Содержание
Введение
1. Озоновые дыры и причины их возникновения
1.1 Источники разрушения озонового слоя
1.2 Озоновая дыра над Антарктикой
2. Основные мероприятия по защите озонового слоя
3. Правило оптимальной компонентной дополнительности
4. Закон Н.Ф. Реймерса о разрушении иерархии экосистем
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Современная кислородная атмосфера Земли – уникальное явление среди планет Солнечной системы, и эта её особенность связана с наличием на нашей планете жизни.
Проблема экологии для людей сейчас, несомненно, самая главная. На реальность экологической катастрофы указывает разрушение озонного слоя Земли. Озон — трехатомная форма кислорода, образуется в верхних слоях атмосферы под действием жесткого (коротковолнового) ультрафиолетового излучения Солнца.
Сегодня озон беспокоит всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонного слоя в атмосфере, а считал только, что запах озона является признаком свежего воздуха. (Недаром озон в переводе с греческого означает ''запах''.) Этот интерес понятен – речь идёт о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. В настоящее время назрела необходимость принять определённые обязательные для всех решения, которые позволили бы сохранить озонный слой. Но чтобы эти решения были правильны, нужна полная информация о тех факторах, которые изменяют количество озона в атмосфере Земли, а также о свойствах озона, о том, как именно он реагирует на эти факторы.
1. Озоновые дыры и причины их возникновения
Озоновый слой — это широкий атмосферный пояс, простирающийся на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли. Химически озон — это молекула, состоящая из трех атомов кислорода (молекула кислорода содержит два атома). Концентрация озона в атмосфере очень мала, и небольшие изменения количества озона приводят к серьезным изменениям интенсивности ультрафиолета, достигающего земной поверхности. В отличии от обычного кислорода озон неустойчив, он легко переходит в двухатомную, устойчивую форму кислорода. Озон – гораздо более сильный окислитель, чем кислород, и это делает его способным убивать бактерии, подавлять рост и развитие растений. Впрочем, из-за его низкой в обычных условиях концентрации в приземных слоях воздуха эти его особенности практически не влияют на состояние живых систем.
Гораздо важнее его другое свойство, делающее этот газ совершенно необходимым для всей жизни на суше. Это свойство – способность озона поглощать жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. Кванты жесткого УФ обладают энергией, достаточной для разрыва некоторых химических связей, поэтому его относят к ионизирующим излучениям. Как и другие излучения этого рода, рентгеновское и гамма-излучение, оно вызывает многочисленные нарушения в клетках живых организмов. Озон образуется под воздействием высокоэнергетичной солнечной радиации, стимулирующей реакцию между О2 и свободными атомами кислорода. Под воздействием умеренной радиации он распадается, абсорбируя энергию этой радиации. Таким образом, этот цикличный процесс «съедает» опасный ультрафиолет.
Молекулы озона, как и кислорода, электрически нейтральные, т.е. не несут электрического заряда. Поэтому само по себе магнитное поле Земли не влияет на распределение озона в атмосфере. Верхний слой атмосферы – ионосфера, практически совпадает с озоновым слоем.
В полярных зонах, где силовые линии магнитного поля Земли замыкаются на ее поверхности, искажения ионосферы весьма значительны. Количество ионов, в том числе и ионизированного кислорода, в верхних слоях атмосферы полярных зон снижено. Но главная причина малого содержания озона в области полюсов – малая интенсивность солнечного облучения, падающего даже во время полярного дня под малыми углами к горизонту, а во время полярной ночи отсутствуют вовсе. Площадь полярных «дыр» в озоновом слое – надежный показатель изменений общего содержания озона в атмосфере.
Содержание озона в атмосфере колеблется вследствие многих естественных причин. Периодические колебания связаны с циклами солнечной активности; многие компоненты вулканических газов способны разрушать озон, поэтому повышение вулканической активности ведет к снижению его концентрации. Благодаря высоким, сверураганным скоростям воздушных потоков в стратосфере разрушающие озон вещества разносятся на большие площади. Переносятся не только разрушители озона, но и он сам, поэтому нарушения концентрации озона быстро разносятся на большие площади, а локальные небольшие «дыры» в озоновом щите, вызванные, например, запуском ракеты, сравнительно быстро затягиваются. Только в полярных областях воздух малоподвижен, вследствие чего исчезновение там озона не компенсируется его заносом из других широт, и полярные «озонные дыры», особенно на Южном полюсе, весьма устойчивы.
1.1 Источники разрушения озонового слоя
Среди разрушители озонного слоя можно выделить:
1) Фреоны.
Озон разрушается под воздействием соединений хлора, известных как фреоны, которые, также разрушаясь под воздействием солнечной радиации, освобождают хлор, «отрывающий» от молекул озона «третий» атом. Хлор в соединения не образовывает, но служит катализатором «разрыва». Таким образом, один атом хлора способен «погубить» много озона. Считается, что соединения хлора способны оставаться в атмосфере от 50 до 1500 лет (в зависимости от состава вещества) Земли. Наблюдения за озоновым слоем планеты проводились антарктическими экспедициями с середины 50-х.
Озоновая дыра над Антарктидой, увеличивающаяся по весне и уменьшающаяся к осени, была обнаружена в 1985 году. Открытие метеорологов вызвало цепь последствий экономического характера. Дело в том, что в существовании «дыры» была обвинена химическая промышленность, производящая вещества, содержащие фреоны, способствующие разрушению озона (от дезодорантов до холодильных установок).
В вопросе о том насколько человек повинен в образовании «озоновых дыр» — единого мнения нет.
С одной стороны – да, безусловно повинен. Производство соединений, приводящих к разрушению озона, следует свести к минимуму, а лучше и вообще прекратить. То есть отказаться от целого сектора промышленности, с оборотом в многие миллиарды долларов. А если не отказаться — то перевести ее на «безопасные» рельсы, что тоже стоит денег.
Точка зрения скептиков: человеческое влияние на атмосферные процессы, при всей его разрушительности в локальном плане, в планетарном масштабе — ничтожно. Антифреоновая кампания «зеленых» имеет вполне прозрачную экономическую и политическую подоплеку: с ее помощью крупные американские корпорации (Дюпон, например), душат своих зарубежных конкурентов, навязывая соглашения по «охране окружающей среды» на государственном уровне и насильно вводя новый технологический виток, который более слабые в экономическом отношении государства выдержать не в состоянии.
2) Высотные самолёты.
Разрушению озонного слоя способствуют не только фреоны, выделяющиеся в атмосферу и попадающие в стратосферу. К разрушению озонного слоя причастны и окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах. Но окислы азота образуются и в камерах сгорания турбореактивных двигателей высотных самолётов. Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скорость образования окислов азота тем больше, чем выше температура, т. е. чем больше мощность двигателя.
Важна не только мощность двигателя самолёта, но и высота, на которой он летает и выпускает разрушающие озон окислы азота. Чем выше образуется окись или закись азота, тем он губительнее для озона.
Общее количество окиси азота, которое выбрасывается в атмосферу в год, оценивается в 1 млрд. т. Примерно треть этого количества выбрасывается самолётами выше среднего уровня тропопаузы (11 км). Что касается самолётов, то наиболее вредными являются выбросы военных самолётов, количество которых исчисляется десятками тысяч. Они летают преимущественно на высотах озонного слоя.
3) Минеральные удобрения.
Озон в стратосфере может уменьшаться и за счет того, что в стратосферу попадает закись азота N2 O, которая образуется при денитрификации связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхнем слое океанов и морей. Процесс денитрификации напрямую связан с количеством связанного азота в почве. Таким образом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почву минеральных удобрений будет в такой же мере увеличиваться и количество образованной закиси азота N2 O. Далее, из закиси азота образуются окислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.
4) Ядерные взрывы.
При ядерных взрывах выделяется очень много энергии в виде тепла. Температура, равная 60000К устанавливается уже через несколько секунд после ядерного взрыва. Это энергия огненного шара. В сильно нагретой атмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие при нормальных или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона, его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этих преобразованиях окислы азота. Так, за период с 1952 по 1971 г. в результате ядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 млн т. окислов азота. Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадают на разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химические реакции с участием озона, приводя к его разрушению.
5) Сжигание топлива.
Закись азота обнаруживается и в дымовых газах электростанций. Собственно, о том, что окись и двуокись азота присутствуют в продуктах сгорания, было известно давно. Но эти высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно, загрязняют атмосферу, способствуют образованию в ней смога, но довольно быстро удаляются из тропосферы. Закись же азота, как уже говорилось, опасна для озона. При низких температурах она образуется в таких реакциях:
N2 + O + M = N2 O + M,
2Nh4 + 2O2 =N2 O = 3h3 .
Масштаб этого явления очень значителен. Таким путём в атмосфере ежегодно образуется примерно 3 млн т. закиси азота! Эта цифра говорит о том, что этот источник разрушения озона существенный.
1.2 Озоновая дыра над Антарктикой
О значительном уменьшении общего содержания озона над Антарктикой впервые было сообщено в 1985 г. Британской антарктической службой на основании анализа данных озонометрической станции Хэлли-Бей (76 гр. ю. ш.). Уменьшение озона наблюдалось этой службой и на Аргентинских островах (65 гр. ю. ш.).
С 28 августа по 29 сентября 1987 г. было выполнено 13 полётов самолёта-лаборатории над Антарктикой. Эксперимент позволил зарегистрировать зарождение озонной дыры. Были получены её размеры. Исследования показали, что наибольшее уменьшение количества озона имело место на высотах 14 — 19 км. Здесь же приборы зарегистрировали наибольшее количество аэрозолей (аэрозольные слои). Оказалось, что, чем больше имеется аэрозолей на данной высоте, тем меньше там озона. Самолёт — лаборатория зарегистрировал уменьшение озона, равное 50%. Ниже 14 км. изменений озона было несущественным.
Уже к началу октября 1985 г. озонная дыра (минимум количества озона) охватывает уровни с давлением от 100 до 25 гПа, а в декабре диапазон высот, на которых она наблюдается, расширяется.
Во многих экспериментах измерялось не только количество озона и других малых составляющих атмосферы, но и температуры. Была установлена самая тесная связь между количеством озона в стратосфере и температурой воздуха там же. Оказалось, что характер изменения количества озона тесно связан с тепловым режимом стратосферы над Антарктидой.
Образование и развитие озонной дыры в Антарктиде наблюдали английские учёные и в 1987 г. Весной общее содержание озона уменьшилось на 25%.
Американские исследователи проводили измерения в Антарктике зимой и ранней весной 1987 г. озона и других малых составляющих атмосферы (HCl, HF, NO, NO2, HNO3, ClONO2, N2 O, Ch5 ) c помощью специального спектрометра. Данные этих измерений позволили очертить область вокруг Южного полюса, в которой количество озона уменьшено. Оказалось, что эта область совпадает практически в точности с крайним полярным стратосферным вихрем. При переходе через край вихря резко менялось количество не только озона, но и других малых составляющих, оказывающих влияние на разрушение озона. В пределах озонной дыры (или, другими словами, полярного стратосферного вихря) концентрация HCl, NO2 и азотной кислоты была значительно меньше, чем за пределами вихря. Это имеет место потому, что хлорины в продолжении холодной полярной ночи разрушают озон в соответствующих реакциях, выступая в них как катализаторы. Именно в каталитическом цикле с участием хлора происходит основное уменьшение концентрации озона (по крайней мере 80% этого уменьшения).
Эти реакции протекают на поверхности частиц, составляющих полярные стратосферные облака. Значит, чем больше площадь этой поверхности, т. е. чем больше частиц стратосферных облаков, а значит, и самих облаков, тем быстрее в конце концов распадается озон, а значит, тем эффективнее образуется озонная дыра.
2. Основные мероприятия по защите озонового слоя
Поскольку наиболее активный разрушитель озонового щита Земли – хлор, основные меры, разрабатываемые для сдерживания истощения озона, сводятся к снижению выбросов в атмосферу хлора и хлорсодержащих соединений, прежде всего фреонов. Одна из главных технологических задач, решения которой ищут во всех промышленно развитых странах, — замена фреонов на другие хладагенты, не содержащие хлора и вместе с тем не уступающие фреонам по основным физическим свойствам и химической инертности.
Другая задача, уже практически решенная в ракетоносителе «Энергия», заключается в переводе ракетной техники и высотной реактивной авиации на экологически безопасные виды топлива и двигатели.
