Озоновые дыры

Введение

Атмосфера Земли - уникальное явление среди планет Солнечной системы, и её особенность связана с наличием на нашей планете жизни.

Проблема охраны окружающей среды является самой актуальной, поскольку от ее решения зависят  жизни людей. Эта проблема обострилась  в XX в., когда интенсивное развитие промышленности и транспорта, а также  несовершенство технологических процессов  привели к загрязнению атмосферы, воды и почвы. На реальность экологической катастрофы указывает разрушение озонного слоя Земли. Озон - трехатомная форма кислорода, образуется в верхних слоях атмосферы под действием жесткого (коротковолнового) ультрафиолетового излучения Солнца.

Сегодня озон беспокоит всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонного слоя в  атмосфере, а считал только, что запах  озона является признаком свежего  воздуха. (Озон в переводе с греческого означает «запах».) Этот интерес понятен - речь идёт о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. В настоящее время необходимо принять определённые и обязательные для всех решения, которые позволили бы сохранить озонный слой. Но чтобы эти решения были правильны, нужна полная информация о тех факторах, которые изменяют количество озона в атмосфере Земли, а также о свойствах озона и как именно он реагирует на эти факторы. Поэтому данная проблема будет актуальна всегда во все времена [1].

Изучение и способы решения глобальной экологической проблемы: озоновые дыры.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих  задач:

1. Глубокое изучение озона в атмосфере.

2. Изучение проблем влияния озоновых дыр на планету Земля.

3. Определение мер по снижению влияния озоновых дыр.

 

1 ОЗОН, ОЗОНОВЫЕ  ДЫРЫ

Озоновый слой - это широкий  атмосферный пояс, простирающийся на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли. Химический озон - это молекула, состоящая из трех атомов кислорода (молекула кислорода содержит два  атома). Концентрация озона в атмосфере  очень мала, и небольшие изменения  количества озона приводят к серьезным  изменениям интенсивности ультрафиолета, достигающего земной поверхности. В отличие от обычного кислорода озон неустойчив, он легко переходит в двухатомную, устойчивую форму кислорода. Озон - гораздо более сильный окислитель, чем кислород, и это делает его способным убивать бактерии, подавлять рост и развитие растений. Из-за его низкой в обычных условиях концентрации в приземных слоях воздуха эти его особенности практически не влияют на состояние живых систем.

Гораздо важнее другое свойство, делающее этот газ совершенно необходимым  для всей жизни на суше. Это свойство - способность озона поглощать  жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. Кванты жесткого УФ обладают энергией, достаточной  для разрыва некоторых химических связей, поэтому его относят к  ионизирующим излучениям. Как и другие излучения этого рода, рентгеновское  и гамма-излучение, оно вызывает многочисленные нарушения в клетках  живых организмов. Озон образуется под воздействием солнечной радиации, стимулирующей реакцию между  О₂ и свободными атомами кислорода. Под воздействием умеренной радиации он распадается, абсорбируя энергию этой радиации. Таким образом, этот цикличный процесс «съедает» опасный ультрафиолет[2].

Молекулы озона, как и  кислорода, электрически нейтральные, т.е. не несут электрического заряда. Поэтому само по себе магнитное поле Земли не влияет на распределение  озона в атмосфере. Верхний слой атмосферы - ионосфера, практически  совпадает с озоновым слоем.

 

2 УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И ЗАЩИТНАЯ РОЛЬ

ОЗОНОВОГО СЛОЯ.

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. 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.

Больше всего озона  в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км, который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, но общее 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. 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 [3].

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.

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.

3 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 не было) и стало внимательно исследоваться [4]. 
         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.  
        

Рисунок 1- Запуск ракет в  открытый космос, которые влияют на изменение       концентрации озона.

Сначала предполагали, что  на озон влияют частицы, выбрасываемые  при атомных взрывах; пытались объяснить  изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов.

В конце было четко установлено, что причина нежелательного явления  является 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.

Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора  и аналогично действующего брома  к концу 1990-х гг. концентрация озона  в

стратосфере снизилась на 10% [5].

 

Таблица 1- 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

 

          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:  
1. окисями азота – соединениями;

2. образующиеся естественным образом на солнечном свету;

3. 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.  
          Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды, которые появляются как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений [6]. 
          Окись азота (NО) образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самолетов приводит к разрушению озонового слоя.  
          Источником NО в стратосфере служит также газ N₂О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения.

 

3.1 АНТРОПОГЕННЫЙ  ФАКТОР

Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в  атмосферу больших масс различных  химических соединений. Большинство  антропогенных источников сконцентрировано в городах, занимающих лишь небольшую  часть территории нашей планеты. В результате движения воздушных  масс с подветренной стороны больших  городов образуется многокилометровый шлейф загрязнений. Общая загрязненность воздуха возрастает, источником которого является автомобильный транспорт. В США на его долю приходится 63%

 

выбросов углеводородов [7]. 
         Вторым по мощности источником антропогенных органических загрязнителей служит промышленное производство. В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленности присутствует широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья, промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза. Так, в газовых выбросах заводов синтетических моющих средств содержатся алканы, а также карбонильные соединения, эфиры, карбоновые кислоты. Заводы синтетического каучука загрязняют воздух исходными мономерами и растворителями.

