разрушая молекулу озона. Затем УФ-излучение расщепляет ClO, оставляя после себя один очень реактивный атом кислорода, который отрывает кислород от другого атома озона, разрушая этот озон на четвертом этапе. Также остается один очень реактивный атом хлора, который затем запускает цикл снова и снова, разрушая тысячи молекул озона.

Химики пытались сделать хладагенты менее враждебными к озону, такие как ГФУ (гидрофторуглероды), которые оказались весьма безвредными для озона, но возникла другая проблема. Оказывается, ГФУ являются суперпарниковыми газами, в тысячи раз более мощными, чем углекислый газ. Иногда вы просто не можете победить; так и продолжаются поиски.

Тем временем мировое производство фреона практически остановилось. Однако период полураспада фреона в атмосфере составляет от нескольких лет до десятилетий. Бывает и так, что очень низкие температуры в стратосфере над полярными областями усиливают разрушение озона, поэтому над полярными областями появляются озоновые дыры. По мере того, как количество стратосферного фреона медленно уменьшается, озоновые дыры медленно закрываются.

Источник: Доктор Брайан Редмонд, лицензированный профессиональный геолог, профессор