Снижение выбросов оксидов азота наземными промышленными, энергетическими и транспортными системами имеет значение не только для снижения кислотности осадков и решения проблемы «кислых дождей». Окислы азота не полностью вымываются осадками, часть их достигает высот, на которых существует озоновый слой, и вносит свою лепту в его истощение.
Хотя окислы азота, по сравнению с хлором, в 10 тысяч раз менее активны как разрушители озона, их выброс в атмосферу многократно превышает выброс хлора. Это повышает важность разработки двигателей, энергетических установок, котлов, новых видов топлива и способов его сжигания, которые сводили бы к минимуму образование и выброс в атмосферу окислов азота.
Первая международная конвенция по мерам предохранения озонового слоя была заключена в Вене в 1985 году. Через несколько месяцев после нее была обнаружена «озоновая дыра» в Южном полушарии. После этого в Монреале был подписан протокол, обязывающий страны-участницы избавляться от своих вредных фреонов. В 1990, 1992 и 1997 гг. список разрушительных веществ пополнялся. В случае его соблюдения всеми странами (а Китай, например, и Индия конвенцию не подписали, рассудив, что она им «не по карману») прогнозисты обещали восстановление озонового слоя к 2150 году. Главными производителями вредных для озона соединений (90% от общемирового объема) называются развивающиеся страны (которые, по сути, являются потребителями устаревшей продукции «цивилизованных» стран) и страны бывшего СССР.
В то же время заявлено, что выброс фреонов в атмосферу, в 1986 году, достигавший 1.1 миллиона тонн, к 1996 г. снизился до 160 тысяч тонн. Без Монреальской конвенции к 2010 году мы имели бы 8 миллионов тонн годовых выбросов.
3. Правило оптимальной компонентной дополнительности
Правило оптимальной компонентной дополнительности гласит, что никакая экосистема не может самостоятельно существовать при искусственно созданном избытке или недостатке одного из экологических компонентов.
«Нормой» экологического компонента следует считать ту, которая обеспечивает экологическое равновесие определенного типа, позволяющее функционировать именно той экосистеме, которая эволюционно сложилась и соответствует балансу в природной надсистеме и всей иерархии природных систем на данной единице пространства (в конкретном биотопе).
4. Закон Н.Ф. Реймерса о разрушении иерархии экосистем
Закон Н.Ф. Реймерса о разрушении иерархии экосистем гласит, что разрушение более трех уровней в экосистемной иерархии абсолютно необратимо и катастрофично.
Иерархические уровни геохор (биохор) – это расположение в порядке от высшего к низшему. Различают пять основных уровней угеохор и биохор:
— гигахоры – главнейшие элементы биосферы и географической оболочки: океаны и материки, биоклиматические пояса и биогеографические царстваразмером более 106 км2 ;
— мегахоры – единицы природно-хозяйственного и биогеографического (фитогеографического) районирования размером 103 -105 км2 ;
— макрохоры – территория конкретных ландшафтов, размером 10-10-2 км2 ;
— микрохоры и мезохоры – морфологические единицы ландшафта, размером 10-1 -10-2 км2 и входящие в их состав биогеоценозы.
Каждая подсистема следует за своей системой, вернее, развитие надсистемы определяет многие ограничения в развитии входящих в нее подсистем. Такой процесс «подталкивания», направления развития характерен для всего системного мира как в сверхдлинных отрезках эволюционного времени, так и в сравнительно коротких сроках индивидуального развития. Всюду есть взаимоотношения в иерархии систем — эволюция эволюций и развитие развитей. Если развитие относительно детерминировано воздействием иерархии надсистем, а отчасти и подсистем в прошлом (подсистемы, изменяясь, не могут не влиять на целое, пример тому мутации), то характер процессов не изменится и в будущем, во всяком случае ближайшем (в масштабе характерного времени систем). И хотя принцип «развитие есть движение движений во всей иерархии значимых систем» не позволяет создать одной безальтернативной модели, все же можно прогнозировать вероятный ход событий.
Н.Ф. Реймерс (1994) отмечает, что закон неравномерности развития систем, или, лучше, закон разновременности развития (изменения) подсистем в больших системах может быть сформулирован в таком виде: системы одного уровня иерархии (как правило, подсистемы системы более высокого уровня организации) развиваются не строго синхронно — в то время, когда одни из них достигли более высокого уровня развития, другие ещё остаются в менее развитом состоянии.
Заключение
Все глобальные экологические проблемы взаимосвязаны, и ни одна из них не должна рассматриваться в изоляции от других.
Казалось бы, количество озона в атмосфере очень велико – около 3 миллиардов тонн. Это, однако, ничтожная доля от всей атмосферы. Если бы весь озон атмосферы находился в приземном слое воздуха, то при «нормальных условиях» (давления 1 атмосфера и температура 25 градусов Цельсия) толщина озонового экрана, защищающего Землю от жесткого УФ-излучения Солнца, составляла бы всего около 3мм. Вместе с тем эффективность озонового слоя очень велика. В частности, специалистами рассчитано, что снижение содержания озона на 1% ведет к такому повышению интенсивности УФ-облучения поверхности, в результате которого количество смертей от рака кожи возрастет на 6-7 тысяч человек в год.
Необходимо срочно принимать меры к охране озонового слоя: разрабатывать безвредные хладагенты, способные заменить фреоны в промышленности и быту, экологически безопасные двигатели самолетов и космических ракетных систем, разрабатывать технологии, уменьшающие выбросы окислов азота в промышленности и на транспорте. Существующие международные соглашения по озону, Венская международная конвенция по охране озонового слоя и Монреальский протокол, обязывающий подписавшие его государства вести работу в конкретных направлениях, пока недостаточно эффективны. Еще недостаточно осознана людьми опасность, еще мало талантливых исследователей и инженеров работают в этой области. А время не ждет.
Список использованной литературы
1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. – М.: ЮНИТИ, 1998. – 455 с.
2. Дедю И.И. Экологический эниклопедический словарь. – Кишинев: Мир, 1990. – 568 с.
3. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. законы эволюции и самоорганизации слоднх систем. – М.: Наука, 1994. – 250 с.
4. Кормилицин З.И. Основы экологии. – М.: «Интерстиль», 1997. – 364 с.
5. Общая экология: взаимодействие общества и природы. – СПб.: Химия, 1997.- 352 с.
6. Сверлова Л.И., Воронина Н.В. Загрязнение природной среды и экологическая потология человека. – Хабаровск.: ХГАЭП, 1995. – 106-108 с.
7. Розанов С.И. Общая экология. – СПб.: Издтельство «Лань», 2001. – 288 с.
www.ronl.ru
Оглавление
_Toc225102568
Введение3
Химические и биологические особенности озона3
История изучения озона4
Причины образования “озоновой дыры”4
Источники загрязнения атмосферы. Антропогенные факторы_ 4
Геологические источники загрязнений_ 4
Заблуждения об озоновых «дырах»_ 4
Пути решения проблем_ 4
Список литературы_ 4
“Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания”.
Ж.Б.Ламарк.
С тех пор как сформировалось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, оно стало многообразнее и грозит стать глобальной опасностью для человечества. Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты. Реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.
Можно выделить главные причины, ведущие к экологической катастрофе:
· загрязнение;
· отравление среды обитания;
· обеднение атмосферы кислородом;
· формирование озоновых «дыр».
В данном сообщении обобщены некоторые литературные данные о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр”.
Озон является аллотропной модификацией кислорода. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 → 3О2 ) и высокую окислительную способность. Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH + О3 → RО2. + OH.
Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в среде, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,1 мг/м3 .
Озона, которым так замечательно пахнет во время грозы, в атмосфере совсем немного — 3-4 ppm (промилле) — (3-4)*10-4 %. Однако для флоры и фауны планеты его присутствие необычайно важно. Ведь зародившаяся в океанских пучинах жизнь и смогла-то «выползти» на сушу только после того, как 600–800 млн. лет назад сформировался озоновый щит. Поглощая биологически активное солнечное ультрафиолетовое излучение, он обеспечил его безопасный уровень на поверхности планеты. Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняющего все живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям – вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира. Поэтому так важно понять причины возникновения озоновой «дыры» над Антарктикой и уменьшения содержания озона в Северном полушарии.
Озон образуется в верхней стратосфере (40-50 км) при фотохимических реакциях с участием кислорода, азота, водорода и хлора. Атмосферный озон сосредоточен в двух областях – стратосфере (до 90 %) и тропосфере. Что касается распределенного на высоте от 0 до 10 км слоя тропосферного озона, то его-то как раз благодаря неконтролируемым промышленным выбросам становится все больше. В нижней стратосфере (10-25 км), где озона больше всего, главную роль в сезонных и более длительных изменениях его концентрации играют процессы переноса воздушных масс.
Толщина озонового слоя над Европой сокращается стремительными темпами, что не может не волновать умы ученых. За прошлый год толщина озонового «покрытия» сократилась на 30%, а скорость ухудшения естественной защитной оболочки достигла самой высокой отметки за последние 50 лет. Установлено, что химические реакции, разрушающие озон, происходят на поверхности ледяных кристаллов и любых иных частиц, попавших в высокие стратосферные слои над полярными районами. Какую опасность это представляет для человека?
Тонкий озоновый слой (2-3 мм при распределении вокруг Земного шара) не в силах препятствовать проникновению коротковолновых ультрафиолетовых лучей, которые вызывают рак кожи и опасны для растений. Поэтому сегодня из-за высокой активности солнца загорать стало менее полезно. Вообще-то центры экологии должны давать рекомендации населению, как действовать в зависимости от активности солнца, но в нашей стране такого центра нет.
С уменьшением озонового слоя связаны климатические изменения. Понятно, что изменения будут происходить не только на той территории, над которой «растянулась» озоновая дыра. Цепная реакция повлечет за собой изменения во многих глубинных процессах нашей планеты. Это не значит, что везде начнется стремительное глобальное потепление, как нас пугают в фильмах ужасов. Все-таки это слишком сложный и длительный процесс. Но могут возникнуть другие катаклизмы, к примеру, увеличится число тайфунов, смерчей, ураганов.
Установлено, что «дыры» в озоновом слое возникают над Арктикой и Антарктидой. Это объясняется тем, что на полюсах образуются кислотные облака разрушающие озоновый слой. Получается, что озоновые дыры возникают не от активности солнца, как принято считать, а от повседневно деятельности всех жителей планеты, в том числе и нас с вами. Потом «кислотные бреши» смещаются, причем чаще всего в Сибирь.
С использованием новой математической модели удалось связать воедино данные наземных, спутниковых и авиационных наблюдений с уровнями вероятных будущих выбросов в атмосферу озонразрушающих соединений, временем их переноса в Антарктику и погодой в южных широтах. При помощи модели был получен прогноз, согласно которому озоновый слой над Антарктикой восстановится в 2068 году, а не в 2050 году, как считалось.
Известно, что в настоящее время уровень озона в стратосфере над территориями, удаленными от полюсов, ниже нормы примерно на 6%. В тоже время, в весенний период содержание озона над Антарктикой может снижаться на 70% относительно среднегодовой величины. Новая модель позволяет более точно прогнозировать уровни содержания озонразрушающих газов над Антарктикой и их временную динамику, определяющую величину озоновой «дыры».
Использование веществ, разрушающих озон, ограничено Монреальским протоколом. Считалось, что это приведет к быстрому «затягиванию» озоновой дыры. Однако новые исследования показали, что в действительности темпы ее уменьшения станут заметными только с 2018 года.
Первые наблюдения за озоном относятся к 1840 г., но бурное развитие проблема озона получила в 20-е годы прошлого столетия, когда в Англии и Швейцарии появились специальные наземные станции.
Дополнительный путь для изучения связей переноса озона и стратификации атмосферы открыли самолетные зондирования озона атмосферы и выпуски озонных зондов. Новая эпоха отмечена появлением искусственных спутников Земли, наблюдающих атмосферный озон и дающих обширный объем информации.
В 1986 году был подписан Монреальский протокол по ограничению производства и потребления озоноразрушающих веществ, разрушающих озоновый слой. На сегодняшний день к Монреальскому протоколу присоединились 189 стран. Установлены сроки прекращения производства и других озоноразрушающих веществ. По модельным прогнозам при соблюдении Протокола уровень хлора в атмосфере снизится к 2050 г. до уровня 1980 г., что может привести к исчезновению антарктической «озоновой дыры».
