Образованию озона и озонового слоя способствуют


Вначале надо вспомнить, что существующие ныне формы жизни на нашей планете обязаны кислороду, который был создан самой жизнью, а именно фотосинтезом. Количество кислорода не было постоянным. Были эпохи, когда, например, около 1500 млн. лет назад, кислорода было много и железо, содержащееся в земной коре окисляясь, формировало залежи известных железных руд с участием воды (гидрооксиды железа). Сегодня горизонты залежей этого возраста дают основу развития мировой черной металлургии. А в современных осадках на дне океанов в настоящее время образуются оксидные руды железомарганцевых конкреций. Таким образом, железо на планете выступало (и выступает) регулятором количества кислорода в атмосфере и воде.

С появлением кислорода в атмосфере Земли начал формироваться озоновый слой. Он образовался в результате облучения солнцем народившейся атмосферы, содержащей кислород, который и защитил поверхность Земли от губительной для живого солнечной радиации. С созданием озонового слоя на уровне современной толщины в атмосфере Земли, в ордовике (около 460 млн. лет назад) жизнь заселила сушу, а уже в девоне (примерно через 80 – 100 млн. лет) возникли бассейны угленакопления.


С тех пор и по настоящее время озоновый слой вряд ли испытывал значительные колебания в атмосфере Земли, поскольку нет ни одной эры и эпохи, в которой бы не существовала жизнь. До тех пор, пока на Земле существует жизнь, в том числе фотосинтезирующие организмы, до тех пор и будет соблюдаться баланс поступления кислорода в атмосферу и его вывод из неё под влиянием окислительных процессов.

Следует напомнить, что в условиях медленного захоронения отмерших живых организмов на их разложение требуется примерно столько же кислорода, сколько его создается фотосинтезом. А также заметить, что в создание основной массы живого вещества участвуют микроорганизмы – бактерии. Но зачастую попытки оценки биомассы, участвующей в круговороте кислорода и углекислого газа, не могут количественно учесть долю микроорганизмов, чтобы аргументировано обосновать роль живого вещества в формировании не только газового, но и водного баланса на Земле.

Немножко теории

Озон (от древнегреческого – ὄζω – пахну) – аллотропная модификация кислорода состоящая из трёх атомов кислорода – О3. Представляет собой взрывчатый газ синего цвета с резким характерным запахом.

Аллотропия (от греч. állos — другой, греч. trópos — поворот, свойство) — существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам, т. н. аллотропических модификаций или аллотропических форм. Например, кислород имеет три состояния: О, О2, и О3.


Озон – один из наиболее сильных окислителей (гораздо сильнее обычного кислорода). Он окисляет все металлы (за исключением золота и элементов платиновой группы), а также большинство других элементов. При действии на некоторые неорганические и органические соединения образует озониды.

Озон образуется по обратимой реакции:

3O2 + 68 ккал (285 кДж) ←→ 2O3

Механизм образования, а также расходования озона, был предложен С. Чэпманом в 1930. Схема реакции образования озона выглядит следующим образом:

О2 + → 2О

О2 + O → О3

Фотолиз молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца с длиной волны 175—200 нм и до 242 нм.

Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом:

О3 + → О2 + О

О3 + O → 2О2

Озон также образуется в реакциях, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. д. В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием тихого электрического разряда. Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их легко разделить. Медицинский озон для озонотерапии получают только из чистого кислорода.


Молекула О3 неустойчива и самопроизвольно превращается в O2 с выделением тепла. При небольших концентрациях и без посторонних примесей озон разлагается медленно, при больших концентрациях разлагается со взрывом. Нагревание и контакт озона с ничтожными количествами органических веществ, некоторых металлов или их оксидов резко ускоряет превращение. Наоборот, присутствие небольших количеств HNO3 стабилизирует озон, а в сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при − 78ºС практически не разлагается. Поскольку на высоте 25 км, где сосредоточено основное количество атмосферного озона, температура воздуха находится вблизи — 78ºС, то его самопроизвольное разложение на этой высоте не происходит.

Озоновый слой

Озоновый слой в атмосфере Земли впервые выделили французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон. В 1913 году с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения им удалось доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы – стратосфере.

