Министерство образования и науки Российской Федерации
Волгоградский Государственный Университет
Юридический Факультет
Реферат
По дисциплине: Концепция современного естествознания
Тема: Проблемы стратосферного озона
Волгоград 2009
Оглавление
Введение
1. Атмосфера и ее строение
2. Химические и биологические особенности озона
3. Условия образования и защитная роль озонового слоя
4. Химические процессы в тропосфере
5. Причины образования “озоновой дыры”
6. Пути решения проблем
Литература
С возникновением человеческой цивилизации появился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. наших современников оказывают на природу такое же по масштабам воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек.
С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширялся объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.
Атмосфера в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает состояние воздушного пространства нашей планеты. В настоящее время существует 3 основные глобальные экологические проблемы атмосферы: глобальное потепление или «парниковый эффект», кислотные дожди и разрушение озонового слоя.
Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты, а реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.
Целью настоящей работы явилось обобщение литературных данных о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр".
Атмосфе́ра (от. др. — греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся один от другого по температурным и иным условиям. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около — 23° на северном полюсе. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0,6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.
Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы.
Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.
Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше. С этой точки зрения она может быть названа озоносферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном.
Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.
Рис.1. Строение атмосферы
На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха.
Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть — экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен.
Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км — порядка 1015 -106 на кубический сантиметр.
Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.
Атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.
С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности.
Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц — протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия — порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.
Озон является аллотропной модификацией кислорода. Его молекула диамогнитна (в отличие от парамагнитной О2), имеет угловую форму, связь в молекулу является делокализованной трехцентровой, предполагается также донорно-акцепторный механизм образования химических связей в озоне. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 — >3О2 ) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). 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 атмосфере, 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 — 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
Известно, что основная часть природного озона сосредоточена 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 над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода
(О2 — > О3 ).
Больше всего озона в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км, который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако общее его количество в стратосфере достигает очень внушительной цифры — более 3 млрд. тонн. Образование озона из обычного двухатомного кислорода требует довольно большой энергии — почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция — взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:
О2 + О=О3 .
Атомарный кислород — еще более насыщенное энергией вещество — образуется при электрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере появляется под действием постоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения Солнца:
Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием, поэтому усредненная концентрация озона в течение длительного времени оставалась постоянной. 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 часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200-300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.
В химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH- радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона:
O3 +h=O2 +O
O+h3O =OH+OH
В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:
NO2 + h (L<400нм) =NO+O
O+O2 =O3
О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении:
O3 +NO=NO2 +O2
O3 +NO2 =NO3 +O2
В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды:
Н2 О+h=H+OH
h3 O+O=2OH
Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения
HNO2, HNO3, h3 O2
HNO2 +h (L<400нм) =NO+OH
HNO3 +h (L<330нм) =NO2 +OH
h3 O2 +h (L<330нм) =2OH
В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:
RH+OH=HOH+R
R+O2 =RO2
RO2 +HOH=ROOH+OH
Наиболее типичным и основным по массе органическим загрязнителем атмосферы является Ch5. Окисление Ch5 под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:
ОН+СН4 =Н2 О +СН3
СН3 +О2 =СН3 О2
СН3 О2 +NО=СН3 О+NО2
СН3 О+О2 =СН2 О+НО2
В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде:
СН4 +4О2 =СН2 О+Н2 О+2О3
т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О3, а рост утечки СН4 многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О3 по сравнению с переносом О3 из стратосферы.
Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.
Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.
ОН+СН2 О=Н2 О+НСО
НСО+О2 =НО2 +СО
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) и стало внимательно исследоваться.
Позднее, в 1990-е гг., 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.
Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что причина нежелательного явления — 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 (в России их поэтому называют «хладонами»), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные — для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т.
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.
CF2 Cl2 =CF2 Cl+Cl
Последующие реакции CF2 Cl с О2 и hприводят к отщеплению второго атома хлора.
Хлор «съедает» и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:
О3 + Сl = О2 + ClO
СlO + O = Cl + O2
Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.
Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.
Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ.
| 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 |
| HCFCl 2 | 0.05 | 20 |
| Метилхлороформ | 0.10 | 6.5 |
| Четырехлористый углерод | 1.06 | 50 |
Венская конвенция. В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.
Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:
разрушение озонового слоя окисями азота — соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету;
О3 +NО NО3 +О2
воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон;
разрушение озона соединениями хлора.
В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.
Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии:
Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды:
2NО+О2 = 2NО2
О2 +NО2 = NО3 +О2
NО3 +NО2 = N2 О5
N2 О5 +Н2 О = 2НNО3
Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N2 +О2 2NО
Источником NО в стратосфере служит также газ N2 О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения:
N2 О+h (230нм) = N2+О
N2 O+O= 2NO
Разрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям:
N2 О+h (250нм) = N2 +О
N2 O+O= N2 +O2
Чтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся.
Также мы — все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги.
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.
У этого проекта был предшественник — американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для «звездных войн».
Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете.
Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо:
расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;
провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами;
создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;
провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей;
организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.
1. Глинка Н.Л. Общая химия. Издательство «химия». 1990г.
2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды, Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с.
3. Лавров С.Б. Глобальная проблема современности. Санкт-Петербург, 1995г.
4. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Мысль, 1985 г.
www.ronl.ru
П л а н.
Введение.
Что такое озон и его движение в атмосфере.
Что приводит к разрушению озонового слоя.
Методы по защите озонового слоя.
Заключение.
На сегодняшний день проблема озона беспокоит очень многих, о ней наслышаны даже те, кто раньше и не знал о существовании озонового слоя в атмосфере, а помнил о нём только из школьного курса химии. И интерес к этой проблеме понятен, ведь речь идёт о будущем человечества. Ведь изменения в озоновом слое могут привести к изменению климата на планете в худшую сторону, поднимется уровень мирового океана, возрастёт количество раковых заболеваний из-за увеличения ультрафиолетового излучения Солнца достигающего поверхности планеты. К сожалению опасения людей, об изменении озонового слоя не беспочвенны. Впервые об опасности изменения озонового слоя Земли начали говорить ещё в 70 годы. Но тогда мало, что было сделано, что бы нейтрализовать эту угрозу. Если бы в те годы ввели эффективные методы по предотвращению этой угрозы, то в наше время это проблема не была бы так актуальна. В первую очередь это связано с экономическими интересами. Ведь к разрушению озонового слоя приводят различные химические вещества. Такие как фреоны, использующиеся в холодильной промышленности и в аэрозолях. Окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах и в камерах сгорания реактивных самолётов и ракет. Причём последнее особенно вредно, ведь на больших высотах окислы азота живут очень долго. Применение большого количества минеральных удобрений тоже вредит озоновому слою. Дымовые газы электростанций вырабатывают миллионы тонн закиси азота в год.
Таким образом, большая часть воздействия на озоновый слой планеты связана с хозяйственной деятельностью человечества. Поэтому быстрого изменения ситуации ждать не стоит. Ведь человечество не может взять и отказаться от использования минеральных удобрений или быстро перейти на новые технологии производства холодильных установок.
О нарушении озонового слоя свидетельствовали озоновые дыры появлявшиеся весной над Антарктикой. Там благодаря особой циркуляции воздуха в атмосфере в зимние и весенние месяцы, присутствующие в стратосфере химические вещества, такие как хлор, фтор, азот, метан и др., преобразуются в активные, которые быстро разрушают озон. Измерения показали, что в такие периоды концентрация окиси хлора в 100-500 раз больше чем в средних широтах. То есть вредные вещества, которые попадают в атмосферу переносятся движением воздуха на все широты, но только в Антарктике в конце зимы и весной, благодаря особым природным условиям они эффективно разрушают стратосферный озон. Но это не значит что проблема озоновой дыры в Антарктике региональная, а не глобальная.
Весь озон на планете находится как бы в сообщающихся сосудах, в одних районах он образуется регулярно, а в других плохо, где-то он живёт годы, а где-то секунды. Соответственно если он исчезнет без компенсации в одном месте, то общий объём озона в мире уменьшится. Но в нашем техногенном мире, перекись азота, поступающая в приземной воздух больших городов в составе автомобильных выхлопных газов реагирует при ультрафиолетовом облучении с ненасыщенным углеводородом, тем самым, формируя в больших городах озоновый смог. В приземном слое воздуха озон не только образуется, но и разлагается. Разложение происходит за счёт растений, животных и промышленных выбросов.
В принципе озон это разновидность кислорода. Молекула озона состоит из трёх атомов кислорода, а молекулярный кислород состоит из двух атомов. Благодаря этому свойства трёхатомной молекулы озона принципиально отличаются от двухатомной молекулы молекулярного кислорода. Озон остаётся газом до температуры –111,9 гр. С. При понижении температуры он переходит в жидкость тёмно-синего света. Если температуры опустить до –192,7 гр. С., То жидкость превратится в тёмно-фиолетовые кристаллы.
О
зон был открыт в 1839 году немецким химиком Шенбейном, а в 1873г. его обнаружили в приземной атмосфере. Затем путём анализа характеристик ультрафиолетового излучения солнца, приходящего к земной поверхности. Спустя 8 лет английский химик Гартли обнаружил озон в верхних слоях атмосферы.
Озоновый слой в стратосфере важен тем, что он поглощает определённый диапазон солнечного излучения. Наиболее сильно длину волн 253.65нм. Этот диапазон приходится на ультрафиолетовое излучение солнца. Из этого следует, что озоновый слой толщиной всего лишь 3мм (при температуре 0 гр. С и нормальном давлении) способен снизить интенсивность излучения на этой длине волн в число раз, равное единицы с сорока нулями.
Полоса поглощения озона от 200 до 300нм в честь её первооткрывателя, была названа полосой Гартли. Но имеются и другие полосы поглощения озона (более слабые) от 300 до 360 нм. Это полоса Хюгинса. Если излучение с этой длиной волн пройдёт через земную атмосферу от звёзд, то по характеру поглощения озоном можно определить количество озона, через которое прошло излучение. Озон поглощает и волны от 440 до 850 нм. Это полоса поглощения Шапюи.
Сама земля тоже испускает излучение в инфракрасном спектре. Так вот часть этого излучения тоже задерживается озоном, тем самым, предохраняя планету от охлаждения. Измерения поглощения инфракрасного излучения озоном также даёт информацию о количестве озона лежащего на пути излучения. Только сами измерения нужно проводить выше озонового слоя. Для этого аппаратуру устанавливают на спутниках. Такие измерения дают возможность узнать распределение озона по высоте.
Главной функцией озона является защита человека и всей биосферы планеты от жёсткого ультрафиолетового излучения с длинами волн от 250 до 320 нм. Если бы этого не происходило то, учитывая способность нуклеиновых кислот, поглощать излучение ниже 280 нм происходило бы их разрушение. Но озоновый слой не полностью поглощает этот спектр, часть его, которая доходит до организма поглощается белками. Тем самым они выступают в роли предохранителя для организма. Прежде всего, ультрафиолетовое излучение действует на живые организмы путём повреждения хранилища клеточной информации, то есть ДНК. Если они нарушены, то это препятствует восстановлению и копированию данных биосистем Установлено что, насколько сильно было действие ультрафиолетового излучения, он может либо просто загореть, либо получить солнечный ожог, либо даже заболеть не злокачественными типами рака кожи (базально-клеточный и чешуйчато-клеточный рак) и меланомой (рак кожи). Это же излучение при облучении глаз может вызвать повреждение роговицы (фотокерактит), катаракту и другие. Также это излучение может вызвать изменения в иммунной системе человека, подавляя его защитные функции. В результате будет усиливаться фотоканцерогенезис. Защита организма при этом ослаблена, поэтому уменьшается сопротивляемость к развитию заболеваний. Самым опасным для здоровья считается излучение с длинами волн от 300 до 315 нм. Изменение озонового слоя коснулись даже растений и животных. Опыты показали, что если количество озона уменьшится на 25% то и их урожайность упадёт на столько же.
