Озоновый слой

Связь озона и климата в стратосфере

 

Озон и климат воздействуют друг на друга. Воздействие озона на климат проявляется прежде всего в изменении температуры. Чем больше озона в данном объёме воздуха, тем больше тепла он удерживает. Озон является источником тепла в стратосфере, поглощая ультрафиолетовое излучение солнца и восходящее инфракрасное излучение от тропосферы. Следовательно, уменьшение количества озона в стратосфере приводит к понижению температуры. А это в свою очередь приводит к истощению озона, истощение озона - ведёт к снижению температуры - ведёт к полярным стратосферным облакам - ведёт к истощению озона

Самые крупные  потери озона в Арктике и Антарктике происходят зимой и в начале весны, когда полярные стратосферные вихри  изолируют воздух в своих пределах. Когда температура воздуха падает ниже -78°С, формируются облака, состоящие из льда, азотной и серной кислот. В результате химических реакций на поверхности ледяных кристаллов в облаках выделяются хлорфторуглероды. Из-за воздействия ХФУ начинается истощение озона, и появляется озоновая "дыра". Весной температура воздуха повышается, лед испаряется, и озоновый слой начинает восстанавливаться.

   Идея  о связи процессов разрушения  озонового слоя, т.е. что охлаждение  стратосферы в результате потери  озона может привести к задержке  восстановления озонового слоя, поддержана многими исследователями. Эксперименты с различными глобальными климатическими моделями привели к аналогичным результатам, что подтверждает уверенность в корректном понимании происходящих в атмосфере климатических процессов.

     Охлаждение  стратосферы в последние десятилетия объясняется также и другими причинами. Второй основной причиной способствующей охлаждению стратосферы является увеличение количества парниковых газов в нижних слоях атмосферы (тропосфере) и, следовательно, аккумуляция тепла от теплового излучения поверхности земли, которое обычно достигало стратосферу и нагревало ее. Среди специалистов имеются различные мнения о величине количественных взаимосвязей, не изменяющие общих представлений о природе происходящих в атмосфере процессов.

     Хотя большинство глобальных климатических моделей хорошо согласуются друг с другом и с наблюдениями относительно будущего восстановления озонового слоя, большинство региональных моделей согласуются гораздо хуже. Климатические модели предсказывают влияние охлаждение на разрушение озонового слоя достаточно хорошо в Антарктике, но значительно хуже в Арктике. Различия между регионами приводит к тому, что процесс прогнозирования сложных химических процессов в атмосферы является проблематичным. Ситуации в Арктическом и Антарктическом регионах, где низкое содержание озона в стратосфере вызывают большую тревогу, значительно отличаются между собой. Сложный рельеф высоких широт северного полушария, с контрастным распределением суши и океанов в Арктике определяет более динамичный и изменчивый характер поведения атмосферы. В целом Антарктика является более холодным регионом, чем Арктика. Антарктические ветры образуют относительно стабильные полярные вихри в течение длительного времени, которые стабилизируют температуру стратосферного воздуха региона. Такая стабильность делает Антарктику более предсказуемым регионом, чем Арктика. Прибрежные горы на юго-востоке Аляски являются весьма представительными с точки зрения рельефа северного полушария в высоких широтах. Высокие горы и контраст между крупными территориями суши и открытого океана в Северном полушарии влияют на движение воздушных масс над Арктикой, нарушая формирование устойчивой циркуляции. Частично именно отсутствие стабильных полярных вихрей предотвращает регулярное появление чрезвычайно низких температур в Арктике, аналогичных наблюдаемым в Антарктике. Несмотря на это, наблюдаются значительные разрушения озонового слоя в Арктике на протяжении нескольких последних лет.

     Химические  процессы образования и разрушения озона весьма чувствительны к температурным изменениям. Поскольку наблюдаемые в стратосфере арктические температуры нередко лишь на нескольких градусах выше порогового значения для формирования полярных стратосферных облаков, то дальнейшее охлаждение стратосферы может привести к тому, что такие облака будут появляться регулярно, что приведет к ускорению разрушения озонового слоя.