Рис.5. Распределение озона в атмосфере Земли
Рис.5. Распределение озона в атмосфере Земли

Он формируется в стратосфере на высоте от 12 до 50 км, рис. 5. Максимум концентрации озонового слоя (максимальная его плотность) толщиной всего в 500 м достигается на высоте 25 км. Наибольшая часть в объёме атмосферы концентрация озона достигается на высоте до 40 км. На высотах 12 – 50 км под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца кислород (О2) ионизируется, приобретая третий атом кислорода и преобразуется в озон (О3). Необходимо подчеркнуть, что защитными свойствами от радиоактивного облучения поверхности Земли обладает только озон. Ни одна другая аллотропная модификация не обладает этим свойством. Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м3) абсорбирует опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущие на суше от губительного излучения. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

Реакции, способствующие разрушению озона в атмосфере Земли

Кроме реакций, входящих в механизм С.Чэпмана, известны другие реакции, изымающие озон из атмосферы Земли1. Эти реакции объединяют в несколько семейств. Главными из них является азотное, кислородное (из механизма Чэпмана), водородное и галогеновое семейство. Эти реакции представляют собой каталитические циклы:


Азотный цикл (NOx):

N2O + O(1D) → NO + NO

О3 + NO → NO2 + О2

NO2 + О → NO + О2

Водородный цикл (HOx):

Н2O + O → OH + OH

ОН + О3 → НО2 + О2

НО2 + О3 → ОН + 2О2

Хлорный цикл (ClOx):

CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2

Доля в расходовании озона различных химических семейств приведена в таблице 5.

Таблица 5

Доля в расходовании озона различных химических семейств2


Давление, гПа Химические семейства расходования озона
азотное кислородное водородное галогеновое
1.31 0.10 0.26 0.41 0.21
3.78 0.50 0.14 0.11 0.25
8.93 0.68 0.11 0.08 0.13
21.9 0.46 0.12 0.19 0.20
55.8 0.12 0.03 0.48 0.14

Реакции, ведущие к разрушению озона в атмосфере Земли, связаны с совокупностью естественных и антропогенных причин, включая отсутствие солнечного воздействия на верхние слои атмосферы в течение полярной зимы на полюсах Земли. Там возникает особо устойчивый полярный вихрь, препятствующий проникновению озона из приполярных широт и образованию полярных стратосферных облаков, поверхность частиц которых выступает катализаторами реакции распада озона.

Условия, способствующие разрушению озона, таким образом, присущи в основном Антарктики и Арктики. В пределах Арктики формирующийся полярный вихрь намного слабее антарктического в виду отсутствия континентальной поверхности. Поэтому здесь температура выше, чем в Антарктике, а полярные стратосферные облака менее распространены.

Химически активные молекулы озона вступают в реакции с неорганическими и органическими соединениями. В качестве основных веществ-разрушителей озона выступают водород, кислород, хлор.


также неорганические соединения: хлороводород, моноксид азота; органические соединения: метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые являются источником хлора и брома. В отличие от последних гидрофторфреоны, распадающиеся до атомов фтора, быстро реагируют с водой, образуя устойчивое соединение фтороводорода. Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона, как и йодсодержащие органические вещества. Фтор и йод по большей части расходуются ещё в тропосфере и не достигает стратосферного слоя, где концентрируется основное количество озона. То есть фреоны из-за значительной их массы не способны достигать стратосферы.

Существует проблема количественной оценки источников соединений, участвующих в разрушении озонового слоя. Такими источниками являются соединения, образующиеся в результате хозяйственной деятельности человека (антропогенные источники) и естественные, например, природные источники современных действующих вулканов, галогены океанов.

То есть вмешательство человека увеличивает вклад хлорного цикла. И при имевшейся тенденции к увеличению производства фреонов до вступления в действие Монреальского протокола (10 % в год) от 30 до 50 % общих потерь озона в 2050 году обуславливалось бы воздействием фреонов3. Считается, что до антропогенной добавки процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые по ходу возрастания человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона.


Участие галогенов океана считается доминирующим среди естественных источников соединений, участвующих в разрушении озонового слоя. Считается, что вклад природных источников в общий баланс галогенов, участвующих в разрушении озонового слоя незначителен. В силу того, что они не достигают стратосферы, поскольку являются водорастворимыми (например, хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю.