Есть и версии, которые могут показаться экзотическими. Так в интервью с Василием Шабетниковым была высказана версия, что разрушения озонового слоя приведёт к усилению ионизации воздуха, что увеличит электрический потенциал земли и может привести к тому, что земля сойдёт со своей орбиты по направлению к солнцу.
Но у озона есть ещё одно неприятное свойство, он является сильнодействующим ядом. Его токсичность даже выше чем у синильной кислоты. Особую опасность для людей представляют, озоновые смоги, они могут быть опасными для жизни. Их образование происходит из выхлопных автомобильных газов, а точнее, из-за содержащийся в них перекиси азота. Если её не очень мало, то при облучении солнечным ультрафиолетом перекись азота вступает в реакции с ненасыщенным углеводородом и образует озон. Первым испытал на себе его действие Лос-Анджелес. Здесь образованный таким образом смог привёл в негодность провода городской сети электроэнергии.
Для того, что бы более полно понять проблему озонового слоя нужно рассмотреть движение озона в атмосфере. Находясь в непрерывном движении атмосферный воздух, непрерывно переносится большими массами из одних мест в другие. Перемешивание атмосферного воздуха происходит также за счёт его вертикального движения. Свою роль играет и турбулентность атмосферного газа, его вихревые движения. Благодаря этому состав воздуха до высоты 100 км примерно одинаков.
Общая схема движения озона выглядит примерно так. В стратосфере озон образуется с участием атомного кислорода. В стратосфере атомного кислорода очень мало по сравнению с озоном. Атомный кислород образуется под действием солнечного излучения. Как только с заходом Солнца солнечное излучение исчезает, образование атомного кислорода прекращается. Тот атомный кислород, который был образован до этого момента, идёт на создание озона. Ночью пока нет солнечного излучения, разрушение озона не происходит. Исчезает здесь озон в различных реакциях с химическими соединениями и под действием солнечного излучения. Поскольку в атмосфере от 100 км и до поверхности земли происходит интенсивное перемешивание, то вступать в реакцию с озоном в стратосфере могут химические соединения, которые образовались на земле, в её приземном слое, а затем из-за перемешивания были подняты в атмосферу. Для того, что бы слой оставался неизменным должен существовать баланс между количеством образующегося озона и озоном, который разрушается. Особо эффективно озон образуется из молекулярного и атомного кислорода на высоте 30-70 км. Выше эта реакция протекает плохо, так как молекул кислорода там мало, а ниже этого диапазона плохо проникает ультрафиолетовое излучение, которое нужно для его образования.
К разрушению озонового слоя приводят многочисленные факторы. Я рассмотрю самые главные. В первую очередь это, конечно же, фреоны. Фреоны – это собирательное название целой группы химических веществ появившихся на свет ещё в 20 годы. В основном они использовались в холодильниках в качестве хладагентов. И являются производными от метана, этана и циклобутана. В этих соединениях содержится фтор или хлор или оба этих элемента. Хотя они мало токсичны, всё же при их высокой концентрации их токсичность высока. По этому признаку они поделены на 6 классов. Наиболее опасными считаются 1 и 2 классы. Ещё одна область применения фреонов это использование их в аэрозольных упаковках в качестве распылителя. Так как большая часть производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно сказать, что выпуск фреонов почти полностью работает на сокращение озонового слоя.
Фреоны достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу. В стратосфере под действием ультрафиолетового излучения они достаточно быстро разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и участвуют в разложении озона.
Ещё один фактор, приводящий к уменьшению озонового слоя. Это высотные самолёты и запуски космических кораблей. Высокая температура в камерах сгорания реактивных двигателей, приводит к образованию окислов азота из находящихся там азота и кислорода. Причём скорость образования азота на прямую зависит от температуры, то есть мощности двигателя. Но ещё и очень важно, на какой высоте находится двигатель и выпускает в атмосферу разрушающие озон окислы азота. Чем выше, тем хуже для озона. Так при запуске ракет типа «Атлас» в атмосферный газ выбрасывается большое число молекул воды, в дальнейшем разрушающих озоновый слой, а в ионосфере на высоте 200-300 км образуются огромные дыры диаметром в сотни километров. Например, двигатели «Олимпус-593,» которые были установлены на самолетах «Конкорд» выделяли 18 г азота на 1 кг топлива. Наиболее вредными для озона являются выбросы военных самолётов. Так как их очень много и они летают в основном на высотах озонового слоя. На вооружении большинства стран мира имеются боевые твёрдотопливные ракеты. В состав их топлива входит окислитель – перхлорат аммония. Когда он сгорает, выделяются вещества, содержащие хлор. Также интересна точка зрения по этому вопросу Пономаря В.В.1 ''Основной причиной потепления климата, увеличения частоты и силы стихийных бедствий, является истощение озонового слоя и образование озоновых дыр из-за запусков шатлов’’.
Т
еперь рассмотрим действие минеральных удобрений на разрушение озонового слоя. Озон может уменьшаться за счёт того, что в стратосферу попадает закись азота N2O, которая образуется при денитрификации
Пономарь В.В. // Свет. - 2003. - №1. – с34
связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхних слоях океанов и морей. Эти процессы напрямую связаны с содержанием азота. Таким образом, можно быть уверенным, что с ростом количества минеральных удобрений вносимых в почву. Будет также и расти количество закиси азота. Далее образующиеся из закиси азота, окислы азота приводят к разрушению озонового слоя.
Ядерные взрывы тоже способствуют истощению озонового слоя. При сильном нагреве, а температура ядерного взрыва около 60000 гр. Происходят такие преобразования химических веществ, которые при, нормальных условиях протекают, вяло или вообще не протекают. Особо опасным является появление окиси азота NO. Это происходит таким образом. При повышении температуры до 60000гр молекулярный кислород практически весь превращается в атомный. И если при нормальной температуре окиси азота в воздухе практически нет, то при ядерном взрыве он составляет 1,5%. Излучение при взрыве тоже приводит к образованию окиси азота, это происходит, прежде всего, потому что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакции с другими составляющими атмосферы и образуют окислы азота.
Закись азота обнаруживается также и в дымовых газах электростанций. Это очень сильный источник влияния на атмосферу. Таким путём образуется примерно 3 млн. т. закиси азота.
Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидрооксила OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона.
Т
ак, по мнению профессора, Сывороткина1 основной вклад в убыль
Сывороткин В.Л. // Химия и жизнь. – 2001. - №3. – с19
озонового слоя вносит толеолитовый вулканизм. Этот тип вулканизма можно наблюдать в середине океана, там, где в коре образуются разломы. Из них выделяются потоки восстановленных газов (водорода, метана, азота), Которые и играют решающую роль в разрушении озонового слоя.
В марте 1985 года появилась Венская конвенция. Результатом, которой было подписание Монреальского протокола. Под ним, подписались около 150 стран, Россия в то числе. Основой его содержания было то, что человечество должно смирится с экономическими потерями ради дальнейшей жизни на земле. Его результатом было соглашение о постепенном выводе фреонов из промышленного оборота. Так в холодильных установках идёт процесс постепенного перехода на более дорогие фреоны, такие как фторуглеводороды (CHF2CHF2,Ch4CF3),фторхлорметаны. Все они содержат хотя бы один атом водорода и поэтому разлагаются уже в нижней атмосфере. Время их жизни короче. Поэтому они менее опасны для озона. Но и у них есть свои слабые стороны. Если предыдущие фреоны нетоксичны в силу своей химической инертности, то этого нельзя сказать об их заменителях и продуктов их разложения. Но, к сожалению, если в западных странах промышленность уже давно стало использовать старые виды фреонов, то в России этот процесс идёт очень медленно. Для распыления жидкости из аэрозольных баллончиков, можно использовать другие газы, такие как пропан или бутан. Правда, они горючи.
Хорошим подспорьем в сохранении озонового слоя стало запрещение наземных атомных взрывов. Только при проведении подземных взрывов, всё равно, какая то часть окислов азота попадает в атмосферу. Эта мера будет действенна только после того, как все страны откажутся от проведения ядерных испытаний. Хотя токая тенденция наметилась.
В освоении космоса тоже наметились перемены. Так при запусках «шатлов» их боковые ускорители отрегулированы таким образом, что бы их мощность снижалась при прохождении озонового слоя.
В самолётостроении новые конструкции двигателей уменьшили образование окислов азота.
В принципе можно считать, что проблема озонового слоя решена. Его восстановление уже началось. Об этом говорят результаты анализов последних 4 лет. В северном полушарии параметры вернулись к уровню 70-х годов. Так практически исчезли озоновые дыры над восточной Сибирью. Перестала расти Антарктическая дыра. Озоновый слой над европейской частью России тоже больше не истощается. Правда это противоречит многочисленным прогнозам разрушения озонового слоя. Что ставит под сомнение теорию разрушения озона, где главным виновником являются фреоны. Но появились новые проблемы. В связи с ростом парникового эффекта восстановленный в будущем озоновый слой может стать толще, чем прежде. В этом случае уровень ультрафиолетового излучения по сравнению с обычной нормой упадёт, что грозит ультрафиолетовым голоданием. Быть может, проблема озонового слоя научит с большим вниманием и опаской относиться ко всем веществам, попадающим в атмосферу в результате деятельности человечества.
Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек. – М.: 1986.
Сердюк А.М. Непростые заботы человечества. – М.; Политиздат, 1998. – 299 с.
nreferat.ru
Над человечеством нависла вполне реальная опасность. Она связана с растущим все убыстряющимися темпами загрязнением земной атмосферы.
Факт такого загрязнения, как мы уже отмечали, установлен надежно и сомнений не вызывает. Можно обсуждать лишь правильность тех или иных моделей, дающих прогноз увеличения количества выбросов различных загрязняющих веществ в ближайшие десятилетия. Конечно, то, насколько реализуются разные прогнозы, какова будет экологическая ситуация, скажем, через 30 лет, зависит от многих факторов. Тут и развитие новых технологий, и изменение политического климата в мире (например, полный отказ от стратосферной военной авиации), и, что очень важно, осознание грозящей опасности, и своевременное принятие мер по резкому уменьшению выбросов наиболее опасных для атмосферы веществ.
В плане основной нити нашего рассказа, посвященного атмосферному озону, сказанное выше означает прежде всего борьбу с увеличением количества озона в тропосфере и с выбросом хлорсодержащих веществ (особенно фреонов), угрожающих стратосферному озону.
Накопление озона в тропосфере идет в результате нескольких процессов, и учесть их все далеко не просто. Основной вклад вносят, однако, выхлопы автомобилей. Видимо, надежды на уменьшение антропогенного образования озона в приземном слое воздуха можно связывать лишь с отказом от массового использования работающих на нефтепродуктах двигателей внутреннего сгорания. Наиболее кардинальное решение — переход на принципиально другие источники энергии (например, на электромобили) сталкивается с огромными техническими и организационными трудностями, которые очевидны. Более реальный для ближайшего десятилетия путь — замена топлива в существующем автомобильном транспорте на экологически более чистое. Отметим, что ряд стран (например, Бразилия) уже перешли на использование в двигателях внутреннего сгорания спирта вместо бензина. Окажется ли этот путь приемлемым для других стран — покажет будущее.
Как мы уже знаем, основной ущерб слою озона в стратосфере несут соединения хлора, наиболее распространенными из которых являются хлорфторуглеводороды (фреоны). Выброс этих соединений в последнее десятилетие растет очень быстро, и это вызывает заметное увеличение количества опасного для озона так называемого нечетного хлора ClOx в стратосфере. Продление таких темпов выбросов фреонов на будущее повлечет за собой такой рост концентрации ClOx в стратосфере, что уже в ближайшие 20—30 лет она достигнет уровня, при котором неизбежны катастрофические последствия для «озонного щита» Земли.