 

     При  охлаждении стратосферы и потеплении  тропосферы, разница в температуре  между стратосферой и тропосферой  возрастает. Разницы в температуре способствует образованию ветра, в итоге скорость ветра в стратосфере будет увеличиваться. Антарктика слабее зависит от увеличения выбросов парниковых газов, по сравнению с Арктикой, так как она холоднее, и полярные ветры над Антарктикой уже в настоящее время достаточно сильны. Причем, согласно результатам, полученным при моделировании, увеличение скорости ветра произойдет не только на больших высотах, но и у поверхности земли, что должно увеличить частоту катастрофических климатических явлений. Подобные тенденции уже отмечаются по данным наблюдений за последние десятилетия. Количество наблюдаемых ураганов 4 и 5 категорий в регионах, прилегающих к северному полюсу, удвоилось за последние 35 лет.

     Взаимодействие  между озоном и климатом, естественно, происходит не только в стратосфере, но также и у поверхности Земли, т.е. в тропосфере. Известно, что многие наблюдаемые химические и физические аспекты формирования приземного озона объясняются как часть климатических изменений. Озон в тропосфере образуется под действием солнечного излучения из некоторых химических веществ в результате фотохимических процессов. Химические вещества, участвующие в образовании озона включает две основные группы соединений: оксиды азота (NOx) и летучие органические соединения (ЛОС). Как правило, увеличение температуры ускоряет фотохимические реакции. Установлена прямая зависимость появления более высоких уровней содержания приземного озона в теплые дни. При наличии в атмосфере оксидов азота и ЛОС, а также при более высоких температурах, можно ожидать большего количества дней с увеличенной концентрацией «плохого озона». Увеличение содержания озона в тропосфере ведет к усилению парникового эффекта и как следствие, дальнейшему охлаждение стратосферы, а также ко многим другим отрицательным экологическим эффектам, например, образования смога.

      Нельзя не отметить некоторую  несогласованность действий по  сохранению озонового слоя и  предупреждения изменения климата.  Долгое время эти глобальные  проблемы рассматривались и решались как отдельные проблемы со своими специфическими веществами. Это привело к неэффективной и нескоординированной политике ответов. В результате мировое сообщество получило бесконтрольное и чрезмерное производство гидрохлорфторуглеродов (ГХФУ) и гидрофторуглеродов (ГФУ), которые имеют значительные потенциалы глобального потепления

Разрушение ОС техногенными факторами

 

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’’.

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.

 

Действия минеральных удобрений

 

Теперь 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 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.

Методы защиты 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,CH3CF3),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.

Заключение

 

 

 

Возможности воздействия  человека на природу постоянно растут и уже достигли такого уровня, когда  возможно нанести биосфере непоправимый ущерб. Уже не в первый раз вещество, которое долгое время считалось совершенно безобидным, оказывается на самом деле крайне опасным. Лет двадцать назад вряд ли кто-нибудь мог предположить что обычный аэрозольный баллончик может представлять серьезную угрозу для планеты в целом. К несчастью, далеко не всегда удается вовремя предсказать, как то или иное соединение будет воздействовать на биосферу. Потребовалась достаточно серьезная демонстрация опасности ХФУ для того, чтобы были приняты серьезные меры в мировом масштабе. Следует заметить, что даже после обнаружения озонной дыры, ратифицирование Монреальской конвенции одно время находилось под угрозой.

Понимание взаимодействий между озоном и изменением климата, и предсказание последствий изменения  требует громадных вычислительных мощностей, надежных наблюдений, и здравых диагностических способностей. Способности сообщества науки быстро развились за прошлые десятилетия, но все же некоторые фундаментальные механизмы работы атмосферы все еще не ясны. Успех будущего исследования зависит от общей стратегии, с реальным взаимодействием между наблюдениями ученых и математическими моделями.

 

 

 

 

Список  используемой литературы

 

1. Jeannie Allen. “Tango in the Atmosphere: Ozone & Climate Change”//NASA Earth Observatory. 10.02.2004. http://earthobservatory.nasa.gov/Study/Tango/

2. “Scientists find Ozone-Destroying Molecule”//NASA Goddard Space Flight Center. 09.02.2004. http://www.gsfc.nasa.gov/topstory/2004/0205dimers.html

3. “Круговорот кислорода. Озоновый  экран.” Учебный материал Российской коллекции рефератов.

4. Экология: Учебник для технических вузов /Цветкова Л.И., Алексеев М.И. и др.; Под ред. Л.И.Цветковой. - М.: Изд-во АСВ; СПб.: Химиздат, 1999.-488 с

5.Сердюк А.М.  Непростые заботы человечества. – М.; Политиздат, 1998. – 299 с.