Летом и весной концентрация озона повышается. Над полярными областями она всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980-х гг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получило название «озоновая дыра» (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не было).
Позднее, в 90-е гг прошлого века такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. Феномен Антарктической “озоновой дыры” пока не понятен: то ли “дыра” возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс.
Среди версий образования озоновых дыр можно назвать:
· влияние частиц, выбрасываемых при атомных взрывах;
· полеты ракет и высотных самолетов;
· реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны – хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора.
Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (поэтому их называют «хладонами»), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, для тушения пожаров на транспорте, как пенообразователи, для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т/год.
Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным «нарушителем порядка» в озоновом слое.
Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в атмосферу больших масс различных химических соединений. Большинство антропогенных источников сконцентрировано в городах, занимающих лишь небольшую часть территории нашей планеты. В результате движения воздушных масс с подветренной стороны больших городов образуется многокилометровый шлейф загрязнений.
Источником загрязненности воздушного бассейна являются:
1) Автомобильный транспорт. Можно предполагать, что вклад транспорта в загрязнение воздуха будет увеличиваться с ростом численности автомобилей.
2) Промышленное производство. Базовыми продуктами основного органического синтеза являются этилен (на его основе вырабатывают почти половину всех органических веществ), пропилен, бутадиен, бензол, толуол, ксилолы и метанол. В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленности присутствует широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья, промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза.
3) Аэрозоли. В качестве летучих компонентов (пропелентов) в аэрозольных упаковках широко применяются фторхлоруглеводороды (фреоны). Для этих целей использовалось около 85% фреонов и только 15% — в холодильных установках и установках искусственного климата. Специфика использования фреонов такова, что 95% их количества попадает в атмосферу через 1-2 года после производства. Считают, что почти всё произведённое количество фреонов рано или поздно должно поступить в стратосферу и включиться в каталитический цикл разрушения озона.
Земная кора содержит различные газы в свободном состоянии, сорбированные разными породами и растворённые в воде. Часть этих газов по глубинным разломам и трещинам достигают поверхности Земли и диффундирует в атмосферу. О существовании углеводородного дыхания земной коры говорит повышенное по сравнению с глобальным фоновым содержанием метана в приземном слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами.
Проведенные исследования показали, что в газах вулканов Никарагуа содержится заметные количества HF. Анализ проб воздуха, отобранных из кратера вулкана Масайя, также показали наличие в них фреонов наряду с другими органическими соединениями. Присутствуют галогенуглеводороды и в газах гидротермальных источниках. Эти данные потребовали доказательств того, что обнаруженные фторуглеводороды не имеют антропогенного происхождения. И такие доказательства были получены. Фреоны были обнаружены в пузырьках воздуха антарктического льда возрастом 2000 лет. Специалистами НАСА было предпринято уникальное исследование воздуха из герметично запаянного свинцового гроба, обнаруженного в штате Мериленд и достоверно датированного 17 веком. В нем также были обнаружены фреоны. Ещё одно подтверждение существования природного источника фреонов было “поднято ” c морского дна. CFCl3 обнаружен в воде, извлеченной в 1982 году с глубины более 4000 метров в экваториальной части Атлантического океана, у дна Алеутской впадины и на глубине 4500 метров у берегов Антарктиды.
Существует несколько широко распространённых мифов касательно образования озоновых дыр. Несмотря на свою ненаучность, они часто появляются в СМИ – иногда по неосведомлённости, иногда поддерживаемые сторонниками теорий заговоров. Ниже перечислены некоторые из них.
1) Основными разрушителями озона являются фреоны. Это утверждение справедливо для средних и высоких широт. В остальных хлорный цикл ответственен только за 15-25% потерь озона в стратосфере. При этом необходимо отметить, что 80% хлора имеет антропогенное происхождение. То есть вмешательство человека сильно увеличивает вклад хлорного цикла. До вмешательства человека процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона. Механизм разрушения озона в полярных областях в принципе отличается от более высоких широт, ключевой стадией является превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды, которая протекает на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. И в результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами (за 40-50% ответственен хлор и порядка 20-40% — бром).
2) Фреоны слишком тяжелы, чтоб достигать стратосферы.
Иногда утверждается, что так как молекулы фреонов намного тяжелее азота и кислорода, то они не могут достигнуть стратосферы в значительных количествах. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не расслаиваются или сортируются по весу. Оценки требуемого времени для диффузионного расслоения газов в атмосфере требуют времён порядка тысяч лет. Конечно в динамической атмосфере это невозможно. Поэтому даже такие тяжёлые газы, как инертные или фреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе и стратосферы. Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это. Если бы газы в атмосфере не перемешивались, то такие тяжёлые газы из её состава как аргон и углекислый газ образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы поверхность Земли необитаемой. К счастью это не так.
3) Основными источниками галогенов являются природные, а не антропогенные
Источники хлора в стратосфере
Есть мнение, что природные источники галогенов, например вулканы или океаны, более значимы для процесса разрушения озона, чем произведённые человеком. Не подвергая сомнению вклад природных источников в общий баланс галогенов, необходимо отметить, что в основном они не достигают стратосферы ввиду того, что являются водорастворимыми (в основном хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю.
4) Озоновая дыра должна находиться над источниками фреонов
Динамика изменения размера озоновой дыры и концентрации озона в Антарктике по годам.
Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. В виду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Поэтому они легко достигают верхних слоёв атмосферы. Антарктическая «озоновая дыра» существует не постоянно. Она появляется в конце зимы — начале весны.
Причины, по которой озоновая дыра образуются в Антарктике, связаны с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не возникает. С приходом лета количество озона увеличивается и снова выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой — сезонные. Однако, если проследить усреднённую в течение года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется строго определённая тенденция к падению концентрации озона.
5) Озон разрушается только над Антарктикой
Динамика изменения озонового слоя над Аросой, Швейцария
Это неверно, уровень озона также падает во всей атмосфере. Это показывают результаты долговременных измерений концентрации озона в разных точках планеты. Вы можете посмотреть на график изменения концентрации озона над Аросой (Швейцария).
Чтобы начать глобальное восстановление, нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся. Люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, в частности нужны новые посадки лесов.
Для восстановления озонового слоя его нужно подпитывать. Сначала с этой целью предполагалось создать несколько наземных озоновых фабрик и на грузовых самолетах «забрасывать» озон в верхние слои атмосферы. Однако этот проект (вероятно, он был первым проектом «лечения» планеты) не осуществлен. Иной путь предлагает российский консорциум «Интерозон»: производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой «Даза» планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода. Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции «Мир» и создать на высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта.
Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время.
Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, представляется необходимым:
— расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;
— создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;
— организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.
1. [http://www.znanie-sila.ru/news/issue_57.html + — «Знание-сила» Новости науки: 27.12.99 -] (ru -).
2. {{cite web — | url = www.duel.ru/200530/?30_4_2 — | title = «Дуэль» Стоит ли оно того? — | accessdate = 3.07.2007 — | lang = ru — }}
3. И.К.Ларин. Озоновый слой и климат Земли. Ошибки ума и их исправление…
4. National Academy of SciencesГалогенуглеводороды: воздействие на стратосферный озон = Halocarbons: Effects on Stratospheric Ozone. — 1976.
5. Бабакин Б. С. Хладагенты: история появления, классификация, применение.
6. Журнал «Экология и жизнь». Статья Е.А. Жадина, кандидат физико-математических наук.
www.ronl.ru
Содержание
Введение
1. Озоновые дыры и причины их возникновения
1.1 Источники разрушения озонового слоя
1.2 Озоновая дыра над Антарктикой
2. Основные мероприятия по защите озонового слоя
3. Правило оптимальной компонентной дополнительности
4. Закон Н.Ф. Реймерса о разрушении иерархии экосистем
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Современная кислородная атмосфера Земли – уникальное явление среди планет Солнечной системы, и эта её особенность связана с наличием на нашей планете жизни.
Проблема экологии для людей сейчас, несомненно, самая главная. На реальность экологической катастрофы указывает разрушение озонного слоя Земли. Озон — трехатомная форма кислорода, образуется в верхних слоях атмосферы под действием жесткого (коротковолнового) ультрафиолетового излучения Солнца.
Сегодня озон беспокоит всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонного слоя в атмосфере, а считал только, что запах озона является признаком свежего воздуха. (Недаром озон в переводе с греческого означает ''запах''.) Этот интерес понятен – речь идёт о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. В настоящее время назрела необходимость принять определённые обязательные для всех решения, которые позволили бы сохранить озонный слой. Но чтобы эти решения были правильны, нужна полная информация о тех факторах, которые изменяют количество озона в атмосфере Земли, а также о свойствах озона, о том, как именно он реагирует на эти факторы.
1. Озоновые дыры и причины их возникновения
Озоновый слой — это широкий атмосферный пояс, простирающийся на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли. Химически озон — это молекула, состоящая из трех атомов кислорода (молекула кислорода содержит два атома). Концентрация озона в атмосфере очень мала, и небольшие изменения количества озона приводят к серьезным изменениям интенсивности ультрафиолета, достигающего земной поверхности. В отличии от обычного кислорода озон неустойчив, он легко переходит в двухатомную, устойчивую форму кислорода. Озон – гораздо более сильный окислитель, чем кислород, и это делает его способным убивать бактерии, подавлять рост и развитие растений. Впрочем, из-за его низкой в обычных условиях концентрации в приземных слоях воздуха эти его особенности практически не влияют на состояние живых систем.
Гораздо важнее его другое свойство, делающее этот газ совершенно необходимым для всей жизни на суше. Это свойство – способность озона поглощать жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. Кванты жесткого УФ обладают энергией, достаточной для разрыва некоторых химических связей, поэтому его относят к ионизирующим излучениям. Как и другие излучения этого рода, рентгеновское и гамма-излучение, оно вызывает многочисленные нарушения в клетках живых организмов. Озон образуется под воздействием высокоэнергетичной солнечной радиации, стимулирующей реакцию между О2 и свободными атомами кислорода. Под воздействием умеренной радиации он распадается, абсорбируя энергию этой радиации. Таким образом, этот цикличный процесс «съедает» опасный ультрафиолет.
Молекулы озона, как и кислорода, электрически нейтральные, т.е. не несут электрического заряда. Поэтому само по себе магнитное поле Земли не влияет на распределение озона в атмосфере. Верхний слой атмосферы – ионосфера, практически совпадает с озоновым слоем.
В полярных зонах, где силовые линии магнитного поля Земли замыкаются на ее поверхности, искажения ионосферы весьма значительны. Количество ионов, в том числе и ионизированного кислорода, в верхних слоях атмосферы полярных зон снижено. Но главная причина малого содержания озона в области полюсов – малая интенсивность солнечного облучения, падающего даже во время полярного дня под малыми углами к горизонту, а во время полярной ночи отсутствуют вовсе. Площадь полярных «дыр» в озоновом слое – надежный показатель изменений общего содержания озона в атмосфере.
Содержание озона в атмосфере колеблется вследствие многих естественных причин. Периодические колебания связаны с циклами солнечной активности; многие компоненты вулканических газов способны разрушать озон, поэтому повышение вулканической активности ведет к снижению его концентрации. Благодаря высоким, сверураганным скоростям воздушных потоков в стратосфере разрушающие озон вещества разносятся на большие площади. Переносятся не только разрушители озона, но и он сам, поэтому нарушения концентрации озона быстро разносятся на большие площади, а локальные небольшие «дыры» в озоновом щите, вызванные, например, запуском ракеты, сравнительно быстро затягиваются. Только в полярных областях воздух малоподвижен, вследствие чего исчезновение там озона не компенсируется его заносом из других широт, и полярные «озонные дыры», особенно на Южном полюсе, весьма устойчивы.
1.1 Источники разрушения озонового слоя
Среди разрушители озонного слоя можно выделить:
1) Фреоны.
Озон разрушается под воздействием соединений хлора, известных как фреоны, которые, также разрушаясь под воздействием солнечной радиации, освобождают хлор, «отрывающий» от молекул озона «третий» атом. Хлор в соединения не образовывает, но служит катализатором «разрыва». Таким образом, один атом хлора способен «погубить» много озона. Считается, что соединения хлора способны оставаться в атмосфере от 50 до 1500 лет (в зависимости от состава вещества) Земли. Наблюдения за озоновым слоем планеты проводились антарктическими экспедициями с середины 50-х.