Осознание этой опасности приводит к тому, что международной общественностью предпринимаются все новые и новые шаги в защиту озонного слоя.
Реальность угрозы разрушения озонного слоя человечество начало понимать еще в начале 70-х годов. И уже в середине 70-х годов международные научные организации отреагировали на эту угрозу — стали появляться крупные международные проекты, в которых изучению озона отводилось ведущее место. Одним из таких проектов, просуществовавших целое десятилетие, стал МАП — Программа средней атмосферы. Основным лозунгом, написанным на знамени МАП, было не только международное, но и междисциплинарное объединение ученых. Впервые «за одним столом» сошлись специалисты по ионосфере и по метеорологии, ученые, изучающие фотохимию, и специалисты в области атмосферной динамики. Для изучения озона такой подход оказался особенно плодотворным, ибо проблема атмосферного озона связана с самыми различными аспектами атмосферных исследований в целом. Тут и малые составляющие с их сложной фотохимией, и крупномасштабные динамические процессы, и радиационные процессы, и тепловые эффекты…
Многое из того, что мы сегодня знаем об озоне, попало в копилку наших знаний в результате исследований, проведенных в рамках МАП. Большое внимание изучению озона уделялось и в программах деятельности других чисто научных международных организаций, таких, как Комитет по космическим исследованиям (КОСПАР), Международная ассоциация геомагнетизма и аэрономии (МАГА) и т. д.
Начали действовать и специальные международные органы, посвященные проблеме озона. Так, в марте 1977 г. организация ООН по окружающей среде (ЮНЕП) созвала первое «Совещание по слою озона», в котором участвовали многие как правительственные, так и неправительственные организации. Это совещание приняло пространный «Всемирный план изучения озонового слоя», предусматривавший наблюдение озона, развитие теории и моделей, изучение воздействия озона на биосферу и на человека, наблюдения ультрафиолетовой радиации солнца и анализ статистики вызываемых ею заболеваний, а также ее влияния на экосистемы. Предусмотрен был и сбор данных об опасных для озона загрязнениях атмосферы. Был учрежден специальный Координационный Комитет ЮНЕП по озоновому слою. Этот комитет собирался в последующие годы неоднократно (Женева, 1977 г., Бонн, 1978 г., Париж, 1979 г.), причем на его заседаниях было привлечено внимание мировой общественности к ряду важных аспектов озонной проблемы, в частности к роли других (помимо фреонов) хлорсодержащих соединений (например, CF3Cl, Ch4Cl) в возможном разрушении озона, к нелинейному росту числа заболеваний раком кожи при утоньшении озонного слоя и т. д.
Тот же ЮНЕП совместно с Американским агентством защиты окружающей среды созвал в июне 1986 г. Международную конференцию по влиянию озона на здоровье. Многие из печальных выводов о вероятных последствиях даже частичного разрушения слоя озона, которые мы подробно описали в главе «Если бы озона не было», впервые прозвучали именно на указанной конференции. Там, в частности, было показано, что уменьшение N (O3) на 10% (за счет усиления ультрафиолетового облучения) для биосферы средних широт эквивалентно смещению на 30° широты к экватору, и было привлечено внимание к тому факту, что усиление биологически активного ультрафиолета (БАУ) должно повлиять на ДНК — основной генетический материал всех живых организмов. Были отмечены также драматические последствия ожидаемых изменений климата — рост числа засух, смена типов леса, изменение стока рек, повышение уровня океана.
К середине 80-х годов в результате активного изучения проблемы озона стало ясно, что имеется реальная опасность разрушения слоя озона и что эта опасность грозит прежде всего со стороны хлорсодержащих соединений. На смену научным комиссиям и комитетам (которые, впрочем, продолжали и продолжают свою работу по обобщению исследований, связанных с природой озона в атмосфере) пришли политические мероприятия.
Первым из них был созыв в марте 1985 г. в Вене Конференции полномочных представителей по охране слоя озона. На конференции, в которой участвовали делегаты от 44 государств (включая СССР) и нескольких международных организаций, была принята получившая широкую известность «Конвенция по охране озонного слоя» (так называемая Венская конвенция). В ней впервые на официальном правительственном уровне было признано, что имеется опасность изменения слоя озона и что такое изменение может пагубно повлиять на здоровье людей и окружающую среду.
Государства — участники конференции, подписавшие Венскую конвенцию, обязались вести систематические наблюдения за количеством озона и изучать как процессы, приводящие к его изменению, так и возможные биологические последствия таких изменений. В Конвенции подчеркивалась также необходимость развития работ по моделированию распределения озона и малых примесей в атмосфере, особенно представляющих для озона опасность. Государства взяли на себя также обязательства информировать мировую общественность о производстве и использовании таких веществ.
На Венской конференции была создана группа экспертов для подготовки специального подробного документа о хлорфторуглеводородных соединениях, которые могут представлять опасность для стратосферного озона. Обсуждение и подписание этого документа (получившего название Монреальского протокола) произошло в Монреале в сентябре 1987 г. В Протоколе подчеркивается, что необходим постоянный контроль за изготовлением, продажей и применением наиболее опасных для озона веществ. В список этих веществ вошли помимо хлорфторуглеродов (фреонов), также и бромсодержащие соединения (например, CF3Cl, который в 3—10 раз эффективнее разрушает O3, чем фреон-11 CFCl3).
Согласно Монреальскому протоколу использование хлорфторуглеводородов по сравнению с уровнем 1986 г. должно быть уменьшено на 20% к 1993 г. и в два раза к 1998 г. Советский Союз подписал Протокол и позже (в 1989 г.) предложил ввести в список веществ, на которые он распространяется, еще одно хлорсодержащее соединение — метилхлороформ Ch4CCl.
В апреле—мае 1989 г. в Хельсинки прошли совещания участников Венской конвенции и Монреальского протокола. На этих форумах продолжалось обсуждение проблемы озона и необходимых мер по предотвращению разрушения озонного слоя с учетом как новых данных о самом озоне, так и политической ситуации в мире.
К этому моменту Протокол ратифицировали 43 суверенных государства и Европейское Экономическое Сообщество. Однако ряд развивающихся стран не подписали Протокол, ссылаясь на серьезные экономические трудности, связанные с переоборудованием целых отраслей промышленности (например, холодильной техники), где используются фреоны. Это ставит под вопрос реальность полного прекращения в ближайшем будущем выброса хлорсодержащих веществ в атмосферу и остановки соответствующего накопления свободного хлора в стратосфере. А раз так — неизбежно уменьшение N (O3) в ближайшие десятилетия.
На совещании в Хельсинки было рекомендовано ускорить работы по исследованию генетической устойчивости культурных растений к ультрафиолетовому излучению и отбору тех видов, которые могут обеспечить человечество продовольствием даже в условиях усиления облучения биосферы БАУ. Был принят также ряд решений о расширении и совершенствовании сети наблюдений за количеством озона, особенно в развивающихся странах, где, в силу того что они расположены преимущественно в тропиках, утоньшение слоя озона должно сказаться в первую очередь.
Новая конференция участников Венской конвенции и Монреальского протокола намечена на июнь 1990 г. в Лондоне. На ней должны быть обсуждены и приняты поправки к Монреальскому протоколу и, быть может, даже его замена новым, Лондонским протоколом. В начале 1990 г. на нескольких международных научных форумах ученые пришли к выводу, что ограничения Монреальского протокола недостаточны для сохранения озонного слоя. Даже при их выполнении содержание компонент хлорного семейства ClOx в стратосфере будет расти достаточно быстро и разрушать озон. Внесены предложения о полном прекращении производства и выбросов в атмосферу уже в 1991—1992 гг. тех фреонов, которые ограничиваются Монреальским протоколом. Химики всех развитых стран интенсивно ищут заменители этих фреонов, менее опасные для озона, и исследуют их свойства. Правительствам развивающихся стран настойчиво предлагают присоединиться к Монреальскому протоколу, обещая им экономическую и техническую помощь, в частности путем безвозмездной передачи им технологии производства и использования так называемых альтернативных (мало опасных для озона, быстро распадающихся в атмосфере) фреонов.
Проблемы сохранения озонного слоя относятся к глобальным проблемам человечества. Поэтому она обсуждается ныне на многих форумах самого разного уровня вплоть до советско-американских встреч на высшем уровне (в Вашингтоне, США в декабре 1987 г.).
Этим кратким обзором международных мероприятий в защиту озонного слоя мы и завершаем нашу книгу. Остается лишь верить в то, что более глубокое осознание грозящей человечеству опасности подвигнет правительства всех стран на принятие необходимых мер по уменьшению выбросов вредных для озона веществ. Задача ученых в этой ситуации — правильно оценить эту опасность и своевременно довести до сведения широкой общественности ее реальность и источники.
Озон — это химическое соединение. В молекуле озона О3 соединены три атома кислорода, а не два, как в обычной молекуле кислорода О2. В атмосфере Земли озон содержится в виде очень малой примеси — его концентрация нигде не превышает тысячной доли процента от общего количества атмосферного газа. Несмотря на это, озон играет очень важную роль в атмосфере Земли за счет своей способности сильно поглощать излучение в некоторых участках спектра, особенно в ультрафиолетовой и инфракрасной областях. Эта способность делает озон защитником всего живого на Земле от опасного для биологических организмов (включая и человека) ультрафиолетового излучения с длиной волны 200—320 нм.
Озон наблюдается в атмосфере на всех высотах от поверхности Земли до примерно 100 км. Его распределение по. высоте неравномерно — наибольшая концентрация молекул О3 наблюдается в стратосфере на высотах 15—25 км. Величина максимальной концентрации изменяется в зависимости от различных обстоятельств: времени года, широты места на Земле и т. д. Часто для удобства говорят о слое озона в стратосфере и называют наибольшую концентрацию О3 концентрацией в максимуме слоя.
Если собрать весь озон, находящийся в столбе атмосферы от ее верхней границы до поверхности Земли, и опустить эти собранные молекулы О3 на поверхность, то при нормальных давлении и температуре мы получим слой толщиной около 3 мм. Толщину такого слоя, равную одной сотой доле миллиметра, называют единицей Добсона (е. Д.) и используют для описания общего количества озона в атмосфере над данным местом, обозначаемого N (О3). Таким образом, в среднем по Земле N (О3) ≈ 300 е. Д.
Так же, как и концентрация О3 в максимуме слоя, общее количество озона сильно меняется в пространстве и во времени. Оно максимально весной в высоких (70—80°) широтах и минимально в экваториальной зоне. Бывают отдельные дни, недели и даже месяцы, когда в том или ином месте на Земле наблюдаются очень высокие или очень низкие значения N (О3), в два раза и более отличающиеся от средних значений. Такая сильная изменчивость общего количества озона сильно затрудняет выявление тенденции изменения (трендов) N (О3) за последние десятилетия в результате антропогенного загрязнения атмосферы.
Озон образуется при соединении молекулы и атома кислорода. Значит, для формирования озона необходимо, чтобы в воздухе присутствовали как молекулы О2, так и атомы O. Последние образуются из молекул О2 под действием солнечного ультрафиолетового излучения. Чем выше мы поднимаемся в атмосферу, тем сильнее идет разрушение (диссоциация) О2, тем больше образуется атомов O, тем эффективнее идет образование молекул О3. Это объясняет увеличение концентрации озона при подъеме от поверхности Земли до максимума слоя.
Но молекула озона тоже может диссоциировать под действием солнечного излучения. И с увеличением высоты над поверхностью интенсивность процесса диссоциация О3 растет. Начиная с некоторой высоты (здесь как раз концентрация озона и будет максимальна — это и будет максимум слоя) скорость разрушения озона растет с высотой быстрее, чем скорость его образования при соединении O и O2. Концентрация озона при этом начинает с высотой уменьшаться.
Так можно схематически представить себе высотное распределение озона в атмосфере под действием фотохимических процессов. Реально на распределение озона по высоте оказывают большое влияние фотохимические реакции озона с другими газами воздуха и динамические процессы в атмосфере, в первую очередь вертикальный перенос воздуха.