Роль вулканической деятельности недооценивается, так как считается, что в процессе извержения недостаточно выделяется соединений, разрушающий озон, которые могут проникнуть в стратосферный слой насыщенный озоном. Однако при извержении вулкана Пинатубо в июне 1991 г сопровождалось ощутимым падением уровня озона. Как считают специалисты, это понижение уровня сопровождалось не за счёт высвобождаемых галогенов, а за счёт образования большой массы сернокислых аэрозолей, поверхность которых выступала в качестве катализаторов реакции разрушения озона. Но дело в том, что эти аэрозоли в стратосфере присутствовали в течение около трех лет. То есть длительное время участвовали в реакциях разрушения озонового слоя. К тому же данные вулканологов подтверждают наличие в составе выбросов вулканов фреонов таких, как фреон-11, фреон-12, фреон-111.

Пинатубо — вулкан, расположенный на филиппинском острове Лусон в 93 км к северо-западу от столицы Манилы и 26 км к западу от города Анхелес.


о высота сегодня составляет 1486 метров, а до крупного извержения в 1991 она составляла 1745 м. До этого извержения вулкан считался потухшим. Последнее извержение Пинатубо произошло 12 июня 1991, впервые за 611 лет. Оно было одним из самых крупных извержений вулканов в XX веке. Благодаря прогнозу извержения десятки тысяч людей были эвакуированы с прилежащих территорий. Но, несмотря на это, все же от извержения и его последствий погибло 875 человек. Кроме этого окрестности вулкана были опустошены пирокластическими потоками, слоями пепла и лахарами.

Последствия извержения Пинатубо были ощутимы по всему миру. Оно привело к самому мощному выбросу аэрозолей в стратосферу со времён извержения вулкана Кракатау в 1883 г. На протяжении следующих месяцев в атмосфере наблюдался глобальный слой сернокислотного тумана. Было зарегистрировано падение температуры на 0,5°С и чрезмерное сокращение озонового слоя.

Источник: www.avkokin.ru

Что такое озоновый слой

Озоновый слой — это самый легкий и тонкий слой в атмосфере, который содержит относительную концентрацию озона (до 0,001%). Озоновый слой защищает нашу планету от опасного ультрафиолетового излучения, которое способно причинить значительный ущерб жизни на Земле.

Однако озоновый слой не только покрывает нашу планету. Его также можно найти и на поверхности земли — он используется для таких целей, как отбеливание бумажной целлюлозы, обеззараживание питьевой воды и удаление неприятных запахов из продуктов.

Как образуется озоновый слой


Облака

Озон — это аллотропная модификация кислорода. Ультрафиолетовые лучи расщепляют молекулы кислорода, превращая О2 в О+О. После расщепления О присоединяется к другим молекулам кислорода, образуя озон (О3=О+О2).

О3 и молекулы кислорода «поглощают» около 97–99% вредного ультрафиолетового излучения, преобразовывая его в тепло.

Где находится озоновый слой

Стратосфера; Озоновый слой; Тропосфера.

Озоновый слой находится на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли, в верхних слоях атмосферы. Озоносфера (или озоновый экран) в разных широтах планеты находится на разных уровнях. В тропических широтах озоновый слой находится на расстоянии от 25 до 30 км, в умеренных — от 20 до 25 км, в полярном круге расстояние еще меньше — от 15 до 25 км.

Толщина озонового слоя

Озоновый слой считается самым тонким в атмосфере. Концентрация озона в верхних слоях измеряется в единицах Добсона. Одна единица Добсона составляет 10 микрометров чистого озона при температуре 0 °C и стабильном атмосферном давлении. Нормальной концентрацией озона считается 300 единиц. Отсюда следует, что толщина озонового слоя составляет всего 3 000 микрометров (3 миллиметра).

Озоновый слой и УФ-излучение

Загоревший человек

Главная задача озонового слоя — оберегать планету от опасной солнечной радиации.

УФ-излучение в малых дозах полезно для человеческого организма, потому что напрямую связано с выработкой витамина D.

В современной медицине это излучение используется для лечения псориаза, остеопороза, желтухи, экземы и рахита. При лечении также учитывается риск негативного воздействия, поэтому любое использование данного излучения происходит под четким медицинским наблюдением.

Долгосрочное воздействие солнечного ультрафиолетового излучения на человека может спровоцировать развитие острых и хронических заболеваний кожи, глаз и иммунной системы.