Озоновая дыра над Антарктидой, увеличивающаяся по весне и уменьшающаяся к осени, была обнаружена в 1985 году. Открытие метеорологов вызвало цепь последствий экономического характера. Дело в том, что в существовании «дыры» была обвинена химическая промышленность, производящая вещества, содержащие фреоны, способствующие разрушению озона (от дезодорантов до холодильных установок).
В вопросе о том насколько человек повинен в образовании «озоновых дыр» — единого мнения нет.
С одной стороны – да, безусловно повинен. Производство соединений, приводящих к разрушению озона, следует свести к минимуму, а лучше и вообще прекратить. То есть отказаться от целого сектора промышленности, с оборотом в многие миллиарды долларов. А если не отказаться — то перевести ее на «безопасные» рельсы, что тоже стоит денег.
Точка зрения скептиков: человеческое влияние на атмосферные процессы, при всей его разрушительности в локальном плане, в планетарном масштабе — ничтожно. Антифреоновая кампания «зеленых» имеет вполне прозрачную экономическую и политическую подоплеку: с ее помощью крупные американские корпорации (Дюпон, например), душат своих зарубежных конкурентов, навязывая соглашения по «охране окружающей среды» на государственном уровне и насильно вводя новый технологический виток, который более слабые в экономическом отношении государства выдержать не в состоянии.
2) Высотные самолёты.
Разрушению озонного слоя способствуют не только фреоны, выделяющиеся в атмосферу и попадающие в стратосферу. К разрушению озонного слоя причастны и окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах. Но окислы азота образуются и в камерах сгорания турбореактивных двигателей высотных самолётов. Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скорость образования окислов азота тем больше, чем выше температура, т. е. чем больше мощность двигателя.
Важна не только мощность двигателя самолёта, но и высота, на которой он летает и выпускает разрушающие озон окислы азота. Чем выше образуется окись или закись азота, тем он губительнее для озона.
Общее количество окиси азота, которое выбрасывается в атмосферу в год, оценивается в 1 млрд. т. Примерно треть этого количества выбрасывается самолётами выше среднего уровня тропопаузы (11 км). Что касается самолётов, то наиболее вредными являются выбросы военных самолётов, количество которых исчисляется десятками тысяч. Они летают преимущественно на высотах озонного слоя.
3) Минеральные удобрения.
Озон в стратосфере может уменьшаться и за счет того, что в стратосферу попадает закись азота N2 O, которая образуется при денитрификации связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхнем слое океанов и морей. Процесс денитрификации напрямую связан с количеством связанного азота в почве. Таким образом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почву минеральных удобрений будет в такой же мере увеличиваться и количество образованной закиси азота N2 O. Далее, из закиси азота образуются окислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.
4) Ядерные взрывы.
При ядерных взрывах выделяется очень много энергии в виде тепла. Температура, равная 60000К устанавливается уже через несколько секунд после ядерного взрыва. Это энергия огненного шара. В сильно нагретой атмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие при нормальных или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона, его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этих преобразованиях окислы азота. Так, за период с 1952 по 1971 г. в результате ядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 млн т. окислов азота. Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадают на разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химические реакции с участием озона, приводя к его разрушению.
5) Сжигание топлива.
Закись азота обнаруживается и в дымовых газах электростанций. Собственно, о том, что окись и двуокись азота присутствуют в продуктах сгорания, было известно давно. Но эти высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно, загрязняют атмосферу, способствуют образованию в ней смога, но довольно быстро удаляются из тропосферы. Закись же азота, как уже говорилось, опасна для озона. При низких температурах она образуется в таких реакциях:
N2 + O + M = N2 O + M,
2Nh4 + 2O2 =N2 O = 3h3 .
Масштаб этого явления очень значителен. Таким путём в атмосфере ежегодно образуется примерно 3 млн т. закиси азота! Эта цифра говорит о том, что этот источник разрушения озона существенный.
1.2 Озоновая дыра над Антарктикой
О значительном уменьшении общего содержания озона над Антарктикой впервые было сообщено в 1985 г. Британской антарктической службой на основании анализа данных озонометрической станции Хэлли-Бей (76 гр. ю. ш.). Уменьшение озона наблюдалось этой службой и на Аргентинских островах (65 гр. ю. ш.).
С 28 августа по 29 сентября 1987 г. было выполнено 13 полётов самолёта-лаборатории над Антарктикой. Эксперимент позволил зарегистрировать зарождение озонной дыры. Были получены её размеры. Исследования показали, что наибольшее уменьшение количества озона имело место на высотах 14 — 19 км. Здесь же приборы зарегистрировали наибольшее количество аэрозолей (аэрозольные слои). Оказалось, что, чем больше имеется аэрозолей на данной высоте, тем меньше там озона. Самолёт — лаборатория зарегистрировал уменьшение озона, равное 50%. Ниже 14 км. изменений озона было несущественным.
Уже к началу октября 1985 г. озонная дыра (минимум количества озона) охватывает уровни с давлением от 100 до 25 гПа, а в декабре диапазон высот, на которых она наблюдается, расширяется.
Во многих экспериментах измерялось не только количество озона и других малых составляющих атмосферы, но и температуры. Была установлена самая тесная связь между количеством озона в стратосфере и температурой воздуха там же. Оказалось, что характер изменения количества озона тесно связан с тепловым режимом стратосферы над Антарктидой.
Образование и развитие озонной дыры в Антарктиде наблюдали английские учёные и в 1987 г. Весной общее содержание озона уменьшилось на 25%.
Американские исследователи проводили измерения в Антарктике зимой и ранней весной 1987 г. озона и других малых составляющих атмосферы (HCl, HF, NO, NO2, HNO3, ClONO2, N2 O, Ch5 ) c помощью специального спектрометра. Данные этих измерений позволили очертить область вокруг Южного полюса, в которой количество озона уменьшено. Оказалось, что эта область совпадает практически в точности с крайним полярным стратосферным вихрем. При переходе через край вихря резко менялось количество не только озона, но и других малых составляющих, оказывающих влияние на разрушение озона. В пределах озонной дыры (или, другими словами, полярного стратосферного вихря) концентрация HCl, NO2 и азотной кислоты была значительно меньше, чем за пределами вихря. Это имеет место потому, что хлорины в продолжении холодной полярной ночи разрушают озон в соответствующих реакциях, выступая в них как катализаторы. Именно в каталитическом цикле с участием хлора происходит основное уменьшение концентрации озона (по крайней мере 80% этого уменьшения).
Эти реакции протекают на поверхности частиц, составляющих полярные стратосферные облака. Значит, чем больше площадь этой поверхности, т. е. чем больше частиц стратосферных облаков, а значит, и самих облаков, тем быстрее в конце концов распадается озон, а значит, тем эффективнее образуется озонная дыра.
2. Основные мероприятия по защите озонового слоя
Поскольку наиболее активный разрушитель озонового щита Земли – хлор, основные меры, разрабатываемые для сдерживания истощения озона, сводятся к снижению выбросов в атмосферу хлора и хлорсодержащих соединений, прежде всего фреонов. Одна из главных технологических задач, решения которой ищут во всех промышленно развитых странах, — замена фреонов на другие хладагенты, не содержащие хлора и вместе с тем не уступающие фреонам по основным физическим свойствам и химической инертности.
Другая задача, уже практически решенная в ракетоносителе «Энергия», заключается в переводе ракетной техники и высотной реактивной авиации на экологически безопасные виды топлива и двигатели.
Снижение выбросов оксидов азота наземными промышленными, энергетическими и транспортными системами имеет значение не только для снижения кислотности осадков и решения проблемы «кислых дождей». Окислы азота не полностью вымываются осадками, часть их достигает высот, на которых существует озоновый слой, и вносит свою лепту в его истощение.
Хотя окислы азота, по сравнению с хлором, в 10 тысяч раз менее активны как разрушители озона, их выброс в атмосферу многократно превышает выброс хлора. Это повышает важность разработки двигателей, энергетических установок, котлов, новых видов топлива и способов его сжигания, которые сводили бы к минимуму образование и выброс в атмосферу окислов азота.
Первая международная конвенция по мерам предохранения озонового слоя была заключена в Вене в 1985 году. Через несколько месяцев после нее была обнаружена «озоновая дыра» в Южном полушарии. После этого в Монреале был подписан протокол, обязывающий страны-участницы избавляться от своих вредных фреонов. В 1990, 1992 и 1997 гг. список разрушительных веществ пополнялся. В случае его соблюдения всеми странами (а Китай, например, и Индия конвенцию не подписали, рассудив, что она им «не по карману») прогнозисты обещали восстановление озонового слоя к 2150 году. Главными производителями вредных для озона соединений (90% от общемирового объема) называются развивающиеся страны (которые, по сути, являются потребителями устаревшей продукции «цивилизованных» стран) и страны бывшего СССР.
В то же время заявлено, что выброс фреонов в атмосферу, в 1986 году, достигавший 1.1 миллиона тонн, к 1996 г. снизился до 160 тысяч тонн. Без Монреальской конвенции к 2010 году мы имели бы 8 миллионов тонн годовых выбросов.
3. Правило оптимальной компонентной дополнительности
Правило оптимальной компонентной дополнительности гласит, что никакая экосистема не может самостоятельно существовать при искусственно созданном избытке или недостатке одного из экологических компонентов.
«Нормой» экологического компонента следует считать ту, которая обеспечивает экологическое равновесие определенного типа, позволяющее функционировать именно той экосистеме, которая эволюционно сложилась и соответствует балансу в природной надсистеме и всей иерархии природных систем на данной единице пространства (в конкретном биотопе).
4. Закон Н.Ф. Реймерса о разрушении иерархии экосистем
Закон Н.Ф. Реймерса о разрушении иерархии экосистем гласит, что разрушение более трех уровней в экосистемной иерархии абсолютно необратимо и катастрофично.
Иерархические уровни геохор (биохор) – это расположение в порядке от высшего к низшему. Различают пять основных уровней угеохор и биохор:
— гигахоры – главнейшие элементы биосферы и географической оболочки: океаны и материки, биоклиматические пояса и биогеографические царстваразмером более 106 км2 ;
— мегахоры – единицы природно-хозяйственного и биогеографического (фитогеографического) районирования размером 103 -105 км2 ;
— макрохоры – территория конкретных ландшафтов, размером 10-10-2 км2 ;
— микрохоры и мезохоры – морфологические единицы ландшафта, размером 10-1 -10-2 км2 и входящие в их состав биогеоценозы.
Каждая подсистема следует за своей системой, вернее, развитие надсистемы определяет многие ограничения в развитии входящих в нее подсистем. Такой процесс «подталкивания», направления развития характерен для всего системного мира как в сверхдлинных отрезках эволюционного времени, так и в сравнительно коротких сроках индивидуального развития. Всюду есть взаимоотношения в иерархии систем — эволюция эволюций и развитие развитей. Если развитие относительно детерминировано воздействием иерархии надсистем, а отчасти и подсистем в прошлом (подсистемы, изменяясь, не могут не влиять на целое, пример тому мутации), то характер процессов не изменится и в будущем, во всяком случае ближайшем (в масштабе характерного времени систем). И хотя принцип «развитие есть движение движений во всей иерархии значимых систем» не позволяет создать одной безальтернативной модели, все же можно прогнозировать вероятный ход событий.
Н.Ф. Реймерс (1994) отмечает, что закон неравномерности развития систем, или, лучше, закон разновременности развития (изменения) подсистем в больших системах может быть сформулирован в таком виде: системы одного уровня иерархии (как правило, подсистемы системы более высокого уровня организации) развиваются не строго синхронно — в то время, когда одни из них достигли более высокого уровня развития, другие ещё остаются в менее развитом состоянии.
Заключение
Все глобальные экологические проблемы взаимосвязаны, и ни одна из них не должна рассматриваться в изоляции от других.
Казалось бы, количество озона в атмосфере очень велико – около 3 миллиардов тонн. Это, однако, ничтожная доля от всей атмосферы. Если бы весь озон атмосферы находился в приземном слое воздуха, то при «нормальных условиях» (давления 1 атмосфера и температура 25 градусов Цельсия) толщина озонового экрана, защищающего Землю от жесткого УФ-излучения Солнца, составляла бы всего около 3мм. Вместе с тем эффективность озонового слоя очень велика. В частности, специалистами рассчитано, что снижение содержания озона на 1% ведет к такому повышению интенсивности УФ-облучения поверхности, в результате которого количество смертей от рака кожи возрастет на 6-7 тысяч человек в год.