Например, направленные вниз (нисходящие) потоки должны приводить к общему понижению слоя и увеличению концентрации О3 в его максимуме. Именно это наблюдается в атмосфере высоких широт. Наоборот, восходящие потоки воздуха поднимают слой озона, делают его более тонким. Так обстоит дело в приэкваториальной атмосфере.
Причиной вертикальных движений воздуха является общая атмосферная циркуляция. В приэкваториальной зоне воздух в тропосфере нагревается и движется вверх в стратосферу, а потом горизонтально вдоль меридиана. Дойдя до высоких широт, он охлаждается, опускается в тропосферу и возвращается назад к экватору.
Динамические процессы вносят существенный вклад и в сезонные изменения N (О3). Так, максимум количества озона, наблюдаемый в высоких широтах весной, связан с его интенсивным переносом зимой из низких широт. Ясно, что динамические процессы лишь перераспределяют молекулы О3, но не могут ни производить их, ни уничтожать. Таким образом, общее количество озона в атмосфере строго контролируется процессами его образования и гибели в фотохимических реакциях. И если в результате антропогенного загрязнения атмосферы скорость химического разрушения озона увеличивается, общее количество озона неизбежно должно уменьшаться.
В тропосфере озон выступает в роли одного из загрязнителей воздуха. Часть смога в больших городах вызвана, в том числе, избытком озона, образующегося как побочный продукт автомобильных выхлопов. В стратосфере же озон выполняет роль своеобразного экрана, поглощающего губительное для всего живого на Земле коротковолновое (ультрафиолетовое) излучение.
Озон принимает также активное участие в формировании теплового режима атмосферы и поверхности нашей планеты. Этот режим сильно зависит от так называемого парникового эффекта. Последний состоит в том, что ряд газов в атмосферном воздухе активно поглощает тепловое (инфракрасное) излучение, которое переизлучает земная поверхность, поглотив предварительно излучения солнца во всех длинах волн. К этим газам относится и озон. Его роль состоит в поглощении уходящего от Земли теплового излучения в тех спектральных интервалах (так называемые окна прозрачности), где основные газы, ответственные за парниковый эффект (пары воды, CO2), поглощают плохо.
В стратосфере озон поглощает идущее от солнца ультрафиолетовое излучение. Этот процесс является основным источником нагрева стратосферного воздуха и определяет существующую там относительно высокую (по сравнению с тропосферой) температуру. Кроме того, поглощая ультрафиолетовое излучение, особенно в той его части (200—320 нм), которая представляет наибольшую опасность для биологических организмов, озон защищает людей и всю биосферу от его губительного действия.
Конечно, точно ответить на этот вопрос невозможно. Но есть серьезные основания полагать, что жизнь на нашей планете развивалась бы (если бы развивалась вообще) по-иному. При исчезновении или даже утоньшении слоя озона неизбежно увеличение достигающего земной поверхности потока солнечного ультрафиолетового излучения с длиной волны 200—320 нм. Это излучение часто называют мягким, ближним или биологически активным ультрафиолетом (БАУ). Последнее название связано с тем, что клетки живых организмов (особенно входящие в них нуклеиновые кислоты) очень чувствительны к облучению БАУ.
Следует иметь в виду, что поток излучения очень чувствителен к изменению общего количества озона (как выражаются ученые, связь между ними существенно нелинейна). Иначе говоря, падение N (О3) даже на десятки процентов ведет к росту ультрафиолетового излучения в несколько раз, а то и несколько десятков раз.
Поскольку речь идет об излучении в той части солнечного спектра (200—320 нм), которая наиболее биологически активна, то указанные изменения интенсивности этого излучения, достигающего поверхности Земли, с неизбежностью приведут к сильным изменениям в биосфере в целом и в здоровье людей в частности.
Сегодня трудно предсказать все подобные изменения. Но уже ясно, что в клетках живых организмов под действием ультрафиолетового излучения должны происходить мутации. Последние должны пагубно сказаться и на развитии животного и растительного мира в целом и, в частности, на растениях и животных, используемых человеком в сельском хозяйстве. Здоровью самого человека также грозят серьезные неприятности, наиболее очевидные из которых — увеличение заболеваемости раком кожи и повреждения сетчатки глаз.
Изменение количества озона не может не отразиться и на климате планеты. Поскольку озон принимает активное участие в создании парникового эффекта, обеспечивающего нагрев самого нижнего атмосферного слоя — тропосферы, при заметном увеличении в ней количества озона климат Земли должен стать более теплым (средняя температура должна повыситься на 1—2°С). Это, на первый взгляд, небольшое увеличение средней годовой температуры в глобальном масштабе может привести к значительным изменениям погоды в ряде регионов Земли, подъему уровня океанов и другим очень серьезным последствиям. В настоящее время увеличение количества озона в тропосфере вносит лишь вклад в идущий в последние десятилетия процесс усиления парникового эффекта за счет роста количества нескольких поглощающих тепловое излучение газов, в первую очередь двуокиси углерода.
При уменьшении количества озона в стратосфере там тоже должно сильно измениться тепловое равновесие. При падении концентрации озона вдвое температура стратосферного воздуха упадет на 10—30 °С. А это, в свою очередь, может нарушить стабильность всей атмосферы с плохо предсказуемыми пока последствиями.
Хотя, как мы уже говорили, озон, экранируя все живое на Земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей, является верным защитником человека, сам же человек и угрожает озону. В результате его деятельности в атмосферу выбрасывается все больше загрязняющих веществ. Часть этих веществ являются вредными для озона — они способствуют его разрушению. К таким вредным веществам относятся соединения азота, водорода и хлора.
Азот попадает в атмосферу главным образом в виде азотных окислов (NO, NO2, N2O) при использовании азотных удобрений и выбросе отработанных газов при полетах высотных самолетов. Источником водородных соединений являются промышленные предприятия, выделяющие в атмосферу метан, и также полеты высотных самолетов и ракет, при которых непосредственно на стратосферных высотах выбрасываются пары воды. Наконец, хлор попадает в атмосферу в результате очень активного использования в промышленности и быту хлорсодержащих органических соединений, прежде всего так называемых фреонов (хлорфторуглеводородов).
За счет химической активности кислорода, которого много в атмосферном газе, образуются целые группы (или, как говорят, семейства) соединений азота, водорода и хлора. Возникающая при этом система химических взаимодействий достаточно сложна — только цикл процессов с участием азотных соединений включает десятки реакций. Однако результирующий эффект, важный для нашего рассказа, довольно прост. Каждое из семейств участвует в своем цикле каталитических реакций разрушения озона. При этом члены семейств выступают в роли катализаторов — они ускоряют реакции гибели озона, но не расходуются сами.
Наибольшую опасность для озона в стратосфере (где, напомним, располагается максимум озонного слоя) представляют сегодня, видимо, соединения хлора. Выброс хлорсодержащих веществ (прежде всего фреонов) в последние десятилетия катастрофически растет. Например, выброс фреона-11 за период с 1950 по 1980 г. возрос примерно в 300 раз. Соответственно растет и равновесное (то есть установившееся после размешивания выброшенных веществ и химических взаимодействий их с другими атмосферными соединениями) количество хлорсодержащих веществ в атмосфере и, в частности, в стратосфере. Так за 1970—1980 гг. относительная концентрация фреона-11 на стратосферных высотах выросла в четыре раза.
Ответ на предыдущий вопрос мы закончили тем, что за последние десятилетия очень сильно увеличился выброс в атмосферу загрязняющих веществ (особенно хлорсодержащих), что привело к заметному росту равновесных концентраций таких веществ в стратосфере. В связи с этим предпринимаются попытки выяснить, сказывается ли это уже сегодня на общем количестве озона. Такие попытки связаны с серьезными трудностями. Ожидаемое уменьшение общего количества озона пока относительно невелико — всего несколько процентов. Зарегистрировать такое изменение за достаточно длинный срок (скажем, за 10 лет) сложно, так как оно находится на грани точности существующих методов измерения N (О3). Тем не менее поиски тенденций и характера изменения N (О3) (так называемых трендов) в последние годы идут непрерывно.
Анализ данных наземных измерений общего количества озона за период с 1969 по 1986 г. приводит к заключению, что величина N (О3) за этот период уменьшилась в среднем на 2—3%. Выяснилось, что это уменьшение происходит по-разному в разных областях земного шара и в разные сезоны. Зимой и весной эффект такого уменьшения наиболее заметен. В области широт 50—65° он может достигать 4%. Летом эффект минимален — иногда для летних месяцев получают даже положительные тренды (рост N (О3) за рассматриваемые годы), уменьшается он и к низким широтам.
Похожему анализу подвергались и данные спутниковых измерений общего количества озона. Результаты, в принципе, подобны тем, что получены по наземным наблюдениям: общая тенденция уменьшения N (О3) примерно на 2%, более сильное падение зимой, чем летом, зависимость эффекта от широты места. Однако регулярные спутниковые наблюдения N (О3) имеются лишь с 1979 г., то есть приходятся пока лишь на фазы спада 21-го цикла солнечной активности. Это затрудняет отделение интересующего нас в первую очередь антропогенного эффекта в уменьшении N (О3) от эффектов, которые могут быть связаны с естественными процессами, прежде всего с изменением солнечной активности. В самое ближайшее время, как только появятся наблюдения N (О3) на восходящей ветви нового (22-го) солнечного цикла, указанные трудности будут, видимо, устранены и мы получим более точный ответ на вопрос. Пока наиболее вероятный ответ звучит так: да, это уменьшение, скорее всего, существует и составляет около 2% N (О3) за последние два десятилетия.
«Озонной дырой» называют явление уменьшения общего количества озона над Антарктикой в весенние (сентябрь—ноябрь) месяцы.
Как по наземным, так и по спутниковым измерениям замечено систематическое уменьшение N (О3) весной примерно с 300 е. Д. в прошлом до 150—200 е. Д. в последние годы. Наиболее сильный эффект наблюдался пока весной 1987 г., когда в отдельных областях антарктической стратосферы общее количество озона падало до 100 е. Д.
Обнаружено увеличение из года в год области, где наблюдается описываемое явление. Так, в 1987 г. территория, где N (О3) уменьшилось до 200 е. Д., составляла около 40 миллионов квадратных километров, а ее граница практически совпадала с кругом 60° ю. ш.
Измерения высотного распределения концентрации озона с помощью аэростатов показали, что падение N (О3) происходит за счет очень сильного (на 97% по сравнению с обычными условиями) уменьшения концентрации озона в максимуме слоя на высотах 14—20 км.
При пролете через область «дыры» специальных самолетов- лабораторий обнаружили, что там наблюдаются очень высокие концентрации окиси хлора ClO (в 300 раз выше, чем в средних широтах) и соединений брома. При этом распределение окиси хлора вдоль трассы полета имеет ярко выраженную обратную корреляцию с распределением озона: чем выше концентрация ClO, тем меньше общее количество озона и наоборот.
По сегодняшним представлениям причина образования «озонной дыры» связана прежде всего с систематическим увеличением в стратосфере Земли количества хлора и других галогенов благодаря все возрастающему выбросу в атмосферу галогенсодержащих соединений (в первую очередь фреонов). Но к столь драматическим изменениям N (О3) (в несколько раз!) при сегодняшнем уровне загрязнения воздуха приводит специфика метеорологической обстановки в антарктической стратосфере зимой и весной.
Зимой в полярной стратосфере южного полушария существует устойчивый циклон — так называемый циркумполярный вихрь. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям, не выходя за его границы. При этом в Антарктике зимой практически не происходит обмена воздухом между полярной и среднеширотной атмосферой. К концу зимы воздух внутри вихря сильно охлаждается (до —70…—80 °С), и в стратосфере появляются полярные облака, состоящие из кристалликов льда и капель переохлажденной жидкости.
