Озоновый слой

 

План

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

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.

 

 

Озоновый слой: его функции и  местоположение

 

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.

В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхности составляет в среднем 10-6%. Озон образуется в  верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода.

Озоновый «экран»  расположен в стратосфере, на высотах  от7-8 км на полюсах, 17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 - 24 километров над Землей.

Слой озона  удивительно тонок. Если бы этот газ  сосредоточить у поверхности  Земли, то он образовал бы пленку лишь в 2-4 мм толщиной (минимум - в районе экватора, максимум - у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас, почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация. Озон поглощает некоторую часть инфракрасного излучения Земли. Благодаря этому он задерживает около 20% излучения Земли, повышая отепляющее действие атмосферы.

Озон 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.

 

Разрушение ОС хлор-фторуглеводородами

 

В 1985 г. специалисты  по исследованию атмосферы из Британской Антарктической Службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы.

Наиболее подробным исследованием  озонного слоя над Антарктидой был  международный Самолетный Антарктический Озонный Эксперимент. В его ходе ученые из 4 стран несколько раз  поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озонная "дыра". В начале 80-х по измерениям со спутника "Нимбус-7" аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико - около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.

 

Это открытие обеспокоило  как ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большей опасности, чем считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере менее 0.0001%, однако, именно озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца с длиной волны l<280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б с 280<l<315 нм, наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%. Эта оценка подтверждается измерениями, проведенными в Антарктиде (правда, из-за низкого положения солнца, интенсивность ультрафиолета в Антарктиде все еще ниже, чем в средних широтах).

По своему воздействию  на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у g-излучения  длины волны он не способен проникать  глубоко в ткани, и поэтому  поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако, значительно количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом, получая большую дозу УФ облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона. Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при увеличении интенсивности жесткого УФ может серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жесткому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они. Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится, человечество легко найдет способ защититься от жесткого УФ излучения но при этом рискует умереть от голода.