Необходимо срочно принимать меры к охране озонового слоя: разрабатывать безвредные хладагенты, способные заменить фреоны в промышленности и быту, экологически безопасные двигатели самолетов и космических ракетных систем, разрабатывать технологии, уменьшающие выбросы окислов азота в промышленности и на транспорте. Существующие международные соглашения по озону, Венская международная конвенция по охране озонового слоя и Монреальский протокол, обязывающий подписавшие его государства вести работу в конкретных направлениях, пока недостаточно эффективны. Еще недостаточно осознана людьми опасность, еще мало талантливых исследователей и инженеров работают в этой области. А время не ждет.
Список использованной литературы
1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология. – М.: ЮНИТИ, 1998. – 455 с.
2. Дедю И.И. Экологический эниклопедический словарь. – Кишинев: Мир, 1990. – 568 с.
3. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. законы эволюции и самоорганизации слоднх систем. – М.: Наука, 1994. – 250 с.
4. Кормилицин З.И. Основы экологии. – М.: «Интерстиль», 1997. – 364 с.
5. Общая экология: взаимодействие общества и природы. – СПб.: Химия, 1997.- 352 с.
6. Сверлова Л.И., Воронина Н.В. Загрязнение природной среды и экологическая потология человека. – Хабаровск.: ХГАЭП, 1995. – 106-108 с.
7. Розанов С.И. Общая экология. – СПб.: Издтельство «Лань», 2001. – 288 с.
www.ronl.ru
Введение
Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 году в Южном полушарии над Антарктидой группой британских учёных. Каждый август она появлялась, к декабрю или январю прекращая своё существование. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра меньших размеров.
Озоновая дыра́ — локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя, см. например доклад Всемирной метеорологической организации:[1]
Эти и другие недавно полученные научные данные укрепили вывод предыдущих оценок в том, что перевес в пользу научных доказательств свидетельствует о том, что наблюдаемая потеря озона в средних и высоких широтах в основном обусловлена антропогенными хлор- и бромсодержащими соединениями
Согласно другой гипотезе, процесс образования «озоновых дыр» может быть в значительной мере естественным и не связан исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации.
Механизм образования
К уменьшению концентрации озона в атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению озона из приполярных широт, и образование полярных стратосферных облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее в виду отсутствия континентальной поверхности, температура выше на несколько градусов, чем в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в разрушению молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, моноксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора иброма). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой образуя стабильный фтороводород. Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона. Йод также не разрушает стратосферный озон, так как иодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере. Основные реакции, вносящие вклад в разрушение озона приведены в статье про озоновый слой.
Последствия
Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.
Восстановление озонового слоя
Хотя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов хлор- и бромсодержащих фреонов путём перехода на другие вещества, например фторсодержащие фреоны[4], процесс восстановления озонового слоя займёт несколько десятилетий. Прежде всего, это обусловлено огромным объёмом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые имеют время жизни десятки и даже сотни лет. Поэтому затягивание озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года
Заблуждения об озоновой дыре
Существует несколько широко распространённых мифов касательно образования озоновых дыр. Несмотря на свою ненаучность, они часто появляются в СМИ — иногда по неосведомлённости, иногда поддерживаемые сторонниками теорий заговоров. Ниже перечислены некоторые из них.
Основными разрушителями озона являются фреоны
Это утверждение справедливо для средних и высоких широт. В остальных хлорный цикл ответственен только за 15-25 % потерь озона в стратосфере. При этом необходимо отметить, что 80 % хлора имеет антропогенное происхождение[7] (подробнее про вклад различных циклов см. ст. озоновый слой). То есть вмешательство человека сильно увеличивает вклад хлорного цикла. И при имевшейся тенденции к увеличению производства фреонов до вступления в действие Монреальского протокола (10 % в год) от 30 до 50 % общих потерь озона в 2050 году обуславливалось бы воздействием фреонов. До вмешательства человека процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона. Что же касается полярных озоновых дыр, то здесь ситуация совершенно иная. Механизм разрушения озона в принципе отличается от более высоких широт, ключевой стадией является превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды, которая протекает на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. И в результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами, за 40-50 % ответственен хлор и порядка 20-40 % — бром.
DuPont после обнародования данных об участии фреонов в разрушении стратосферного озона восприняла эту теорию в штыки и потратила миллионы долларов на кампанию в прессе по защите фреонов. Председатель DuPont писал в статье в журнале Chemical Week от 16 июля 1975 года, что теория разрушения озона — это научная фантастика, вздор, не имеющий смысла. Кроме DuPont целый ряд компаний во всём мире производил и производит различные типы фреонов без отчисления лицензионных платежей
Иногда утверждается, что так как молекулы фреонов намного тяжелее азота и кислорода, то они не могут достигнуть стратосферы в значительных количествах. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не расслаиваются или сортируются по весу. Оценки требуемого времени для диффузионного расслоения газов в атмосфере требуют времён порядка тысяч лет. Конечно в динамической атмосфере это невозможно. Процессы вертикального массопереноса, конвекции и турбулентности полностью перемешивают атмосферу ниже турбопаузы намного быстрее. Поэтому даже такие тяжёлые газы, какинертные или фреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе и стратосферы. Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это, см. например справа график распределения фреона CFC-11 по высоте. Также измерения показывают, что требуется порядка пяти лет для того чтобы газы выделившиеся на поверхности Земли достигли стратосферы, см. второй график справа. Если бы газы в атмосфере не перемешивались, то такие тяжёлые газы из её состава, как аргон иуглекислый газ, образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы поверхность Земли необитаемой. К счастью, это не так. И криптон с атомарной массой 84, и гелий с атомарной массой 4, имеют одну и ту же относительную концентрацию, что около поверхности, что до 100 км высоты. Конечно, всё вышесказанное справедливо только для газов, которые относительно стабильны, как фреоны или инертные газы. Вещества, которые вступают в реакции, а также подвергаются различным физическим воздействиям, скажем, растворяются в воде, имеют зависимость концентрации от высоты.
Есть мнение, что природные источники галогенов, например вулканы или океаны, более значимы для процесса разрушения озона, чем произведённые человеком. Не подвергая сомнению вклад природных источников в общий баланс галогенов, необходимо отметить, что в основном они не достигают стратосферы ввиду того, что являются водорастворимыми (в основном хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю. Также природные соединения менее устойчивы, чем фреоны, например метилхлорид имеет атмосферное время жизни всего порядка года, по сравнению с десятками и сотнями лет для фреонов. Поэтому их вклад в разрушении стратосферного озона довольно мал. Даже редкое по своей силе извержение вулкана Пинатубо в июне 1991 годавызвало падение уровня озона не за счёт высвобождаемых галогенов, а за счёт образования большой массы сернокислых аэрозолей, поверхность которых катализировала реакции разрушения озона. К счастью, уже через три года практически вся масса вулканических аэрозолей была удалена из атмосферы. Таким образом, извержения вулканов являются сравнительно краткосрочными факторами воздействия на озоновый слой, в отличие от фреонов, которые имеют времена жизни в десятки и сотни лет.
Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. В виду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Поэтому они легко достигают верхних слоёв атмосферы. Антарктическая «озоновая дыра» существует не постоянно. Она появляется в конце зимы — начале весны. Причины, по которой озоновая дыра образуются в Антарктике, связаны с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не возникает. С приходом лета количество озона увеличивается и снова выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой — сезонные. Однако, если проследить усреднённую в течение года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется строго определённая тенденция к падению концентрации озона.
Озон разрушается только над Антарктикой
Динамика изменения озонового слоя над Аросой, Швейцария
Это неверно, уровень озона также падает во всей атмосфере. Это показывают результаты долговременных измерений концентрации озона в разных точках планеты. Вы можете посмотреть на график изменения концентрации озона над Аросой в Швейцарии справа.
www.ronl.ru
В начале 80-х годов английские и японские ученые выяснили, что с конца 70-х годов над Антарктикой непрерывно истощается озоносфера — слой атмосферного озона. Наземные и спутниковые измерения обнаружили своего рода озоновую «дыру», в которой озона в столбе воздуха было на 30-50% меньше нормы. Эта «дыра» в Антарктике наблюдается весной (сентябрь — ноябрь), в другие сезоны содержание озона ближе к норме. Заметнее всего это уменьшение на высотах 15-25 км, в слое с максимальным содержанием озона. Позднее выяснилось, что озона в атмосфере становится все меньше и меньше также в средних и высоких широтах Северного полушария зимой — весной (январь — март), особенно над Европой, США, Тихим океаном, Европейской частью России, Восточной Сибирью и Японией.
Детальные измерения показали, что при общем истощении озоносферы содержание озона возрастало, в частности, над Лабрадором (северо-восток Канады) в январе. Временами (например, в 1988 г.) оно увеличивалось и над Антарктикой. Однако в целом содержание озона в атмосфере за последние два десятилетия значительно уменьшилось.
Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняющего все живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям — вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира. Поэтому так важно понять причины возникновения озоновой «дыры» над Антарктикой и уменьшения содержания озона в Северном полушарии.
Озон образуется в верхней стратосфере (40-50 км) при фотохимических реакциях с участием кислорода, азота, водорода и хлора. В нижней стратосфере (10-25 км), где озона больше всего, главную роль в сезонных и более длительных изменениях его концентрации играют процессы переноса воздушных масс. Содержание озона здесь определяют химический состав атмосферы и долговременные (с периодом более 10 лет) вариации процессов переноса.
Разрушается же он, взаимодействуя с выбрасываемыми в атмосферу веществами, содержащими хлор (фреонами и галонами), которые используют в различных отраслях промышленности. Многочисленные измерения и расчеты свидетельствуют о том, что эти реакции протекают в основном на поверхности полярных стратосферных облаков, которые образуются здесь при очень низких (менее -80°С) температурах. После окончания полярной ночи, в сентябре, с восходом солнца образуются атомы хлора, разрушающие молекулы озона. Наблюдения показали, что подобный химический механизм действует и в Арктике (в январе — марте). Температура нижней стратосферы в Арктике выше, чем в
Антарктике, поэтому полярные стратосферные облака здесь образуются реже, так что озоновая «дыра» регистрируется главным образом над Антарктикой. Ключевой элемент этого механизма разрушения озона — именно полярные стратосферные облака, образующиеся только при очень низких температурах. Такие температуры над Антарктикой обусловлены сильными западными ветрами, которые формируют своеобразный полярный «барьер» (его называют также полярным вихрем), препятствуя межширотному обмену теплом и озоном.
При любом обсуждении проблемы озоновой «дыры» возникают следующие вопросы:
· почему она проявилась только в конце 80-х годов;
· существуют ли долговременные процессы в стратосфере, способствующие образованию температурного «барьера», и как они связаны с наблюдаемыми аномалиями?
Ответы на них надо искать в системе «океан — атмосфера». Изменения циркуляции атмосферы вызваны стационарными планетарными волнами, которые проникают в стратосферу в зимне-весенний период, сильно влияя на распределение озона и других ее составляющих в средних и высоких широтах. Один из источников этих волн — разные температуры над поверхностями континентов и океанов, поэтому изменения температуры океанской поверхности сказываются на волновой активности. При длительном же ослаблении волновой активности усиливаются западные ветры в стратосфере, охлаждается ее нижняя часть, формируются полярные стратосферные облака и, тем самым, условия для разрушения озона. Циркуляция в стратосфере за последние 20 лет могла сильно измениться. Так что основной причиной озоновой «дыры» в Антарктике вполне может быть длительное ослабление волновой активности стратосферы, связанное с очень медленными процессами в Мировом океане.
Сопоставив изменения волновой активности стратосферы и содержания озона в 1979-1992 гг., специалисты заключили, что ослаблению активности отвечает снижение концентрации озона в средних и высоких широтах из-за меньшего межширотного обмена. Похоже, что летом 1980 г. резко изменилась циркуляция в стратосфере и возникли условия для образования озоновой «дыры».