Частицы полярных облаков связывают азотные соединения (прежде всего NO2) и дают простор действию хлорного цикла разрушения озона. По мере прогревания антарктической стратосферы циркумполярный вихрь разрушается, при этом восстанавливается обмен воздухом с богатыми озоном средними широтами, стратосферные облака исчезают, освободившиеся молекулы NO2 связывают молекулы окиси хлора, разрушительное действие хлорного цикла на озон ослабевает и количество последнего восстанавливается до невозмущенных значений.
Замечена связь уменьшения количества озона над Антарктикой с задержкой разрушения циркумполярного вихря. Так, весной 1987 г., когда падение N (О3) было максимальным, разрушение вихря произошло лишь в начале декабря, а не в октябре, как это бывает обычно.
Весной 1988 г. эффект уменьшения количества озона над Антарктикой был выражен слабее, чем годом раньше: наблюдалось понижение N (О3) лишь до 200 е. Д., да и область, где происходило такое понижение, была значительно меньше, чем весной 1987 г. Весной 1989 г. «дыра» была почти столь же интенсивной, как и в 1987 г. Такое колебание эффекта «озонной дыры» связывают с обнаруженными по другим наблюдениям квазидвухлетними колебаниями количества озона и ветрового режима средней атмосферы.
Весной (февраль—март) 1988 и 1989 гг. проводились поиски явления, аналогичного антарктической «озонной дыре», в Арктике. Метеорологическая обстановка в арктической стратосфере отличается от таковой в Антарктике. Менее выраженный зимний циркумполярный вихрь не дает арктической стратосфере сильно охладиться, а потому не появляется условий для образования стратосферных облаков. Кроме того, не прекращается обмен воздухом с богатыми озоном средними широтами. Следовательно, не следует ожидать и явления «озонной дыры» в столь же явном виде, как в южном полушарии.
Наблюдения 1988 и 1989 гг. показали, что, действительно, общего явления понижения N (О3), сравнимого с антарктической «дырой», в Арктике нет. Однако в отдельных местах обнаружены относительно небольшие области с пониженными N (О3) («микродыры»), которые могут быть связаны с локальными вихрями, образующимися при разрушении основного циркумполярного вихря. Например, одна из таких «микродыр» была обнаружена весной 1989 г. во время самолетных измерений над северной частью Норвегии, о чем сообщалось в прессе.
Таким образом, «озонная дыра» является результатом загрязнения атмосферы хлорсодержащими соединениями. Сильный эффект уменьшения N (О3) именно весной в полярной области южного полушария связан со спецификой метеорологической обстановки в зимней антарктической стратосфере.
Наблюдения количества озона в столбе атмосферы ведут уже несколько десятилетий на сети озонометрических станций, расположенных в разных частях земного шара, включая и Антарктиду. В основе метода наблюдений (метод Добсона) лежит измерение поглощения в атмосфере солнечного ультрафиолетового излучения в двух длинах волн. Последние выбираются таким образом, чтобы поглощение озоном в этих длинах волн было существенно разным. В качестве спектрального прибора используется либо спектрограф, либо (в более простой современной модификации) фотометр со светофильтрами.
Наблюдения методом Добсона позволяют определить только общее количество озона в столбе атмосферы. Для получения высотного распределения концентрации озона используют либо наблюдения с Земли рассеянного атмосферой излучения при заходе солнца (метод обращения), либо прямые измерения с помощью специальных зондов, поднимаемых на ракетах или аэростатах. Прямые методы являются наиболее точными и надежными, однако очевидно, что их использование ограничено дороговизной подъемных средств. В основном они используются для проверки и калибровки других методов.
С середины 70-х годов ведутся наблюдения общего количества озона со спутников. Принципы определений N (О3) со спутника близки к таковым в методе Добсона — измерение поглощенного или рассеянного атмосферой излучения в различных спектральных интервалах.
Основное преимущество спутниковых наблюдений N (О3) — возможность получения глобальной картины распределения озона с использованием одного и того же прибора. Основной недостаток — опасность изменения чувствительности (старения) аппаратуры, в результате чего могут получаться ошибочные выводы о характере изменения (трендах) N (О3) со временем.
Пока с помощью спутниковых наблюдений удается измерять вертикальное распределение концентрации озона только начиная с высоты около 20 км, поэтому для получения всего профиля озона в стратосфере и тропосфере они не пригодны. Однако эти методы дают очень важные сведения о количестве молекул озона в верхней стратосфере и мезосфере.
В последние годы активно развиваются методы определения концентрации озона по измерениям в радиодиапазоне (гигагерцы). Весьма вероятно, что в ближайшее десятилетие эти методы займут ведущее место в системе глобального мониторинга озона.
Глобальное загрязнение атмосферы — явление вполне реальное. Для многих компонент этого загрязнения (фреоны, метан, закись азота) получены надежные данные о росте их количества в воздухе (в том числе и в стратосфере) за последние десятилетия.
Существуют различные прогнозы дальнейшего изменения (как правило, увеличения) количества антропогенных загрязняющих веществ в атмосфере. В тропосфере к числу таких веществ относится сам озон и его концентрация растет примерно на 1—2% в год. При удвоении количества тропосферного озона следует ожидать неприятного для человечества потепления климата планеты (увеличение средней температуры на 1—2 °С) из-за участия молекул О3 в создании так называемого парникового эффекта.
На основе прогнозов дальнейшего загрязнения стратосферы строятся и модели ожидаемого изменения общего количества озона. Расхождение в предсказаниях на обозримое будущее по таким моделям пока достаточно велико в количественном плане. Однако в качественном отношении практически все модели сходятся — в ближайшие десятилетия должно происходить уменьшение количества озона в стратосфере и, следовательно, падение N (О3).
Такое падение по существующим сегодня представлениям должно вызвать ряд весьма неприятных для человека и всей биосферы последствий: увеличение числа заболеваний кожи и сетчатки глаз, непредсказуемые генетические изменения в биологических организмах.
Хотя точно указать срок, когда значение N (О3) в глобальном масштабе упадет, скажем, на 20%, пока невозможно, нетрудно предсказать, что это время наступит очень скоро. Гораздо скорее, чем нам хотелось бы, поскольку непрерывно растет выброс в атмосферу хлорсодержащих веществ — основных на сегодняшний день врагов озона. Если резко затормозить этот рост на уровне существующих международных соглашений не удастся, можно ожидать, что от серьезных неприятностей, связанных с существенным уменьшением слоя озона, нас отделяют считанные десятилетия. Подтверждением такого пессимистического прогноза служит «озонная дыра» над Антарктикой — первый ярко выраженный результат загрязнения стратосферы враждебными озону продуктами.
Остается надеяться, что здравый смысл возобладает над индустриальным азартом и человечеству удастся в самое ближайшее время резко снизить выброс в воздушный океан нашей планеты вредных для жизни озона веществ, и прежде всего фреонов. От того, как быстро и решительно это произойдет, и будет зависеть окончательный ответ на наш вопрос, весьма важный для всех людей на Земле.
За год, прошедший после подготовки рукописи этой книги, появились новые сведения как о самом озонном слое, так и о международных мероприятиях, направленных на его защиту.
Широко опубликованы результаты международного эксперимента по изучению слоя озона в Арктике в январе—феврале 1989 г. В рамках этого эксперимента было проведено 14 полетов специально оборудованных самолетов по различным трассам внутри полярной зоны. Самолетные измерения сопровождались наблюдениями с Земли и со спутников.
Результаты эксперимента позволили полнее понять природу явления «озонной дыры» в Антарктике и причину отсутствия подобного феномена в Арктике. Были подтверждены и уточнены отдельные звенья цепочки процессов, приводящих к образованию антарктической «озонной дыры».
Так, на материале указанных наблюдений в Арктике подтвержден вывод о решающей роли температуры в образовании частиц стратосферных облаков, аккумулирующих азотные соединения (NO2 и HNO3). В тех редких случаях, когда температура падала ниже точки образования таких частиц (в Антарктике в целом холоднее и температура стратосферы практически всю зиму ниже этой точки), наблюдалось образование облаков и уменьшение концентрации активных азотных соединений.
На тех высотах и в те периоды времени, когда это происходило, наблюдалось и уменьшение концентрации озона.
В целом, однако, в силу того, что арктическая стратосфера большую часть зимы была теплее, чем необходимо для образования облаков и накопления на них азотных соединений, внутри арктического вихря (который, как мы уже отмечали, гораздо менее стабилен, чем антарктический), не наблюдалось уменьшения концентрации этих соединений, что типично для антарктического вихря.
По имеющимся на данный момент (ноябрь 1990 г.) сведениям «дыра» антарктической весной этого года по интенсивности не уступала явлению весной 1987 г., а по территории (площади внутри заданных изолиний N (О3)) даже несколько превосходила ее. Это согласуется с описанной в книге концепцией КДК — ветер в экваториальной стратосфере дул с запада, что должно быть благоприятно для развития «дыры».
В конце июня 1990 г. в Лондоне состоялась «плановая» конференция представителей стран-участников Монреальского протокола. В решениях многих упомянутых в книге научных собраний последних лет указывалось, что ограничения на производство и выбросы в атмосферу наиболее озоноопасных фреонов, введенные Монреальским протоколом 1987 г., недостаточны, поскольку при их выполнении содержание в стратосфере соединений хлора, каталитически разрушающих озон, в XXI в. будет возрастать, хотя и с меньшей скоростью, чем теперь. Поэтому в решениях Лондонской конференции (которые должны теперь быть ратифицированы странами-участницами Протокола) ограничения на производство и использование озоноразрушающих галогенуглеводородных соединений усилены и распространены на большее число газов.
После 2000 г. производство и использование всех фреонов с высокой озоноразрушающей способностью должны быть прекращены полностью. Исключение сделано для метилхлороформа (Ch4CCl3), который относительно слабо активен в разрушении озона. Производство и использование Ch4CCl3 (значительное в настоящее время) должно прекратиться в 2005 г.
По Монреальскому протоколу 1987 г. после 1997 г. предусматривалось лишь 50%-ное сокращение производства и использования озоноопасных фреонов. В Лондоне намечено снижение в 1995 и 1997 гг. производства хлор- и бромсодержащих газов до 50 и 15 % соответственно от уровня 1986 г., причем для развивающихся стран разрешается некоторое превышение этих норм, но не более чем на 10 %.
Образован специальный фонд (материальный и технологический) для помощи развивающимся странам по введению указанных сокращений по переходу на химическую технологию, не использующую озоноопасные фреоны.
Эти решения Лондонской конференции отразили растущую озабоченность человечества состоянием нашей планеты; они служат хорошим примером действенных мер, направленных к охране озонного слоя и атмосферы Земли в целом.