Солнечные ожоги случаются в результате долгого влияния УФ-излучения на кожу. Оно способно вызвать дегенеративные изменения клеток кожи, фиброзной ткани и кровеносных сосудов. Рак кожи и катаракта — самые серьезные и нередкие последствия облучения ультрафиолетом.

Мощность ультрафиолетового излучения Солнца чаще всего делят на три категории:

  1. УФ-А (от 320 до 400 нанометров): не поглощаемая озоном длина, так как находится на безопасном расстоянии.
  2. УФ-В (от 280 до 320 нанометров): большая часть поглощается озоном, но данная длина излучения может быть вредна для чувствительной кожи.
  3. УФ-С (менее 280 нанометров): полностью поглощается озоном. Наиболее опасная длина, потому что она самая короткая и может уничтожить добрую часть нашей экосистемы.

Разрушение озонового слоя

Годы изучения защитного экрана показали, что над поверхностью Земли в некоторых районах озоновый слой начал истончаться. Первую «брешь» обнаружили над Антарктидой.

Причиной повреждения и истончения озоносферы Земли были признаны синтетические и искусственные вещества, образованные в результате промышленной деятельности.

Причина разрушения озона — хлорфторуглерод, группа органических соединений, включающих атомы фтора, хлора и углерода. Эти соединения не токсичны, стабильны и, взаимодействуя с воздухом, не образуют взрывоопасных веществ.

Аэрозоль

Фреон (хладагент) — яркий представитель этих соединений и включает в себя более 40 различных веществ. Область применения фреона захватывает практически все сферы жизнедеятельности человека. Впервые хлорфторуглероды стали использовать в работе холодильных устройств (холодильники, кондиционеры), заменив ими токсичные и взрывоопасные аммиак и сернистый газ. Позже хлорфторуглероды стали широко эксплуатировать в аэрозольных баллонах, вспенивателях, растворителях, а также в пищевой и парфюмерной отраслях.

Однако сейчас известно, что под воздействием солнечной радиации хлорфторуглероды разлагаются в атмосфере и образуют вещества, которые эффективно разрушают молекулы озона. И если на Земле фреон не представляет опасности для жизни, в стратосфере он активно разрушает защитную систему нашей планеты.

Монреальский протокол

Монреальский протокол

В 1987 году Всемирная Метеорологическая Организация и Программа ООН по окружающей среде собрали вместе ученых, дипломатов, защитников окружающей среды, членов правительства, представителей промышленности и коммерческие организации для заключения соглашения о поэтапном отказе от химических веществ. В январе 1989 года вступил в силу Монреальский протокол, первое в мире международное соглашение о регулировании химических загрязнителей.

В рамках протокола было решено постепенно сокращать производство и использование озоноразрушающих химических веществ, в первую очередь был введен запрет на использование ХФУ (хлорфторуглерод) в распылительных аэрозольных баллончиках.

Озоновые дыры

Озоновая дыра

В 1985 году над Антарктидой обнаружили озоновую «дыру» диаметром более 1 000 км. По сей день она является самой большой и занимает площадь чуть меньше 20 млн кв. км.

К счастью, как таковой дыры нет. На самом деле, когда ученые и популярные средства массовой информации ссылаются на дыру в озоновом слое, речь идет об области с низкой концентрацией озона. Толщина озоновой оболочки в этой местности меняется в зависимости от времени года.

Стратосферные облака

Почему дыра образовалась именно над Антарктидой, если главная причина в опасных выбросах?

Ученые объясняют этот феномен тем, что хлорфторуглероды переносятся в Антарктику воздушными потоками. Особенные климатические условия, а конкретно — крайне низкие температуры (до −80 °C) способствуют формированию стратосферных облаков.

В этих облаках происходит серия химических реакций. Хлор, содержащийся в ХФУ, отделяется от других веществ, кристаллизуется и в течение всего холодного периода сохраняется в таком состоянии. С приходом весны интенсивность ультрафиолетовых лучей усиливается, атомы хлора высвобождаются, разрушая молекулы озона. В итоге образуется озоновая дыра.

Мир без озонового слоя

Стратосферные облака

Озоновая дыра над Антарктидой не единственная. Количество дыр растет с каждым годом по всему миру. Поток солнечной радиации увеличивается и вызывает вспышки раковых заболеваний кожи и катаракту, причем дети этому явлению подвержены сильнее.