Чем же вызваны столь серьезные изменения? Видимо, это результат сразу нескольких крупномасштабных процессов в Мировом океане: «капризов» Эль-Ниньо в Тихом океане (теплое сезонное поверхностное течение у берегов Эквадора и Перу, параметры которого меняются год от года), аномалий температур значительных участков поверхности в Атлантическом и Индийском океанах. Из общих физических соображений ясно, что как ежегодные, так и более длительные изменения в стратосфере связаны прежде всего с аномалиями температуры океанов. Современные математические методы позволяют выявить наиболее характерные черты этих связей и проследить их эволюцию. Результаты соответствующих расчетов свидетельствуют о том, что изменения концентрации озона в атмосфере, циркуляции в стратосфере, температуры поверхности Атлантического океана хорошо согласуются между собой. Так что, в частности, изменения концентрации озона в атмосфере Северного полушария в зимнее время могут быть результатом температурных аномалий в Атлантике.
Подобный подход позволяет не только установить подлинные причины наблюдаемых изменений в озоносфере, но и оценить влияние на нее антропогенных факторов, о котором столько говорилось в последние годы. Это влияние оказывается наибольшим над Западной Европой (более 70%), восточным побережьем США (60-70%), Московским регионом и Токио (60%). Снижение же содержания озона над средними широтами Тихого океана и северной Европой вызвано, главным образом, естественными долговременными процессами. Естественные причины привели и к росту концентрации озона над Лабрадором — антропогенные факторы могут способствовать лишь его разрушению.
Нельзя не упомянуть и о независимых подтверждениях длительных вариаций параметров Мирового океана и атмосферы. Исследователи обнаружили, что температура поверхности Атлантического, Тихого и особенно Индийского океанов в средних широтах Южного полушария резко возросла в 1979 г. Японские специалисты установили также отсутствие полярного «барьера» в стратосфере Южного полушария в начале и середине 70-х годов. Сегодня ученые располагают свидетельствами десятилетних и более длительных циклов изменения параметров Мирового океана и атмосферы.
Почему же озоновая «дыра» над Антарктикой не наблюдалась ранее, ведь содержание озона здесь измеряли с 50-х годов? Возможны два ответа. Например, период изменений в системе «океан — атмосфера», сопровождавшихся появлением озоновой «дыры» в Антарктике, больше периода наблюдений. (Такую «дыру» не обнаружили в Арктике и при более длительных наблюдениях, но это уже объясняется, скорее всего, особенностями атмосферной циркуляции в Северном полушарии, обусловленными, в свою очередь, различиями между полушариями в расположении материков и океанов.) Впрочем, озоновая «дыра» в Антарктике могла существовать и в прежние годы, но в июне — августе, т.е. во время полярной антарктической ночи, когда измерения содержания озона были невозможны. Любопытно, что образование озоновой «дыры» за счет естественных вариаций природных характеристик никак не связано с появлением Солнца после полярной ночи (в отличие от химических механизмов разрушения озонового слоя при антропогенных выбросах упомянутых газов).
Появление озоновой «дыры» в Антарктике может свидетельствовать о существовании длительных (с периодом несколько десятилетий) циклов в Мировом океане и атмосфере. Эти циклы способны серьезно повлиять на климат и проявиться в погодных аномалиях и стихийных бедствиях (ураганах, торнадо, тайфунах) в различных районах Земного шара. Таким циклам легче проявить себя именно в стратосфере, а не в тропосфере, на характеристики которой влияют самые разные (часто случайные) факторы.
Антропогенное же воздействие на атмосферу представляется сильно преувеличенным. К сожалению, наблюдения за изменениями в стратосфере пока слишком непродолжительны, чтобы окончательно выделить одну причину озоновой «дыры» в Антарктике. Однако уже сейчас очевидно, что, рассматривая проблемы озонового слоя и изменений климата Земли, необходимо учитывать не только антропогенные факторы, но и долговременные естественные изменения во взаимодействующей системе «океан — атмосфера». В последнее время стали высказываться предположения о том, что вариации скорости вращения Земли вокруг своей оси каким-то неизвестным пока образом влияют на Мировой океан.
В качестве примеров такого влияния обычно ссылаются на меняющееся «поведение» уже упомянутого Эль-Ниньо и таких течений, как Куросио и Гольфстрим. Но тогда изменения климата и озонового слоя, возможно, зависят и от очень медленных процессов в ядре и мантии Земли, которые, безусловно, сказываются на скорости ее вращения. Будущие исследования этой фундаментальной проблемы потребуют объединить усилия специалистов, изучавших прежде сушу, океан и атмосферу по отдельности, а также учитывать не до конца ясные пока солнечно-земные связи.
Список использованной литературы :
Журнал «Экология и жизнь». Статья Е.А. Жадина, кандидат физико-математических наук.
www.ronl.ru
Введение
“Можно, пожалуй, сказать, что назначениечеловека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительносделав земной шар непригодным для обитания”.
Ж.Б.Ламарк.
С возникновением человеческой цивилизациипоявился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромнойсилы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. нашихсовременников оказывают на природу такое же по маштабам воздействие, какоемогли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд.человек, а количество высвобождаемой энергии, получаемой землёй от солнца.
С тех пор как появилосьвысокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резкоусилилось, расширялся объём этого вмешательства, оно стало многообразнее исейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.
Расход невозобновимого сырьяповышается, всё больше пахотных земель выбывает из экономики, так как на нихстроятся города и заводы. Биосфера Землив настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этомможно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых неулучшает состояние воздушного пространства нашей планеты.
Прогрессирует и накопление углекислогогаза в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливатьнежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры напланете.
В результате перед обществом возникладилемма: либо бездумно катиться к своей неизбежной гибели в надвигающейсяэкологической катастрофе, либо сознательно превратить созданные гением человекамогучие силы науки и техники из орудия, ранее обращенного против природы исамого человека, в орудие их защиты и процветания, в орудие рационального природопользования.
Над миром нависла реальная угрозаглобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты, ареальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическомобразовании и просвещении людей.
Всемирнаяорганизация здравоохранения определила, что здоровье человека на 20% зависит отего наследственности, на 20% от состояния окружающей среды, на 50% от образажизни и на 10% от медицины. В ряде регионов России к 2005 годупредполагается следующая динамикафакторов, влияющих на здоровье человека: роль экологии возрастет до 40%, действиегенетического фактора увеличится до 30%, до 25% уменьшится возможностьподдержания здоровья за счёт образа жизни и до 5% снизится роль медицины.
Характеризуя современное состояние экологии, как критическое, можновыделить главные причины, которые ведут к экологической катастрофе:загрязнение, отравление среды обитания, обеднение атмосферы кислородом,озоновые дыры.
Цельюнастоящей работы явилось обобщение литературных данных о причинах ипоследствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемыобразования “озоновых дыр”.
1. Озон и его роль в природе
Химические ибиологические особенности озона.
Озонявляется аллотропной модификацией кислорода. Его молекула диамогнитна (в отличиеот парамагнитной О2 ), имеет угловую форму О
О О
¶ связь в молекулу является делокализованнойтрехцентровой, предполагается также донорно-акцепторный механизм образованияхимических связей в озоне:
О О
О О О О
Характерхимических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенноевремя озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3—>3О2)
ивысокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которыемолекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона наорганические вещества связанно с образованием радикалов: RH+О3 RО2+OH
Эти радикалы инициируютрадикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками,нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона длястерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон небезразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в атмосфере,содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения)может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому, озон в больших дозахявляется токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухерабочей зоны – 0,0001 мг/литр. Загрязнение озономвоздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
1.2.Условия образования и защитная рольозонового слоя.
Известно, что основная часть природного озонасосредоточена в стратосфере на высоте от 15 до 50 км над поверхностью Земли.Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км надЭкватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однакоплотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеетвоздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечноеультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода (О2 —>О3).
Больше всего озона в пятикилометровомслое на высоте от 20 до 25 км, которыйназывают озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако общее егоколичество в стратосфере достигает очень внушительной цифры – более 3 млрдтонн.
Образованиеозона из обычного двухатомного кислорода требует довольно большой энергии –почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона энергией делает еговзрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция –взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:
О2 + О О3.
Атомарныйкислород – еще более насыщенное энергией вещество – образуется приэлектрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере появляется под
действиемпостоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения Солнца:
Образованиеозона происходит непрерывно одновременно с его расходованием:
O2+h O+O; O+O3 2O2; O3+h O2+O;
поэтомуусредненная концентрация озона в течение длительного времени оставаласьпостоянной. Процесс образования и разложение озона называют циклом Чемпена.Результатом процессов в цикле является переход солнечной энергии в теплоту.Озоновый цикл ответственен за повышение температуры на высоте 15 км.
Защитная роль озонового слоя. Озон поглощает частьультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длинаволны 200–300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.
Химические процессы втропосфере.
В химических превращениях различныхзагрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH–радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад даютфотохимические реакции с участие озона: O3+h O2+O
O+h3O OH+OH
Вобразовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:
NO2+ h (L<400нм) NO+O
O+O2 O3
Овлиянии фотохимических реакций насодержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озонапри солнечном затмении: O3+NO NO2+O2 O3+NO2 NO3+O2
Вобразовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды: Н2О+h H+OH
h3O+O 2OH
Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакциифоторазложения HNO2, HNO3, h3O2
HNO2+h (L<400нм) NO+OH
HNO3+h (L<330нм) NO2+OH
h3O2+h (L<330нм) 2OH
Втропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окисленииуглеводородов:
RH+OH HOH+R
R+O2 RO2
RO2+HOH ROOH+OH
Наиболеетипичным и основным по массе органических загрязнителем атмосферы является Ch5.Окисление Ch5 под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующийрадикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессовстадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи,характерных для реакции окисления органических соединений:
ОН+СН4 Н2О +СН3
СН3+О2 СН3О2
СН3О2+NО СН3О+NО2
СН3О+О2 СН2О+НО2Врезультате реакция окисления СН4 в присутствии NО каккатализатора и при воздействиисолнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде
СН4+4О2 СН2О+Н2О+2О3
т.е.окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованиютропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрацияNО.Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземнуюконцентрацию О3,а рост утечки СН4 многократноопережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещёбольшему увеличению концентрации О3по сравнению с переносом О3 из стратосферы.
Рост приземной концентрации озонапредставляет опасность для зеленой растительности и животного мира.
Образующийся при окислении метанаформальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот каналвторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СОот неполного сгорания ископаемого топлива.
ОН+СН2О Н2О+НСО
НСО+О2 НО2+СО
1.4.Причины образования “озоновой дыры”.
Летом и весной концентрацияозона повышается; над полярными областями она всегда выше, чем надэкваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему сциклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980-хгг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное,но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получилоназвание «озоновая дыра» (хотя никакой дырки в собственном значении этогослова, конечно, не было) и стало внимательно исследоваться.
Позднее,в 1990-е гг., такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. ФеноменАнтарктической “озоновой дыры”пока не понятен: то ли “дыра”возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли этоестественный геоастрофизический процесс.
Сначала предполагали, что на озон влияютчастицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменениеконцентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов былочетко установлено, что причина нежелательного явления – реакции с озономнекоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередьхлорированные углеводороды и особенно фреоны – хлорфторуглероды, илиуглеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомамифтора и хлора.
Хлорфторуглероды широкоприменяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (в России ихпоэтому называют «хладонами»), в аэрозольных баллончиках, как средствахимической чистки, а некоторые производные – для тушения пожаров на транспорте.Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировоепроизводство этих веществ достигло почти 1,5 млн т.
Будучилегколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям,хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться вней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечногосвета они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным«нарушителем порядка» в озоновом слое.CF2Cl2 CF2Cl+Cl
Последующие реакции CF2Cl с О2 и h приводят к отщеплению второго атома хлора.Хлор «съедает» и озон, и атомарный кислород за счетпротекания довольно быстрых реакций:
О3+ Сl =О2+ ClO
СlO + O =Cl + O2
Причем последняя реакцияприводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже нерасходуется, разрушая озоновый слой.
Предполагается,что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома кконцу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.
Озоноразрушающий потенциал некоторыхвеществ
PRIVATE
Разрушающий потенциал (усл.ед)
Продолжительность жизни (лет)
CFCl 1
1.0
75
CFCl 2
1.0
111
CFCl 3
0.8
90
CCl 4
1.0
185
C2FCl 5
0.6
380
HCFCl2
0.05
20
Метилхлороформ
0.10
6.5
Четырехлористый углерод
1.06
50
Венская конвенция.В 1985 году британскиеученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет былиобнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южнымполюсами.