Источник: А.Д. Данилов, И.Л. Кароль. Атмосферный озон — сенсации и реальность. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
www.activestudy.info
Содержание:
Введение…………………………………………………………………………….3
1. Что такое озон и его роль в атмосфере………………………………..............5
2. Природа и значение озонового экрана…...……………………………………5
3. Источники разрушения озонового экрана……………………………………6
4. «Озоновые дыры» и их влияние………………………………………………..8
5. Проблема озонового экрана и пути ее решения……………………………...13
Заключение………………………………………………………………………….15
Список использованной литературы…………………………………………….16
Введение:
Газообразный озон, открытый в середине прошлого века, долгое время привлекал внимание ученых лишь своими уникальными химическими и физическими свойствами. Интерес к озону существенно возрос, после того, как выяснилась его распространенность в земной атмосфере и та особая роль, которую он играет в защите всего живого от воздействий опасного ультрафиолетового излучения. Особенно активно атмосферный озон стал изучаться в последние десятилетия. С ним, как ни с одним другим газом, в последние два десятилетия было связано несколько крупных сенсаций. Начиная от появившегося в самом начале 70-х годов прогноза о том, что полеты стратосферной авиации “съедят” слой озона уже к 80-м годам, и, кончая пресловутой “озоновой дырой”, которая будоражит умы людей.[1] Поскольку озон задерживает активное излучение солнца, то разрушение озонного слоя может привести к целому ряду негативных последствий для растений, животных и человека. В ряду тревожных проблем – сдвиги в мировом климате, истощение лесных, почвенных и водных ресурсов, прогрессирующее опустошение планеты – находится и проблема разрушения озонового слоя. Возможно, что антарктический озон является предвестником глобальных изменений в озоносфере. Озоносфера — одна из поверхностных оболочек планеты. Она является составной частью биосферы Земли, включающей в себя совокупность живых организмов и неорганические вещества, находящиеся в общем круговороте. К изучению процессов, связанных с атмосферным озоном, привлечены значительные силы ученых у нас в стране и за рубежом.[2] Ведутся наблюдения за количеством озона и его “врагов” – различных загрязняющих веществ, анализируются данные за прошедшие годы, ставятся новые эксперименты. Однако проблема атмосферного озона к настоящему времени далеко не исчерпана, и ряд важных и интересных разделов этой проблемы ждет своего разрешения, в особенности явления, связанные с влиянием на озоновый слой некоторых естественных факторов и антропогенных воздействий. Для их осмысления необходимо постоянное и всеобъемлющее слежение за состоянием окружающей среды (мониторинг). Из трех стихий, окружающих человека – твердой оболочки, воды и воздуха, — последняя является самой уязвимой. И не случайно именно в атмосфере появился первый реальный сигнал бедствия. Этот сигнал – озоновая дыра как вестник возможного глобального уменьшения защитного слоя озона в результате антропогенных загрязнении.
1. Что такое озон и его роль в атмосфере.
В принципе озон это разновидность кислорода. Озон был открыт в 1839 году немецким химиком Шенбейном, а в 1873г. его обнаружили в приземной атмосфере. Спустя 8 лет английский химик Гартли обнаружил озон в верхних слоях атмосферы.[3] Озоновый слой в стратосфере важен тем, что он поглощает определённый диапазон солнечного излучения. Сама земля тоже испускает излучение в инфракрасном спектре. Так вот часть этого излучения тоже задерживается озоном, тем самым, предохраняя планету от охлаждения. Главной функцией озона является защита человека и всей биосферы планеты от жёсткого ультрафиолетового излучения с длинами волн от 250 до 320 нм.
2. Природа и значение озонового экрана.
Наиболее вредным последствием выброса парниковых газов в атмосферу является разрушение ими озонового слоя – своеобразного щита от «жёстких» солнечных лучей. Дело в том, что наряду с видимым светом Солнце излучает ультрафиолетовые волны. Ультрафиолетовое излучение похоже на световое, но длина его волн несколько короче, чем у фиолетовых волн, самых коротковолновых из воспринимаемых глазом человека. Хотя ультрафиолетовые лучи невидимы, они обладают большей энергией, чем видимые. Проникая сквозь атмосферу и поглощаясь тканями живых организмов, они разрушают молекулы белков и ДНК. Именно это происходит, когда мы загораем. Если бы всё ультрафиолетовое излучение, попадающее на верхние слои атмосферы, достигало поверхности Земли, то вряд ли на ней сохранилась бы жизнь; все растения и животные просто «зажарились» бы. Даже небольшая, доступная нам часть этого количества (менее 1%) вызывает загар и ежегодно 200 -600 тыс. случаев рака кожи в США.[4]
Мы защищены от агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения, так как большая его часть (свыше 99%) поглощается слоем озона в стратосфере на высоте около 25 километров от поверхности земли. Этот слой обычно называют озоновым экраном. Необходимость его сохранения не требует доказательств. Однако некоторые антропогенные вещества, в частности парниковые газы, его разрушают.
3. Источники разрушения озонового слоя.
До самого последнего периода истории Земли живые системы планеты эволюционировали почти в полной гармонии с атмосферой, литосферой и гидросферой, не испытывая влияния человеческой деятельности. Но по мере развития сельского хозяйства и промышленности воздействие человека на среду стало заметнее. Повсеместная индустриализация, особенно развернувшаяся за последние два столетия, привела к потенциально опасным уровням загрязнения среды. Можно сказать, что загрязнения – это поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей среде. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, в той или иной степени влияет на все параметры среды – антропогенные и природные, физические и биотические. Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы – это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ.[5]
К разрушению озонового слоя приводят многочисленные факторы (рассматриваются самые главные). В первую очередь это, конечно же, фреоны. Фреоны – это собирательное название целой группы химических веществ появившихся на свет ещё в 20 годы прошлого столетия. В основном они использовались в холодильниках в качестве хладагентов. Ещё одна область применения фреонов это использование их в аэрозольных упаковках в качестве распылителя. Так как большая часть производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно сказать, что выпуск фреонов почти полностью работает на сокращение озонового слоя. Фреоны достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу. В стратосфере под действием ультрафиолетового излучения они достаточно быстро разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и участвуют в разложении озона.
Ещё один фактор, приводящий к уменьшению озонового слоя — это высотные самолёты и запуски космических кораблей. Высокая температура в камерах сгорания реактивных двигателей, приводит к образованию окислов азота из находящихся там азота и кислорода. Причём скорость образования азота на прямую зависит от температуры, то есть мощности двигателя. Но ещё и очень важно, на какой высоте находится двигатель и выпускает в атмосферу разрушающие озон окислы азота. Чем выше, тем хуже для озона.
Теперь рассмотрим действие минеральных удобрений на разрушение озонового слоя. Озон может уменьшаться за счёт того, что в стратосферу попадает закись азота N 2 O, которая образуется при денитрификации, связанного почвенными бактериями, азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхних слоях океанов и морей. Эти процессы напрямую связаны с содержанием азота. Таким образом, можно быть уверенным, что с ростом количества минеральных удобрений, вносимых в почву, будет также и расти количество закиси азота. Далее, образующиеся из закиси азота, окислы азота приводят к разрушению озонового слоя.
Ядерные взрывы тоже способствуют истощению озонового слоя. При сильном нагреве, а температура ядерного взрыва около 6000°С, происходят такие преобразования химических веществ, которые при нормальных условиях протекают вяло или вообще не протекают. Излучение при взрыве приводит к образованию окиси азота, а происходит это, прежде всего, потому что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакции с другими составляющими атмосферы и образуют окислы азота. Закись азота обнаруживается также и в дымовых газах электростанций. Это очень сильный источник влияния на атмосферу.
Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона.[6]
4. «Озоновые дыры» и их влияние.
Как только существование “озоновой дыры” стало научным фактом, естественно возник вопрос: А какова же её природа? И через некоторое время появились две гипотезы – антропогенная фотохимическая и метеорологическая. Сторонники первой гипотезы считали, что уменьшение озонового слоя результат антропогенного загрязнения атмосферы. «Озоновая дыра имеет чисто метеорологическое происхождение и связана со спецификой динамического режима стратосферы в Антарктике», – утверждали приверженцы второй гипотезы. Важным моментом этой гипотезы было существование внутри устойчивого циклона (так называемого циркумполярного вихря), висящего зимой и большую часть весны над Антарктикой, направленных вверх (восходящих) вертикальных движений.
У каждой из гипотез были свои плюсы и минусы. В рамках антропогенной концепции было трудно ответить на вопрос о том, почему “дыра” (если она отражает общую тенденцию всевозрастающего загрязнения атмосферы) наблюдается лишь над Антарктикой и только весной. А сторонникам метеорологической природы “дыры” было трудно объяснить, почему последняя не наблюдалась до начала 80-х годов и почему в 80-х она появилась и стала усиливаться год от года. В октябре 1987 года были получены данные, которые показали, что к антропогенному загрязнению атмосферы явление “озоновой дыры” имеет самое прямое отношение.[7]
Возникновение “озоновых дыр” (сезонное уменьшение содержания озона вдвое и более) впервые наблюдали в конце 70-х годов над Антарктидой. В последующие годы длительность существования и площадь “озоновых дыр” росли, и к настоящему времени они уже захватили южные регионы Австралии, Чили и Аргентины. Параллельно, хотя и с некоторым запозданием, развился процесс истощения озона над Северным полушарием. Вначале 90-х годов наблюдали 20 – 25 % его уменьшения над Скандинавией, Прибалтикой и северо-западными областями России. В отличных от приполярных широтных зон истощение озона менее выражено однако и здесь оно является статистически достоверным (1,5–6,2% за последнее десятилетие).[8]
Истощение озонового слоя может оказать значительное влияние на экологию Мирового океана. Многие из имеющихся в нем систем испытывают стресс уже при существующих уровнях естественной ультрафиолетовой радиации, и увеличение ее интенсивности для некоторых из них может оказаться катастрофическим. В результате воздействия ультрафиолетового излучения у водных организмов нарушается адаптивное поведение (ориентация и миграция), подавляются фотосинтез и ферментативные реакции, а также процессы размножения и развития, особенно на ранних стадиях. Поскольку чувствительность к ультрафиолетовой радиации разных компонентов водных экосистем существенно различается, то в результате разрушения стратосферного озона следует ожидать не только уменьшения общей биомассы, но и изменение структуры водных экосистем. В этих условиях могут погибать и вытесняться полезные чувствительные формы и усиленно размножаться резистентные, токсичные для окружающей среды, например сине-зеленые водоросли. Эффективность водных пищевых цепей в решающей степени определяется продуктивностью их начального звена – фитопланктона. Расчеты показывают, что в случае 25%-го разрушения стратосферного озона следует ожидать 35%-го снижения первичной продуктивности в поверхностных слоях океана и 10%-го снижения во всем слое фотосинтеза. Значимость прогнозируемых изменений становится очевидной, если принять во внимание, что фитопланктон утилизирует более половины углекислого газа в процессе глобального фотосинтеза, и лишь 10-го снижения интенсивности этого процесса эквивалентно удвоению выброса углекислого газа в атмосферу в результате сжигания полезных ископаемых. Кроме того, ультрафиолетовая радиация подавляет продукцию фитопланктоном диметилсульфида, играющего важную роль в формировании облачности. Последние два феномена могут вызвать долговременные изменения глобального климата и уровня Мирового океана. Из биообъектов вторичных звеньев водных пищевых цепей ультрафиолетовое излучение способно непосредственно поражать икру и мальков рыб, личинки креветок, устриц и крабов, а также других мелких животных. В условиях истощения стратосферного озона прогнозируется рост и гибель мальков промысловых рыб и, кроме того, снижение улова в результате уменьшения первичной продуктивности Мирового океана. В отличие от водных организмов, высшие растения могут частично адаптироваться к увеличению интенсивности естественной ультрафиолетовой радиации, однако в условиях 10-20%-й редукции озонового слоя у них наблюдается торможение роста, уменьшение продуктивности и изменения состава, снижающие пищевую ценность.
Очень важную, хотя и посредственную, роль в формировании продуктивности сельскохозяйственных растений играют почвенные микроорганизмы, оказывающие значительное влияние на плодородие почв. В этом смысле особый интерес представляют фототрофные цианобактерии, обитающие в самых верхних слоях почв и способные утилизировать азот воздуха с последующим использованием его растениями в процессе фотосинтеза. Эти микроорганизмы подвергаются непосредственному воздействию ультрафиолетовой радиации. В результате разрушения озонового слоя следует ожидать уменьшение плодородия почв. Весьма вероятным является также вытеснение и отмирания других полезных форм почвенных микроорганизмов, чувствительных к ультрафиолетовой радиации, и размножением устойчивых форм, часть которых может оказаться патогенными.[9]
Для человека естественная ультрафиолетовая радиация фактором риска уже при существующем состоянии озонового слоя. Реакции на ее воздействие разнообразны и противоречивы. Некоторые из них[10] улучшают состояние здоровья, другие[11] ухудшают его. Типичной реакцией на переоблучение глаз является возникновение фотокератоконьюнктивита – острого воспаления наружных оболочек глаза (роговицы и конъюнктивы). Он обычно развивается в условиях интенсивного отражения солнечного света от естественных поверхностей (снежное высокогорье, арктические и пустынных зоны) и сопровождается болевыми ощущениями или ощущением постороннего тела в глазу, слезотечением, светобоязнью и спазмом век. Ожог глаз можно получить за 2 часа в заснеженных зонах и за 6 – 8 часов в песчаной пустыне. Длительное воздействие ультрафиолетовой радиации на глаз может вызвать возникновение катаракты, дегенерацию роговицы и сетчатки и т. д. В результате переоблучения кожи развивается асептическое воспаление, или эритема, сопровождающаяся помимо болевых ощущений изменениями тепловой и сенсорной чувствительности кожи, угнетением потоотделения и ухудшением общего состояния. В умеренных широтах эритему можно получить за полчаса на открытом солнце в середине летнего дня. Обычно эритема развивается с латентным периодом 1 – 8 часов и сохраняется около суток. Величина минимальной эритемной дозы растет с увеличением степени пигментации кожи.