Ученые из Центра космических полетов имени Годдарда (НАСА), чтобы доказать значение озонового слоя, смоделировали ситуацию стремительного разрушения защитного экрана Земли.

Группа ученых начала работу с создания модели атмосферной циркуляции земной системы, которая учитывает химические реакции в атмосфере, колебания температуры и ветра, изменения солнечной энергии, а также другие элементы глобального изменения климата. Потери озона изменяют температуру в разных частях атмосферы, и эти изменения способствуют или подавляют химические реакции.

Затем исследователи увеличили выброс ХФУ и подобных соединений на 3% в год, что примерно вдвое меньше, чем в начале 1970-х годов, когда хлорфторуглероды активно использовались в производстве и быту. Ученые позволили моделируемому миру развиваться с 1970 по 2065 год.

Год 2065. Почти две трети озоносферы Земли исчезло. У самой большой озоновой дыры над Антарктидой появился двойник над Северным полюсом. Ультрафиолетовое излучение, падающее на города средних широт (например, Вашингтон), настолько сильное, что способно вызвать солнечный ожог всего за пять минут. Из-за высокого уровня радиации вероятность мутации ДНК увеличивается на 650%.

Решение есть

Спасти Землю

Увидев мир без озонового слоя, ученые пришли к выводу, что разрушение стратосферного озона можно остановить. Альтернативные вещества, которые не навредят защитному экрану Земли, существуют. К ним относятся углекислый газ, нетоксичный пропан, аммиак и изобутан (природный хладагент).

Как отмечают экологи, озоновый щит планеты уже сейчас восстанавливается на 1–3% в десятилетие. При благоприятных прогнозах озоновые дыры могут исчезнуть по всей планете к 2060 году. Команда ученых НАСА предполагает, что восстановление озонового слоя связано с Монреальским протоколом.

Специалисты из Национального управления океанических и атмосферных исследований США в 2018 году обнаружили крупные выбросы в атмосферу озоноразрушающего газа — трихлорфторметана.

Было установлено, что эпицентр выбросов находится в Восточной Азии, а позже более 18 производственных фабрик в Китае сами признались в незарегистрированном использовании фреона.

Экологи считают, что повлиять на целостность озонового слоя могут сами люди на бытовом уровне. Озоновый экран планеты также подвергается атакам парниковых газов и токсичных выбросов воздушного и наземного транспорта. Использование экологически чистого топлива, сохранение ресурсов земли и правильная утилизация вредных отходов сыграет значительную роль в спасении Земли.

Стоит начать очищение окружающей среды с маленького островка — своей квартиры. Через открытые окна в наше жилище поступает большое количество пыли, вредных испарений, ядовитых выбросов и неприятных запахов. В этой ситуации поможет бризер: благодаря трехступенчатой системе фильтрации устройство препятствует проникновению в комнату вредных веществ, бактерий, аллергенов и вирусов с улицы. Бризер борется с духотой в квартире и создает все условия для комфортной жизни и спокойного сна.

Заключение

Стратосферные облака

Проблема разрушения озонового слоя планеты тесно связана с угрозой глобального потепления. Есть предположение, что восстановление озоновой оболочки замедлит таяние льдов

Правительство и многие крупные промышленные корпорации играют большую роль в том, как мы используем ресурсы Земли. Если сохранение окружающей среды станет первоочередной задачей каждого из государств, возможно, разрушительное влияние на нашу среду обитания достигнет минимума.

Автор: Полина Тарасова

Источник: tion.ru

В рубрике “Гипотезы, предположения, догадки” журнала (см. “Наука и жизнь” № 9, 2000 г.) была опубликована статья кандидата технических наук Н. Чугунова “Озоновый слой и миф об опасности из космоса”. В этой статье автор выдвигает свою точку зрения на механизм поглощения солнечного ультрафиоле та земной атмосферой. Суть его гипотезы заключается в том, что все живое на Земле защищает не озоновый слой, как считает большинство исследователей, а кислород верхних слоев атмосферы. Редакция получила несколько писем с просьбой рассказать, насколько она оправдана. По мнению доктора физико-математических наук, заведующего лабораторией института энергетичес ких проблем химической физики РАН профессора И. К. Ларина, гипотеза не выдерживает критики, а порой и прямо противоречит известным фактам.