Рисунок 2- Луганские заводы.

 Предприятия лесохимической  промышленности выделяют

альдегиды, кетоны, спирты и  карбоновые кислоты, множество терпенов (терпены-углеводороды, продукты жизнедеятельности растений молекулы которых построены из изопреновых звеньев). Целлюлозно – бумажные комбинаты выбрасывают большие количества дурнопахнущих газообразных веществ (одорантов), таких, как метил- и диметилсульфиды, диметилдисульфиды, а также формальдегид, спирты и фенолы [8].

Заметным источником органических загрязнителей атмосферы становится коммунальное хозяйство городов (жилые  и общественные здания, предприятия  тепло- и водоснабжения, химчистки, свалки). Хотя вклад этого 

источника в суммарную  антропогенную эмиссию невелика, отсюда поступают основные количества опасных долгоживущих загрязнителей (например, диоксидов), поэтому они участвуют в формировании глобального фона некоторых органических экотоксикантов.

 

3.2 ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ

 

Процессы дегазации мантии Земли сопровождаются выделением широкого спектра органических соединений. Так, в пробах газов вулканов острова Кунашир и Камчатки идентифицировано около 100 органических соединений с длиной цепи до 12 углеродных атомов. Источников богатых углеводородами газов являются грязевые вулканы, чаще всего встречающиеся в нефтеносных областях.

Земная кора содержит различные  газы в свободном состоянии, сорбированные разными породами и растворённые в воде. Часть этих газов по глубинным разломам и трещинам достигают поверхности Земли и диффундирует в атмосферу. О существовании углеводородного дыхания земной коры говорит повышенное по сравнению с глобальным фоновым содержанием метана в приземном слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами [9].

Проведенные исследования показали, что в газах вулканов Никарагуа  содержится заметные количества HF(фтороводородная кислота). Анализ проб воздуха, отобранных из кратера вулкана Масайя, также показали наличие в них фреонов наряду с другими органическими соединениями. Присутствуют галогенуглеводороды и в газах гидротермальных источниках. Эти данные потребовали доказательств того, что обнаруженные фторуглеводороды не

 

имеют антропогенного происхождения.

Рисунок 3- Вулканы Никарагуа.

Южнополярный район, весной 1998 г. озонная дыра достигла рекордной площади — примерно 26 млн км², что приблизительно втрое превышает территорию Австралии. В середине августа началось резкое истощение озоносферы, максимум которого наступил 21 сентября. По данным, полученным с зондов, почти полное разрушение озона отмечалось на высотах 14—22 км.

          Исследуя это явление совместно с австралийскими коллегами, одна из его первооткрывателей С.Соломон установила, что химические реакции, разрушающие озон, происходят на поверхности ледяных кристаллов и любых иных частиц, попавших в высокие стратосферные слои над полярными районами.

Так, до сих пор способствуют образованию озонных дыр твердые  частицы, попавшие в стратосферу  еще в 1991 г. при извержении вулкана  Пинатубо на Филиппинских о-вах. Эти частицы вулканического происхождения придают хлору, поступающему в атмосферу с аэрозолями хлорфторуглеводородов, большую эффективность в процессах разрушения ими озоносферы [9].

 

Химические реакции с  участием сульфатных частиц, извергнутых  вулканом, значительно ускоряют истощение  озона над Южным полушарием Земли: согласно наблюдениям, реакции ускорялись почти на 3%, и только теперь данный эффект начал исчезать.

По мнению исследовательницы, антарктическая озонная дыра и круглогодичное общее истощение земной озоносферы будут продолжаться, пока концентрация хлорфторуглеводородов и галогенов в атмосфере не снизится до уровня 70-х годов. И это может случиться лишь в середине следующего столетия.

 

4 ИСТОЧНИКИ РАЗРУШЕНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ

Среди разрушителей озонного слоя можно выделить следующие различные  вещества и явления.

4.1 ФРЕОНЫ

Озон разрушается под  воздействием соединений хлора, известных  как фреоны, которые, также разрушаясь под воздействием солнечной радиации, освобождают хлор, «отрывающий» от молекул озона «третий» атом. Хлор в соединения не образовывает, но служит катализатором «разрыва». Таким  образом, один атом хлора способен «погубить» много озона. Считается, что соединения хлора способны оставаться в атмосфере  от 50 до 1500 лет (в зависимости от состава  вещества) Земли. Наблюдения за озоновым слоем планеты проводились антарктическими  экспедициями с середины 50-х.