В результате разрушения стратосферного озона следует ожидать снижения сопротивляемости населения ряду инфекционных заболеваний. Как минимум, в их число необходимо включить болезни с кожной фазой развития или зависящие от клеточного иммунитета: корь, ветряная оспа, герпес и другие вирусные заболевания с кожной сыпью, индуцируемые через кожу паразитарные болезни типа малярии и лейшманиоза, а также зависящие от клеточного иммунитета туберкулез и некоторые грибковые заболевания. Естественная ультрафиолетовая радиация ответственна за основную часть опухолей кожи, приводящих в большинстве случаев к раку кожи. Ультрафиолетовая радиация играет важную роль в обеспечении организма витамина Д, регулирующим процесс фосфорно-кальциевого обмена. Дефицит витамина Д вызывает рахит и кариес, а также играет важную роль в патогенезе предстательной железы, дающей высокую смертность. При возникновении дефицита витамина Д необходима доза ультрафиолетовой радиации, составляющая примерно 60 минимальных эритемных доз в год на открытые участки тела. Для белого населения в умеренных широтах это соответствует ежедневному пребыванию на открытом солнце по полчаса в середине дня с мая по август. Интенсивность синтеза витамина Д убывает с увеличением степени пигментативности, у представителей различных этнических групп может различаться более чем на порядок. Вследствие этого пигментация кожи может быть причиной недостаточности витамина Д у цветных иммигрантов в умеренных и северных широтах. Наблюдающиеся в настоящее время увеличение степени истощения озонового слоя свидетельствует о недостаточности предпринимаемых усилий по его защите.[12]
5. Проблема озонового экрана и пути ее решения.
Рассмотрим некоторые проблемы, связанные с разрушением озона и пути их решения.
1.Выхлопы автомобилей.
а) замена топлива в существующем автомобильном транспорте на экологически более чистое.
б) переход на другие источники энергии (например, электромобили, использование солнечной энергии).
2. Загрязнение хлорфторуглеводородами (холодильная техника, аэрозоли).
а) Переход от долгоживущих фреонов на короткоживущие (меньше года).
б) снижение, а затем и полное прекращение производства и использования фреонов.
3. Химические удобрения.
4. Сжигание промышленного топлива.
а) Переход на экологически чистую энергетику.
5. Ядерные взрывы.
6. Выброс отработанных газов при полетах высотных самолетов и крупных ракет.
7. Добыча нефти и природного газа.
Осознание опасности приводит к тому, что международной общественностью предпринимаются все новые и новые шаги в защиту озонового слоя. Рассмотрим некоторые из них.
1) Создание различных организаций по охране озонового слоя (ЮНЕП, КОСПАР, МАГА).
2)Проведение конференций.
Проблема сохранения озонового слоя относится к глобальным проблемам человечества. Поэтому она обсуждается на многих форумах самого разного уровня вплоть до советско-американских встреч на высшем уровне (в Вашингтоне, США в декабре 1987г.) Остается лишь верить в то, что глубокое осознание грозящей человечеству опасности подвигнет правительство всех стран на принятие необходимых мер по уменьшению выбросов вредных для озона веществ.
Заключение:
Краткий обзор некоторых факторов воздействия на природную среду показывает, что до сих пор не установлено значение многих химических и биохимических последствий этого воздействия. С другой стороны, уже сегодня можно оценить все угрожающее многообразие антропогенного вмешательства и наносимого им ущерба окружающей среде. Источниками вмешательства являются:
1. Постоянное стремление к росту производства и потребления.
2. Постоянный рост численности населения, который приводит к тому, что даже незначительная нагрузка на природу в каждом отдельном случае в целом превращается в глобальную проблему.
3. Односторонний подход к техническому прогрессу, который в этом столетии привел к появлению целого потока технических товаров и химических продуктов, чуждых природе, а то и враждебных ей.[13]
Во все звенья природной системы проникли несовместимые с ней чужеродные вещества, угрожающие во многих случаях самому существованию экосистемы. Возникла необходимость принятия срочных мер, чтобы спасти природу, т.е. резко сократить истощение естественных природных ресурсов и ограничить применение вредных для природы веществ. Но это не означает, что техника, химия, хозяйственная деятельность и экономика должны вернуться к каменному веку; наоборот, это означает необходимость продвижения к новым научным достижениям, опирающимся на познание, когда возникает общность с природой, в которой человек обретет долголетие. Человечество должно сознавать, что мы только гости природы.
Список использованной литературы
.
1. Данилов А. Д. Атмосферный озон – сенсации и реальность/ А. Д. Данилов, И. Л. Кароль.- Л.: Гидрометиоиздательство, 1991.-334с.
2. Озоновый щит Земли и его изменения/ Э. П. Александров, Ю. А. Израэль, И. Л. Кароль и др.- СПб.: Гидрометиоиздательство, 1992.-211с.
3. Ортенберг Ф. С. Озон: взгляд из космоса/ Ф. С. Ортенберг, Ю. М. Трифонов-. М.: Знание, 1990.-433с.
4. Роун Ш. Озоновый кризис: Пятнадцатилетняя эволюция неожиданной глобальной опасности/ Ш. Роун.- М.: “Мир”, 1993.- 321с.
5. Стрижевский А. Д. Свет: Природа и человек/ А. Д. Стрижевский// Природный мир, 1992.-апр.-с.34.
6. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды: Учеб. Пособие/ Г. Фелленберг.- М.: “Мир”, 1997.- 528с.
[1] А. Д. Данилов. Атмосферный озон – сенсации и реальность. стр. 113.
[2] Ф. С. Ортенберг. Озон: взгляд из космоса. стр. 45-46.
[3] Ф. С. Ортенберг. Озон: взгляд из космоса. стр. 38.
[4] А. Д. Стрижевский. Свет. Природа и человек. стр. 132.
[5] Э. Александров. Озоновый щит Земли и его изменения. стр. 32.
[6] Г. Фелленберг. Загрязнение природной среды. стр. 256-270.
[7] Ш. Роун. Озоновый кризис: Пятнадцатилетняя эволюция неожиданной глобальной опасности. стр. 44.
[8] Ш. Роун. Озоновый кризис: Пятнадцатилетняя эволюция неожиданной глобальной опасности. стр. 47.
[9] Г. Фелленберг. Загрязнение природной среды. стр. 300-307.
[10] Образование витамина Д, эффект при лечении некоторых кожных заболеваний и т. д.
[11] Ожоги кожи и глаз, старение кожи и т. д.
[12] А. Д. Стрижевский. Свет. Природа и человек. стр. 121-134.
[13] Э. Александров. Озоновый щит Земли и его изменения. стр. 121.
www.ronl.ru
Министерство образования и науки Российской Федерации
Волгоградский Государственный Университет
Юридический Факультет
Реферат
По дисциплине: Концепция современного естествознания
Тема: Проблемы стратосферного озона
Волгоград 2009
Оглавление
Введение
1. Атмосфера и ее строение
2. Химические и биологические особенности озона
3. Условия образования и защитная роль озонового слоя
4. Химические процессы в тропосфере
5. Причины образования “озоновой дыры”
6. Пути решения проблем
Литература
С возникновением человеческой цивилизации появился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. наших современников оказывают на природу такое же по масштабам воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек.
С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширялся объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.
Атмосфера в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает состояние воздушного пространства нашей планеты. В настоящее время существует 3 основные глобальные экологические проблемы атмосферы: глобальное потепление или "парниковый эффект", кислотные дожди и разрушение озонового слоя.
Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты, а реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.
Целью настоящей работы явилось обобщение литературных данных о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр".
Атмосфе́ра (от. др. - греч. ἀτμός - пар и σφαῖρα - шар) - газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся один от другого по температурным и иным условиям. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около - 23° на северном полюсе. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0,6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.
Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы.
Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.
Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше. С этой точки зрения она может быть названа озоносферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном.
Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.
Рис.1. Строение атмосферы
На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха.
Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть - экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен.
Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км - порядка 1015-106 на кубический сантиметр.
Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.
Атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.
С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности.
Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия - порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.
Озон является аллотропной модификацией кислорода. Его молекула диамогнитна (в отличие от парамагнитной О2), имеет угловую форму, связь в молекулу является делокализованной трехцентровой, предполагается также донорно-акцепторный механизм образования химических связей в озоне. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 - >3О2) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов:
RH+ О3RО2 +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 атмосфере, 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 - 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
Известно, что основная часть природного озона сосредоточена 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 над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода
(О2 - > О3).
Больше всего озона в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км, который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако общее его количество в стратосфере достигает очень внушительной цифры - более 3 млрд. тонн. Образование озона из обычного двухатомного кислорода требует довольно большой энергии - почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция - взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:
О2 + О=О3.
Атомарный кислород - еще более насыщенное энергией вещество - образуется при электрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере появляется под действием постоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения Солнца:
Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием, поэтому усредненная концентрация озона в течение длительного времени оставалась постоянной. 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 часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200-300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.
В химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH - радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона:
O3+h=O2+O
O+h3O=OH+OH
В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:
NO2+ h (L<400нм) =NO+O
O+O2=O3
О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении:
O3+NO=NO2+O2
O3+NO2=NO3+O2
В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды:
Н2 О+h=H+OH
h3O+O=2OH
Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения
HNO2, HNO3, h3O2
HNO2+h (L<400нм) =NO+OH
HNO3+h (L<330нм) =NO2+OH
h3O2+h (L<330нм) =2OH
В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:
RH+OH=HOH+R
R+O2=RO2
RO2+HOH=ROOH+OH
Наиболее типичным и основным по массе органическим загрязнителем атмосферы является Ch5. Окисление Ch5 под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:
ОН+СН4=Н2О +СН3
СН3+О2=СН3 О2
СН3 О2+NО=СН3 О+NО2
СН3 О+О2=СН2 О+НО2
В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде:
СН4+4О2=СН2 О+Н2 О+2О3
т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О3, а рост утечки СН4 многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О3 по сравнению с переносом О3 из стратосферы.
Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.
Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.
ОН+СН2 О=Н2 О+НСО
НСО+О2=НО2+СО
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) и стало внимательно исследоваться.
Позднее, в 1990-е гг., 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.
Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что причина нежелательного явления - 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 (в России их поэтому называют "хладонами"), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные - для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т.
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.
CF2Cl2=CF2Cl+Cl
Последующие реакции CF2Cl с О2 и h приводят к отщеплению второго атома хлора.
Хлор "съедает" и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:
О3 + Сl = О2 + ClO
СlO + O = Cl + O2
Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.
Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.
Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ.
|
|
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 |
|
HCFCl 2 |
0.05 |
20 |
|
Метилхлороформ |
0.10 |
6.5 |
|
Четырехлористый углерод |
1.06 |
50 |
Венская конвенция. В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.
Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:
разрушение озонового слоя окисями азота - соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету;
О3+NО NО3+О2
воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон;
разрушение озона соединениями хлора.