Четыреста миллионов лет назад в атмосфере появился слой озона, достаточно плотный, чтобы жизнь из океана смогла шагнуть на сушу. Это дало начало уникальной, быть может единственной во Вселенной, эволюционной цепи, породившей громадное разнообразие живых форм, включая человека. А в наши дни (ирония судьбы!) человек чуть не погубил то, благодаря чему он появился на Земле. Однако у человечества хватило ума и здравого смысла, чтобы вовремя остановиться. Озоновый слой стал предметом всеобщего внимания. К его изучению привлекли сотни тысяч специалистов во всем мире, затратили громадные материальные средства. В результате стало значительно яснее, какие процессы происходят как в озоносфере, так и во всей атмосфере.

Озон поглощает солнечный ультрафиолет в диапазоне 200—300 нм, проникающий в длинноволновом участке этого диапазона вплоть до верхней тропосферы. С высоты около 20 км (нижняя граница озонового слоя) начинается рост температуры, который продолжается до высот около 50 км (верхняя граница озонового слоя). Если бы не было озонового слоя или если он не поглощал бы ультрафиолет, падение температуры, имеющее место в тропосфере, продолжалось бы вплоть до высоты порядка 80 км. Там уже появляется жесткое ультрафиолетовое излучение, способное ионизовать молекулы воздуха. Его энергия в конце концов превращаетс я в тепло, нагревающее воздух и вызывающее рост температуры выше 80 км. (Кстати, эту точку зрения на роль озона в термической стратификации атмосферы разделяет и Прокофьева И.А., автор книги “Атмосферный озон” (М.; Л., 1951), которую Н. Чугунов указал в списке литературы.)

Поглощая солнечный ультрафиолет, молекулы озона разрушаются, образуя атомы кислорода. Но озоновый слой при этом не исчезает — устанавливается равновесие между количеством озона и атомами кислорода, причем более высокому уровню ультрафиолета соответствует более низкая концентрация озона. Это, в частности, объясняет , почему в тропиках, где интенсивность ультрафиолета велика, озона мало, а в высоких широтах, где солнечное излучение слабо, — много.

Теоретически и практически доказано, что в диапазоне длин волн 200—300 нм определяющую роль в распределении солнечного излучения по высоте земной атмосферы играет его поглощение молекулами озона, слой которого простирается от 10—15 км до высоты более 50 км с наибольшей концентрацией на высоте 20—25 км. Озон чрезвычайно сильно поглощает ультрафиолет длиной волны около 250 нм, и уже к высоте 40 км от этого излучения остается только 10%, а все остальное поглощается вышележащим слоем. А до высот 20—25 км излучение в диапазоне длин волн 255—266 нм, чрезвычайно опасное в биологическом отношении, практически не доходит. Поэтому о нем можно спокойно забыть: его интенсивность не изменится, даже если озона станет в десять раз меньше.

Разнообразные и многочисленные эксперименты показали, что излучение в диапазоне длин волн 280—320 нм также опасно. Именно это излучение при истощении озонового слоя будет усиливаться, приводя к разнообразным негативным последствиям.

Таким образом (повторим еще раз), интенсивность проходящего солнечного излучения в диапазоне длин волн 200—300 нм на разных высотах полностью определяется только распределением озона в атмосфере.

Распределение стабильных молекул в атмосфере до высот порядка 100 км определяется исключительно барометрическим законом, согласно которому давление падает с высотой по экспоненте. А поскольку молекулы озона рождаются в самой атмосфере, их высотное распределение стремится стать таким же, как у воздуха (попросту говоря, много внизу и мало наверху). И в зависимости от времени жизни частиц оно будет в той или иной мере приближаться к барометрическому.

Озон в атмосфере образуется по механизму, предложенному выдающимся английским геофизиком С. Чепменом семьдесят лет назад. Суть этого механизма состоит в том, что на высотах 20—45 км молекулярный кислород распадается на атомы под действием солнечного ультрафиолета. Образовавшиеся атомы быстро прилипают к молекулам кислорода, давая молекулы озона. Распадаются они в результате реакции с атомами кислорода (возникающими главным образом при фотораспаде озона), образуя две молекулы кислорода. Схема Чепмена просуществовала без изменений до середины 60-х годов, когда была создана теория цепных процессов разрушения озона с участием водородных, азотно-окисных и галоидных (хлор—бром—йод) соединений, попадающих в атмосферу в основном из промышленных выбросов. Однако основа этих новых механизмов осталась “чепменовской”.