Ученые предложили три теории, объяснявшие причиныэтого феномена:
разрушение озонового слояокисями азота — соединениями, образующимися естественным образом на солнечномсвету;
О3+NО NО2+О2
воздушные потоки из нижнихслоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон
разрушение озонасоединениями хлора.
В 1987 г. был принятМонреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасныххлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизитьих выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.
Сегодня уже разработаны ивыпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слойпродолжает находиться в критическом состоянии:
Установлено, что насодержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды.
2NО+О2 2NО2
О2+NО2 NО3+О2
NО3+NО2 N2О5
N2О5+Н2О 2НNО3
ПроисхождениеNО, ОН и Сlв стратосфере возможно, как в результатеестественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NОобразуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет исверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любомдвигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что изатмосферного кислорода и азота образуется NО: N2+О2 2NО
ИсточникомNО в стратосфере служит такжегаз N2О,который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием
жесткого УФ-излучения
N2О+h (230нм) N2+О
N2O+O 2NO
РазрушениеN2О встратосфере осуществляется и по реакциям
N2О+h (250нм) N2+О
N2O+O N2+O2
Источники загрязненияатмосферы. Антропогенный фактор.
Широкое использование ископаемыхбогатств сопровождается выделением в атмосферу больших масс различныххимических соединений. Большинство антропогенных источников сконцентрировано вгородах, занимающих лишь небольшую часть территории нашей планеты. В результате движения воздушных масс сподветренной стороны больших городов образуется многокилометровый шлейфзагрязнений.
В развитых странах действует законодательство, направленное на защитувоздушного бассейна. В результате значительно уменьшилась общая загрязненностьвоздуха, однако выбросы, источником которого является автомобильный транспортвозрастают. В США на его долю приходится 63% выбросов углеводородов. Можнопредполагать, что вклад транспорта в загрязнение воздуха будет увеличиваться срос-том численности автомобилей.
Вторым по мощности источником антропогенных органических загрязнителейслужит промышленное производство. Базовыми продуктами основного органическогосинтеза являются этилен (на его основе вырабатывают почти половину всехорганических веществ), пропилен, бутадиен, бензол, толуол, ксилолы и метанол.Вместе с немногими производными (этилбензол, стирол, фенол, винилхлорид,акрилонитрил, фталевый ангидрид и терефталевая кислота) они являются объектамикрупнотоннажного производства. Эти полупродукты используются в дальнейшем длявыработки широкой номенклатуры других органических соединений (свыше 40 тыс.наименований).
В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленностиприсутствует широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья,промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза. Так, в газовых выбросахзаводов синтетических моющих средств содержатся алканы, а также карбонильные соединения, эфиры, карбоновыекислоты. Заводы синтетического каучука загрязняют воздух исходными мономерами ирастворителями. Предприятия лесохимической промышленности выделяют альдегиды,кетоны, спирты и карбоновые кислоты, множество терпенов (терпены-углеводороды,продукты жизнедеятельности растений молекулы которых построены из изопреновых звеньев).Целлюлозно – бумажные комбинаты выбрасывают большие количества дурнопахнущихгазообразных веществ (одорантов), таких, как метил- и диметилсульфиды, диметилдисульфиды, а также формальдегид, спирты и фенолы.
Велики потери используемых в промышленности растворителей. На их долю виндустриально развитых странах приходится 20-25% общей эмиссии углеводородов. ВСША в конце 70-х годов в атмосферу выбрасывалось ежегодно 26,7 млн. т.углеводородов, из них примерно 5,2 млн. т. от промышленных предприятий. Ватмосферу поступает много летучих галогенуглеводородов (метиленхлорида,хлороформа, четыреххлористого углерода, дихлорэтана, три- и тетрахлорэтилена,винилхлорида ).
В качестве летучих компонентов (пропелентов) в аэрозольных упаковкахшироко применяются фторхлоруглеводороды (фреоны). Для этих целей использовалосьоколо 85% фреонов и только 15% вхолодильных установках и установках искусственного климата. Спецификаиспользования фреонов такова, что 95% их количества попадает в атмосферу через1-2 года после производства. Считают, что почти всё произведённое количествофтортрихлор- и дифтордихлорметана (5,27млн. т. и 7.75 млн. т. соответственно в1981 году) рано или поздно должно поступить в стратосферу и включиться вкаталитический цикл разрушения озона.
Заметным источником органических загрязнителей атмосферы становитсякоммунальное хозяйство городов (жилые и общественные здания, предприятия тепло-и водоснабжения, химчистки, свалки). Хотя вклад этого источника в суммарнуюантропогенную эмиссию невелика, отсюда поступают основные количества опасныхдолгоживущих загрязнителей (например, диоксидов), поэтому они участвуют вформировании глобального фона некоторых органических экотоксикантов.
В выбросах вентиляционных систем жилых домов идентифицировано более 40токсичных и дурнопахнущих веществ: меркаптанов и сульфидов, аминов, спиртов,предельных и диеновых углеводородов, альдегидов и некоторых гетероциклическихсоединений. При сжигании в горелке кухонной плиты 1м.куб. природного газаобразуется до 150 мг формальдегида, а в сумме в продуктах горения газаобнаружено 22 различных компонентов.
Источников одорантов служатсооружения по очистке сточных вод и свалки твердых отходов. На городскихсвалках накапливаются огромные количества бытовых отходов и мусора с высокимсодержанием органических веществ.
Геологические источники загрязненийПри составлении глобального балансаорганической составляющей атмосферы вклад геологических источников обычно неучитывался. Между тем процессы дегазации мантии Земли сопровождаются выделениемширокого спектра органических соединений. Так, в пробах газов вулканов о-ваКунашир и Камчатки идентифицировано около 100 органических соединений с длинойцепи до 12 углеродных атомов. Источников богатых углеводородами газов являютсягрязевые вулканы, чаще всего встречающиеся в нефтеносных областях.
Земная кора содержит различныегазы в свободном состоянии, сорбированные разными породами и растворённые вводе. Часть этих газов по глубинным разломам и трещинам достигают поверхностиЗемли и диффундирует в атмосферу. О существовании углеводородного дыханияземной коры говорит повышенное по сравнению с глобальным фоновым содержаниемметана в приземном слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами.
Можно предположить, чтодегазация недр планеты происходит по всей ее поверхности, но наиболееинтенсивно по бесчисленным разломам коры. В связи с этим большой интереспредставляет изучение спонтанных газов гидротермальных источников в районахсейсмической активности. В результате таких исследований в пробах газов было идентифицировано более 60неорганических и органических соединений. Последние представленыуглеводородами, легколетучими карбонильными соединениями и спиртами,галогенуглеводородами.
Впервые получены данные оприсутствии в геологических выделениях летучих галогенуглеводородовпредставляют наибольший интерес. Они показывают, что концентрации CFCL3 в вулканическихгазах в 2,5-15 раз больше их содержания в морском воздухе. Для хлороформа и CCl4 эта разница достигла 1,5-2 порядка величины. К сожалению,пока ещё отсутствует надежные данные обэтих масштабах геологической эмиссии галогеноуглеводородов, равно как и другихЛОС, включая метан.
Проведенные исследованияпоказали, что в газах вулканов Никарагуа содержится заметные количества HF. Анализ проб воздуха, отобранных из кратера вулканаМасайя, также показали наличие в них фреонов наряду с другими органическимисоединениями. Присутствуют галогенуглеводороды и в газах гидротермальныхисточниках. Эти данные потребовали доказательств того, что обнаруженныефторуглеводороды не имеют антропогенного происхождения. И такие доказательствабыли получены. Фреоны были обнаружены в пузырьках воздуха антарктического льдавозрастом 2000 лет. Специалистами НАСА было предпринято уникальное исследованиевоздуха из герметично запаянного свинцового гроба, обнаруженного в штатеМериленд и достоверно датированного 17 веком. В нем также были обнаруженыфреоны. Ещё одно подтверждение существования природного источника фреонов было “поднято ” c морского дна. CFCL3 обнаружен в воде, извлеченной в 1982 году сглубины более 4000 метров в экваториальной части Атлантического океана, у днаАлеутской впадины и на глубине 4500 метров у берегов Антарктиды.
Южнополярный район, весной 1998 г. озонная дырадостигла рекордной площади — примерно 26 млн км2, что приблизительно втроепревышает территорию Австралии. В середине августа началось резкое истощениеозоносферы, максимум которого наступил 21 сентября. По данным, полученным сзондов, почти полное разрушение озона отмечалось на высотах 14—22 км. Исследуя это явление совместно с австралийскими коллегами, одна из егопервооткрывателей С.Соломон установила, что химические реакции, разрушающиеозон, происходят на поверхности ледяных кристаллов и любых иных частиц,попавших в высокие стратосферные слои над полярными районами. Так, до сих пор способствуют образованию озонных дыр твердые частицы, попавшие встратосферу еще в 1991 г. при извержении вулкана Пинатубо на Филиппинскихо-вах. Эти частицы вулканического происхождения придают хлору, поступающему ватмосферу с аэрозолями хлорфторуглеводородов, большую эффективность в процессахразрушения ими озоносферы.
Химические реакции с участием сульфатных частиц, извергнутых вулканом,значительно ускоряют истощение озона над Южным полушарием Земли: согласнонаблюдениям, реакции ускорялись почти на 3%, и только теперь данный эффектначал исчезать. По мнению исследовательницы, антарктическая озонная дыра и круглогодичное общееистощение земной озоносферы будут продолжаться, пока концентрацияхлорфторуглеводородов и галогенов в атмосфере не снизится до уровня 70-х годов.И это может случиться лишь в середине следующего столетия.
Химическоезагрязнение атмосферы.
Лишь за последние сто лет развитие развитиепромышленности «одарило» нас такими производственными процессами,последствия которых вначале человек еще не мог себе представить. Возниклигорода-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великихизобретений и завоеваний человека. В основном существуют три основных источниказагрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Долякаждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается взависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняетвоздух промышленное производство. Источники загрязнений — теплоэлектростанции,которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ;металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, кото- рыевыбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединенияфосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы.Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промыш-ленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых ипромышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные,поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатомпревращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется досерного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капелькисерной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуютсякристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических,фотохими- ческих, физико-химических реакций между загрязняющими веществами икомпонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основнымисточником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции,металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющиеболее 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вреднымипримесями пирогенного происхождения являются :
Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферураздельно или вместе в другими соединениями серы. Основными источниками выбросаявляются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара,коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере привзаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению досерного ангидрида.
Оксидыазота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотныеудобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения,вискозный шелк, целлулоид. Количество оксилов азота, поступающих в атмосферу,составляет 20 млн.т. в год.
Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия попроизводству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений.Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразныхсоединений фтороводорода или пылифторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производныефтора являются сильными инсектицидами.
Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий,производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органическиекрасители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаютсякак примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлораопределяется видом соединений и их концентрацией. В металлургическойпромышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходитвыброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчетена 11 т. передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. сернистого газа и 14,5кг. Пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора,сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистоговодорода.
Оксид углерода. Получается при неполном сгоранииуглеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердыхотходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодноэтого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т. Оксид углерода являетсясоединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствуетповышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта. Сернистыйангидрид. Выделяется в процессе сгорания сера- содержащего топлива илипереработки сернистых руд (до 170 1млн.т. в год). Часть соединений серывыделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только вСША общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило65% процентов от общемирового выброса.
Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистогоангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор сернойкислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболеваниядыхательных путей человека. Выпадение аэр
www.ronl.ru
Оглавление
_Toc225102568
Введение3
Химические и биологические особенности озона3
История изучения озона4
Причины образования “озоновой дыры”4
Источники загрязнения атмосферы. Антропогенные факторы_ 4
Геологические источники загрязнений_ 4
Заблуждения об озоновых «дырах»_ 4
Пути решения проблем_ 4
Список литературы_ 4
“Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания”.
Ж.Б.Ламарк.
С тех пор как сформировалось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, оно стало многообразнее и грозит стать глобальной опасностью для человечества. Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты. Реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.
Можно выделить главные причины, ведущие к экологической катастрофе:
· загрязнение;
· отравление среды обитания;
· обеднение атмосферы кислородом;
· формирование озоновых «дыр».
В данном сообщении обобщены некоторые литературные данные о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр”.
Озон является аллотропной модификацией кислорода. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 → 3О2 ) и высокую окислительную способность. Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH + О3 → RО2. + OH.
Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в среде, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,1 мг/м3 .
Озона, которым так замечательно пахнет во время грозы, в атмосфере совсем немного — 3-4 ppm (промилле) — (3-4)*10-4 %. Однако для флоры и фауны планеты его присутствие необычайно важно. Ведь зародившаяся в океанских пучинах жизнь и смогла-то «выползти» на сушу только после того, как 600–800 млн. лет назад сформировался озоновый щит. Поглощая биологически активное солнечное ультрафиолетовое излучение, он обеспечил его безопасный уровень на поверхности планеты. Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняющего все живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям – вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира. Поэтому так важно понять причины возникновения озоновой «дыры» над Антарктикой и уменьшения содержания озона в Северном полушарии.
Озон образуется в верхней стратосфере (40-50 км) при фотохимических реакциях с участием кислорода, азота, водорода и хлора. Атмосферный озон сосредоточен в двух областях – стратосфере (до 90 %) и тропосфере. Что касается распределенного на высоте от 0 до 10 км слоя тропосферного озона, то его-то как раз благодаря неконтролируемым промышленным выбросам становится все больше. В нижней стратосфере (10-25 км), где озона больше всего, главную роль в сезонных и более длительных изменениях его концентрации играют процессы переноса воздушных масс.
Толщина озонового слоя над Европой сокращается стремительными темпами, что не может не волновать умы ученых. За прошлый год толщина озонового «покрытия» сократилась на 30%, а скорость ухудшения естественной защитной оболочки достигла самой высокой отметки за последние 50 лет. Установлено, что химические реакции, разрушающие озон, происходят на поверхности ледяных кристаллов и любых иных частиц, попавших в высокие стратосферные слои над полярными районами. Какую опасность это представляет для человека?
Тонкий озоновый слой (2-3 мм при распределении вокруг Земного шара) не в силах препятствовать проникновению коротковолновых ультрафиолетовых лучей, которые вызывают рак кожи и опасны для растений. Поэтому сегодня из-за высокой активности солнца загорать стало менее полезно. Вообще-то центры экологии должны давать рекомендации населению, как действовать в зависимости от активности солнца, но в нашей стране такого центра нет.
С уменьшением озонового слоя связаны климатические изменения. Понятно, что изменения будут происходить не только на той территории, над которой «растянулась» озоновая дыра. Цепная реакция повлечет за собой изменения во многих глубинных процессах нашей планеты. Это не значит, что везде начнется стремительное глобальное потепление, как нас пугают в фильмах ужасов. Все-таки это слишком сложный и длительный процесс. Но могут возникнуть другие катаклизмы, к примеру, увеличится число тайфунов, смерчей, ураганов.
Установлено, что «дыры» в озоновом слое возникают над Арктикой и Антарктидой. Это объясняется тем, что на полюсах образуются кислотные облака разрушающие озоновый слой. Получается, что озоновые дыры возникают не от активности солнца, как принято считать, а от повседневно деятельности всех жителей планеты, в том числе и нас с вами. Потом «кислотные бреши» смещаются, причем чаще всего в Сибирь.
С использованием новой математической модели удалось связать воедино данные наземных, спутниковых и авиационных наблюдений с уровнями вероятных будущих выбросов в атмосферу озонразрушающих соединений, временем их переноса в Антарктику и погодой в южных широтах. При помощи модели был получен прогноз, согласно которому озоновый слой над Антарктикой восстановится в 2068 году, а не в 2050 году, как считалось.
Известно, что в настоящее время уровень озона в стратосфере над территориями, удаленными от полюсов, ниже нормы примерно на 6%. В тоже время, в весенний период содержание озона над Антарктикой может снижаться на 70% относительно среднегодовой величины. Новая модель позволяет более точно прогнозировать уровни содержания озонразрушающих газов над Антарктикой и их временную динамику, определяющую величину озоновой «дыры».
Использование веществ, разрушающих озон, ограничено Монреальским протоколом. Считалось, что это приведет к быстрому «затягиванию» озоновой дыры. Однако новые исследования показали, что в действительности темпы ее уменьшения станут заметными только с 2018 года.
Первые наблюдения за озоном относятся к 1840 г., но бурное развитие проблема озона получила в 20-е годы прошлого столетия, когда в Англии и Швейцарии появились специальные наземные станции.
Дополнительный путь для изучения связей переноса озона и стратификации атмосферы открыли самолетные зондирования озона атмосферы и выпуски озонных зондов. Новая эпоха отмечена появлением искусственных спутников Земли, наблюдающих атмосферный озон и дающих обширный объем информации.
В 1986 году был подписан Монреальский протокол по ограничению производства и потребления озоноразрушающих веществ, разрушающих озоновый слой. На сегодняшний день к Монреальскому протоколу присоединились 189 стран. Установлены сроки прекращения производства и других озоноразрушающих веществ. По модельным прогнозам при соблюдении Протокола уровень хлора в атмосфере снизится к 2050 г. до уровня 1980 г., что может привести к исчезновению антарктической «озоновой дыры».
Летом и весной концентрация озона повышается. Над полярными областями она всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980-х гг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получило название «озоновая дыра» (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не было).
Позднее, в 90-е гг прошлого века такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. Феномен Антарктической “озоновой дыры” пока не понятен: то ли “дыра” возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс.
Среди версий образования озоновых дыр можно назвать:
· влияние частиц, выбрасываемых при атомных взрывах;
· полеты ракет и высотных самолетов;
· реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны – хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора.
Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (поэтому их называют «хладонами»), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, для тушения пожаров на транспорте, как пенообразователи, для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т/год.
Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным «нарушителем порядка» в озоновом слое.
Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в атмосферу больших масс различных химических соединений. Большинство антропогенных источников сконцентрировано в городах, занимающих лишь небольшую часть территории нашей планеты. В результате движения воздушных масс с подветренной стороны больших городов образуется многокилометровый шлейф загрязнений.
Источником загрязненности воздушного бассейна являются:
1) Автомобильный транспорт. Можно предполагать, что вклад транспорта в загрязнение воздуха будет увеличиваться с ростом численности автомобилей.
2) Промышленное производство. Базовыми продуктами основного органического синтеза являются этилен (на его основе вырабатывают почти половину всех органических веществ), пропилен, бутадиен, бензол, толуол, ксилолы и метанол. В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленности присутствует широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья, промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза.
3) Аэрозоли. В качестве летучих компонентов (пропелентов) в аэрозольных упаковках широко применяются фторхлоруглеводороды (фреоны). Для этих целей использовалось около 85% фреонов и только 15% — в холодильных установках и установках искусственного климата. Специфика использования фреонов такова, что 95% их количества попадает в атмосферу через 1-2 года после производства. Считают, что почти всё произведённое количество фреонов рано или поздно должно поступить в стратосферу и включиться в каталитический цикл разрушения озона.
Земная кора содержит различные газы в свободном состоянии, сорбированные разными породами и растворённые в воде. Часть этих газов по глубинным разломам и трещинам достигают поверхности Земли и диффундирует в атмосферу. О существовании углеводородного дыхания земной коры говорит повышенное по сравнению с глобальным фоновым содержанием метана в приземном слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами.
Проведенные исследования показали, что в газах вулканов Никарагуа содержится заметные количества HF. Анализ проб воздуха, отобранных из кратера вулкана Масайя, также показали наличие в них фреонов наряду с другими органическими соединениями. Присутствуют галогенуглеводороды и в газах гидротермальных источниках. Эти данные потребовали доказательств того, что обнаруженные фторуглеводороды не имеют антропогенного происхождения. И такие доказательства были получены. Фреоны были обнаружены в пузырьках воздуха антарктического льда возрастом 2000 лет. Специалистами НАСА было предпринято уникальное исследование воздуха из герметично запаянного свинцового гроба, обнаруженного в штате Мериленд и достоверно датированного 17 веком. В нем также были обнаружены фреоны. Ещё одно подтверждение существования природного источника фреонов было “поднято ” c морского дна. CFCl3 обнаружен в воде, извлеченной в 1982 году с глубины более 4000 метров в экваториальной части Атлантического океана, у дна Алеутской впадины и на глубине 4500 метров у берегов Антарктиды.
Существует несколько широко распространённых мифов касательно образования озоновых дыр. Несмотря на свою ненаучность, они часто появляются в СМИ – иногда по неосведомлённости, иногда поддерживаемые сторонниками теорий заговоров. Ниже перечислены некоторые из них.
1) Основными разрушителями озона являются фреоны. Это утверждение справедливо для средних и высоких широт. В остальных хлорный цикл ответственен только за 15-25% потерь озона в стратосфере. При этом необходимо отметить, что 80% хлора имеет антропогенное происхождение. То есть вмешательство человека сильно увеличивает вклад хлорного цикла. До вмешательства человека процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона. Механизм разрушения озона в полярных областях в принципе отличается от более высоких широт, ключевой стадией является превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды, которая протекает на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. И в результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами (за 40-50% ответственен хлор и порядка 20-40% — бром).
2) Фреоны слишком тяжелы, чтоб достигать стратосферы.
Иногда утверждается, что так как молекулы фреонов намного тяжелее азота и кислорода, то они не могут достигнуть стратосферы в значительных количествах. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не расслаиваются или сортируются по весу. Оценки требуемого времени для диффузионного расслоения газов в атмосфере требуют времён порядка тысяч лет. Конечно в динамической атмосфере это невозможно. Поэтому даже такие тяжёлые газы, как инертные или фреоны, равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе и стратосферы. Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это. Если бы газы в атмосфере не перемешивались, то такие тяжёлые газы из её состава как аргон и углекислый газ образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы поверхность Земли необитаемой. К счастью это не так.
3) Основными источниками галогенов являются природные, а не антропогенные
Источники хлора в стратосфере
Есть мнение, что природные источники галогенов, например вулканы или океаны, более значимы для процесса разрушения озона, чем произведённые человеком. Не подвергая сомнению вклад природных источников в общий баланс галогенов, необходимо отметить, что в основном они не достигают стратосферы ввиду того, что являются водорастворимыми (в основном хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю.
4) Озоновая дыра должна находиться над источниками фреонов
Динамика изменения размера озоновой дыры и концентрации озона в Антарктике по годам.
Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере. В виду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Поэтому они легко достигают верхних слоёв атмосферы. Антарктическая «озоновая дыра» существует не постоянно. Она появляется в конце зимы — начале весны.
Причины, по которой озоновая дыра образуются в Антарктике, связаны с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса. В это время полярная область не освещается Солнцем, и там озон не возникает. С приходом лета количество озона увеличивается и снова выходит на прежнюю норму. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой — сезонные. Однако, если проследить усреднённую в течение года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется строго определённая тенденция к падению концентрации озона.
5) Озон разрушается только над Антарктикой
Динамика изменения озонового слоя над Аросой, Швейцария
Это неверно, уровень озона также падает во всей атмосфере. Это показывают результаты долговременных измерений концентрации озона в разных точках планеты. Вы можете посмотреть на график изменения концентрации озона над Аросой (Швейцария).
Чтобы начать глобальное восстановление, нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся. Люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, в частности нужны новые посадки лесов.
Для восстановления озонового слоя его нужно подпитывать. Сначала с этой целью предполагалось создать несколько наземных озоновых фабрик и на грузовых самолетах «забрасывать» озон в верхние слои атмосферы. Однако этот проект (вероятно, он был первым проектом «лечения» планеты) не осуществлен. Иной путь предлагает российский консорциум «Интерозон»: производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой «Даза» планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода. Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции «Мир» и создать на высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта.
Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время.
Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, представляется необходимым:
— расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;
— создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;
— организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.
1. [http://www.znanie-sila.ru/news/issue_57.html + — «Знание-сила» Новости науки: 27.12.99 -] (ru -).
2. {{cite web — | url = www.duel.ru/200530/?30_4_2 — | title = «Дуэль» Стоит ли оно того? — | accessdate = 3.07.2007 — | lang = ru — }}
3. И.К.Ларин. Озоновый слой и климат Земли. Ошибки ума и их исправление…
4. National Academy of SciencesГалогенуглеводороды: воздействие на стратосферный озон = Halocarbons: Effects on Stratospheric Ozone. — 1976.
5. Бабакин Б. С. Хладагенты: история появления, классификация, применение.
6. Журнал «Экология и жизнь». Статья Е.А. Жадина, кандидат физико-математических наук.
www.ronl.ru