В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.
Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии:
Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды:
2NО+О2 = 2NО2
О2+NО2 = NО3+О2
NО3+NО2 = N2 О5
N2 О5+Н2 О = 2НNО3
Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N2+О2 2NО
Источником NО в стратосфере служит также газ N2 О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения:
N2 О+h (230нм) = N2+О
N2O+O = 2NO
Разрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям:
N2 О+h (250нм) = N2+О
N2O+O = N2+O2
Чтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся.
Также мы - все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги.
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.
У этого проекта был предшественник - американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для "звездных войн".
Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете.
Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо:
расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;
провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами;
создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;
провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей;
организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.
1. Глинка Н.Л. Общая химия. Издательство "химия". 1990г.
2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды, Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с.
3. Лавров С.Б. Глобальная проблема современности. Санкт-Петербург, 1995г.
4. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Мысль, 1985 г.
www.referatmix.ru
Министерство образования и науки Российской Федерации
Волгоградский Государственный Университет
Юридический Факультет
Реферат
По дисциплине: Концепция современного естествознания
Тема: Проблемы стратосферного озона
Волгоград 2009
Оглавление
Введение
1. Атмосфера и ее строение
2. Химические и биологические особенности озона
3. Условия образования и защитная роль озонового слоя
4. Химические процессы в тропосфере
5. Причины образования “озоновой дыры”
6. Пути решения проблем
Литература
ВведениеС возникновением человеческой цивилизации появился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. наших современников оказывают на природу такое же по масштабам воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек.
С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширялся объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.
Атмосфера в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает состояние воздушного пространства нашей планеты. В настоящее время существует 3 основные глобальные экологические проблемы атмосферы: глобальное потепление или "парниковый эффект", кислотные дожди и разрушение озонового слоя.
Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты, а реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.
Целью настоящей работы явилось обобщение литературных данных о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр".
1. Атмосфера и ее строениеАтмосфе́ра (от. др. - греч. ἀτμός - пар и σφαῖρα - шар) - газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся один от другого по температурным и иным условиям. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы . Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около - 23° на северном полюсе. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0,6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.
Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы.
Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.
Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше. С этой точки зрения она может быть названа озоносферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном.
Над стратосферой лежит слой мезосферы , примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.
Рис.1. Строение атмосферы
На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха.
Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы . В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть - экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен.
Ионосфера , как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км - порядка 1015 -106 на кубический сантиметр.
Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.
Атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.
С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности.
Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия - порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.
2. Химические и биологические особенности озонаОзон является аллотропной модификацией кислорода. Его молекула диамогнитна (в отличие от парамагнитной О2) , имеет угловую форму, связь в молекулу является делокализованной трехцентровой, предполагается также донорно-акцепторный механизм образования химических связей в озоне. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 - >3О2 ) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). 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 атмосфере, 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 - 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
3. Условия образования и защитная роль озонового слояИзвестно, что основная часть природного озона сосредоточена 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 над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода
(О2 - > О3 ).
Больше всего озона в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км, который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако общее его количество в стратосфере достигает очень внушительной цифры - более 3 млрд. тонн. Образование озона из обычного двухатомного кислорода требует довольно большой энергии - почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция - взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:
О2 + О=О3 .
Атомарный кислород - еще более насыщенное энергией вещество - образуется при электрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере появляется под действием постоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения Солнца:
Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием, поэтому усредненная концентрация озона в течение длительного времени оставалась постоянной. 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 часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200-300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.
4. Химические процессы в тропосфереВ химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH- радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона:
O3 +h=O2 +O
O+h3 O =OH+OH
В образован
ии озона в тропосфере участвуют оксиды озона:NO2 + h (L<400нм) =NO+O
O+O2 =O3
О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении:
O3 +NO=NO2 +O2
O3 +NO2 =NO3 +O2
В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды:
Н2 О+h=H+OH
h3 O+O=2OH
Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения
HNO2 , HNO3 , h3 O2
HNO2 +h (L<400нм) =NO+OH
HNO3 +h (L<330нм) =NO2 +OH
h3 O2 +h (L<330нм) =2OH
В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:
RH+OH=HOH+R
R+O2 =RO2
RO2 +HOH=ROOH+OH
Наиболее типичным и основным по массе органическим загрязнителем атмосферы является Ch5 . Окисление Ch5 под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:
ОН+СН4 =Н2 О +СН3
СН3 +О2 =СН3 О2
СН3 О2 +NО=СН3 О+NО2
СН3 О+О2 =СН2 О+НО2
В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде:
СН4 +4О2 =СН2 О+Н2 О+2О3
т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О3 , а рост утечки СН4 многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О3 по сравнению с переносом О3 из стратосферы.
Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.
Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.
ОН+СН2 О=Н2 О+НСО
НСО+О2 =НО2 +СО
5. Причины образования “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) и стало внимательно исследоваться.
Позднее, в 1990-е гг., 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.
Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что причина нежелательного явления - 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 (в России их поэтому называют "хладонами"), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные - для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т.
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.
CF2 Cl2 =CF2 Cl+Cl
Последующие реакции CF2 Cl с О2 и hприводят к отщеплению второго атома хлора.
Хлор "съедает" и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:
О3 + Сl = О2 + ClO
СlO + O = Cl + O2
Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.
Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.
Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ.
| 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 |
| HCFCl 2 | 0.05 | 20 |
| Метилхлороформ | 0.10 | 6.5 |
| Четырехлористый углерод | 1.06 | 50 |
Венская конвенция. В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.
Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:
разрушение озонового слоя окисями азота - соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету;
О3 +NО NО3 +О2
воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон;
разрушение озона соединениями хлора.
В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.
Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии:
Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды:
2NО+О2 = 2NО2
О2 +NО2 = NО3 +О2
NО3 +NО2 = N2 О5
N2 О5 +Н2 О = 2НNО3
Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N2 +О2 2NО
Источником NО в стратосфере служит также газ N2 О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения:
N2 О+h (230нм) = N2+О
N2 O+O= 2NO
Разрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям:
N2 О+h (250нм) = N2 +О
N2 O+O= N2 +O2
6. Пути решения проблемЧтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся.
Также мы - все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги.
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.
У этого проекта был предшественник - американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для "звездных войн".
Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете.
Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо:
расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;
провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами;
создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;
провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей;
организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.
Литература1. Глинка Н.Л. Общая химия. Издательство "химия". 1990г.
2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды, Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с.
3. Лавров С.Б. Глобальная проблема современности. Санкт-Петербург, 1995г.
4. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Мысль, 1985 г.
www.litsoch.ru
Министерство образования и науки Российской Федерации
Волгоградский Государственный Университет
Юридический Факультет
Реферат
По дисциплине: Концепция современного естествознания
Тема: Проблемы стратосферного озона
Волгоград 2009
Оглавление
Введение
1. Атмосфера и ее строение
2. Химические и биологические особенности озона
3. Условия образования и защитная роль озонового слоя
4. Химические процессы в тропосфере
5. Причины образования “озоновой дыры”
6. Пути решения проблем
Литература
С возникновением человеческой цивилизации появился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. наших современников оказывают на природу такое же по масштабам воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек.
С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширялся объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.
Атмосфера в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает состояние воздушного пространства нашей планеты. В настоящее время существует 3 основные глобальные экологические проблемы атмосферы: глобальное потепление или «парниковый эффект», кислотные дожди и разрушение озонового слоя.
Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты, а реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.
Целью настоящей работы явилось обобщение литературных данных о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр".
Атмосфе́ра (от. др. — греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся один от другого по температурным и иным условиям. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около — 23° на северном полюсе. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0,6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.
Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы.
Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.
Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше. С этой точки зрения она может быть названа озоносферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном.
Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.
Рис.1. Строение атмосферы
На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха.
Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть — экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен.
Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км — порядка 1015 -106 на кубический сантиметр.
Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.
Атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.
С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности.
Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц — протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия — порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.
Озон является аллотропной модификацией кислорода. Его молекула диамогнитна (в отличие от парамагнитной О2), имеет угловую форму, связь в молекулу является делокализованной трехцентровой, предполагается также донорно-акцепторный механизм образования химических связей в озоне. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 — >3О2 ) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). 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 атмосфере, 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 — 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
Известно, что основная часть природного озона сосредоточена 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 над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода
(О2 — > О3 ).
Больше всего озона в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км, который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако общее его количество в стратосфере достигает очень внушительной цифры — более 3 млрд. тонн. Образование озона из обычного двухатомного кислорода требует довольно большой энергии — почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция — взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:
О2 + О=О3 .
Атомарный кислород — еще более насыщенное энергией вещество — образуется при электрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере появляется под действием постоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения Солнца:
Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием, поэтому усредненная концентрация озона в течение длительного времени оставалась постоянной. 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 часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200-300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.
В химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH- радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона:
O3 +h=O2 +O
O+h3O =OH+OH
В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:
NO2 + h (L<400нм) =NO+O
O+O2 =O3
О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении:
O3 +NO=NO2 +O2
O3 +NO2 =NO3 +O2
В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды:
Н2 О+h=H+OH
h3 O+O=2OH
Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения
HNO2, HNO3, h3 O2
HNO2 +h (L<400нм) =NO+OH
HNO3 +h (L<330нм) =NO2 +OH
h3 O2 +h (L<330нм) =2OH
В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:
RH+OH=HOH+R
R+O2 =RO2
RO2 +HOH=ROOH+OH
Наиболее типичным и основным по массе органическим загрязнителем атмосферы является Ch5. Окисление Ch5 под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:
ОН+СН4 =Н2 О +СН3
СН3 +О2 =СН3 О2
СН3 О2 +NО=СН3 О+NО2
СН3 О+О2 =СН2 О+НО2
В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде:
СН4 +4О2 =СН2 О+Н2 О+2О3
т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О3, а рост утечки СН4 многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О3 по сравнению с переносом О3 из стратосферы.
Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.
Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.
ОН+СН2 О=Н2 О+НСО
НСО+О2 =НО2 +СО
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) и стало внимательно исследоваться.
Позднее, в 1990-е гг., 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.
Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что причина нежелательного явления — 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 (в России их поэтому называют «хладонами»), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные — для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т.
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.
CF2 Cl2 =CF2 Cl+Cl
Последующие реакции CF2 Cl с О2 и hприводят к отщеплению второго атома хлора.
Хлор «съедает» и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:
О3 + Сl = О2 + ClO
СlO + O = Cl + O2
Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.
Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.
Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ.
| 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 |
| HCFCl 2 | 0.05 | 20 |
| Метилхлороформ | 0.10 | 6.5 |
| Четырехлористый углерод | 1.06 | 50 |
Венская конвенция. В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.
Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:
разрушение озонового слоя окисями азота — соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету;
О3 +NО NО3 +О2
воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон;
разрушение озона соединениями хлора.
В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.
Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии:
Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды:
2NО+О2 = 2NО2
О2 +NО2 = NО3 +О2
NО3 +NО2 = N2 О5
N2 О5 +Н2 О = 2НNО3
Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N2 +О2 2NО
Источником NО в стратосфере служит также газ N2 О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения:
N2 О+h (230нм) = N2+О
N2 O+O= 2NO
Разрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям:
N2 О+h (250нм) = N2 +О
N2 O+O= N2 +O2
Чтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся.
Также мы — все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги.
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.
У этого проекта был предшественник — американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для «звездных войн».
Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете.
Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо:
расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;
провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами;
создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;
провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей;
организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.
1. Глинка Н.Л. Общая химия. Издательство «химия». 1990г.
2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды, Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с.
3. Лавров С.Б. Глобальная проблема современности. Санкт-Петербург, 1995г.
4. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Мысль, 1985 г.
www.ronl.ru