Из механизма Чепмена следует, что отсутствие ультрафиолетового излучения способствует сохранению и накоплению озона — ночью его содержание в атмосфере практичес ки не меняется. Именно этим и объясняется накопление озона в стратосфере Антарктики и Арктики в течение полярной зимы.

Влияние солнечного света проявляется и в механизме образования “озонной дыры”, который заключается в следующем.

В течение холодной антарктической зимы, когда температура нижней стратосферы падает до 80 градусов ниже нуля, холодный воздух начинает опускаться вниз, в результате чего под действием сил Кориолиса на высотах 10—20 км образуется полярный вихрь, изолирующий воздух внутри своего объема от остального пространства. В этом воздухе образуются стратосферные полярные облака, содержащие молекулы воды и азотной кислоты (она в небольших количествах постоянно образуется из окислов азота природного происхождения). На поверхности частиц облаков протекают реакции, приводящие к образованию из слабоактивных, достаточно устойчивых соединений хлора малоустойчивых молекул Cl2 и HOCl. Процессы идут в течение всей зимы, в результате чего к ее концу в полярном вихре накапливается значительное количество этих слабосвязанных компонент. С восходом солнца в начале весны, то есть в начале сентября, они легко распадаются, и образуются активные хлорные частицы, начинающие разрушать озон цепным путем.

Поскольку вихрь еще существует и никакого обмена с соседними, богатыми озоном областями стратосферы нет, содержание озона быстро уменьшается, и внутри вихря, на высоте 10—15 км, озон полностью исчезает. Далее происходит разогрев воздуха, распад вихря и расползание остатков дыры по Южному полушарию.

Таковы в общих чертах механизмы образования и разрушения озона. Их справедли вость подтверждена многочисленными измерениями и теорией. Несмотря на это, Н. Чугунов считает их ошибочными. Рассуждал он следующим образом: если бы ультрафиолетовое излучение поглощалось озоном, то следствием этого было бы либо “…нагревание озонового слоя. Однако он расположен на высоте устойчиво холодной атмосферы”; либо “…разрушение озона”, но тогда он не мог бы выполнять свои защитные функции; либо неограниченное накопление энергии в озоновом слое вплоть до взрыва. Отсюда и следует, “что мнение о поглощении озоновым слоем жесткого ультрафиолета не обосновано”.

Развивая эту мысль, Чугунов пишет: “На высоте 34 км излучений с длиной волн короче 280 нм не обнаружено. Наиболее же биологически опасным считается излучение с длинами волн от 255 до 266 нм. Из этого следует, что губительный ультрафиолет поглощается, не достигнув озонового слоя, то есть высот 20—25 км. А до поверхности Земли доходит излучение с минимальной длиной волны 293 нм, опасности не представляющее. Таким образом, озоновый слой не принимает участия в поглощении биологически опасного излучения”.

На самом же деле, как уже говорилось выше, излучение в диапазоне 200—300 нм поглощается озоном, образуются атомы кислорода, и происходит нагрев окружающего воздуха, а излучение в диапазоне 300—400 нм действительно почти без потерь доходит до земной поверхности.

Пытаясь объяснить образование озонового слоя с помощью своей гипотезы, согласно которой этот слой ничего не поглощает, Чугунов пишет: “При поглощении энергии коротковолнового ультрафиолетового излучения часть молекул ионизуется, теряя электрон и приобретая положительный заряд, а часть диссоциирует на два нейтральных атома. Свободный электрон, образовавшийся при ионизации, соединяется с одним из атомов, образуя отрицательный ион кислорода. Разноименно заряженные ионы соединяются, образуя нейтральную молекулу озона”. По описанному механизму озон образуется главным образом в мезосфере, хотя механизм “работает” и в стратосфе ре, и в тропосфере. Из мезосферы озон (будучи тяжелее воздуха в 1,62 раза) опускается вниз, где на высоте 20—25 км приходит в равновесное состояние, образуя наиболее плотный слой. А согласно его версии образования озоновых дыр, “…летом и осенью над Антарктидой и зимой и весной над Северным полюсом атмосфера Земли практически не подвергается воздействию ультрафиолета. Полюса Земли в эти периоды находятся в “тени”, над ними нет источника энергии, необходимой для образования озона…”. На самом же деле механизм, предложенный Чугуновым, в принципе не работает не только в тропосфере и стратосфере, но даже и в мезосфере по той простой причине, что ионизующее молекулярный кислород коротковолновое излучение Солнца не проникает в атмосферу глубже 90 км.

Что же касается механизма образования антарктической озонной дыры, то мы обсудили его выше. Здесь добавим только, что в противовес гипотезе Чугунова она возникает весной, при появлении в Антарктиде солнечного света.

Решающий аргумент в пользу антиозоновой гипотезы заключается в следующем. Если иметь в виду, что при нормальном атмосферном давлении толщина озонового слоя составляла бы 3—4 мм, то “практически невозможно представить, до каких сверхвысо ких температур должен был разогреться столь маломощный слой, если бы он действительно поглощал почти всю энергию ультрафиолетового излучения”. Выше, однако, уже неоднократно говорилось, что озон распределен в атмосфере на десятки километров по высоте. На одну молекулу озона приходится около миллиона молекул воздуха. Поэтому никаких сверхвысоких температур в результате поглощения ультрафиолета озоновым слоем не возникает.

Падение температуры с высотой в тропосфере Чугунов объясняет тем, что при поглощении энергии молекулами воздуха происходит его охлаждение. Это неверно, поскольку поглощенная энергия неизбежно превращается в тепло. В действительности падение температуры происходит потому, что с высотой уменьшается “греющий” тропосферу поток инфракрасного излучения, который идет с поверхности Земли и поглощается по мере продвижения вверх парами воды и другими парниковыми газами.

Образование в стратосфере молекул озона в результате реакции возбужденной и невозбужденной молекул кислорода (как это утверждается в “Подробностях…” статьи Чугунова) невозможно по энергетическим причинам. Так же, как невозможна ионизация молекул кислорода на высоте 50 км, — на этих высотах нет излучения, способного вызвать такие процессы. Понижение температуры с высотой на высотах 60—80 км происходит не в результате поглощения “фотонов излучения”, а как раз наоборот: здесь никакое излучение не поглощается — ни идущий сверху (и неспособный ионизовать воздух) ультрафиолет из-за малой плотности поглощающих компонент, ни тем более идущее снизу инфракрасное излучение.

Более подробное изложение затронутых вопросов можно найти на сайте автора “Озоновый слой Земли” по адресу http://iklarin.narod.ru/index.htm

Источник: www.nkj.ru

 

Озон – аллотропная модификация кислорода. Это высокотоксичный газ, его токсичность

При взаимодействии с излучением длиной волны менее 240 нм моле­кула кислорода, как уже отмечалось выше, диссоциирует с образо­ванием двух атомов кислорода. В зависимости от величины энергии поглощенного кванта один или оба образующихся атома кислрода могут находиться в возбужденном состоянии:

02 + hv->0(1D) + 0(3P), (1.35)

где 0(XD) — атом в возбужденном состоянии; О (3Р) — атом в основ­ном состоянии.

Лишь атом, находящийся в основном состоянии, способен всту­пить в реакцию синтеза озона. Этот процесс может быть предста­влен следующим уравнением реакции:

02 + 0(3Р) + М-ч-03 + М*, (1.36)

где М —так называемое «третье тело», присутствие которого не­обходимо для отвода части энергии, выделяющейся в процессе. В результате реакции третье тело, в качестве которого в атмосфе­ре выступают молекулы азота или кислорода, которых значитель­но больше, чем других газов, переходит в возбужденное состояние

Участие возбужденных атомов кислорода в реакции (1.36) не приводит к синтезу озона, поскольку в этом случае даже перерас­пределением энергии при участии третьего тела не удается стаби­лизировать молекулу озона.

Молекула озона может взаимодействовать с атомом кислорода с образованием двух молекул кислорода:

03 + 0-*202. (1.37)

Эта реакция, часто называемая реакцией с участием «нечетного ки­слорода», приводит к стоку озона из стратосферы. Однако скорость этой реакции значительно ниже скорости реакции образования озо­на, поэтому вклад реакций с участием «нечетного кислорода» в процессы вывода озона из атмосферы незначителен. Основное ко­личество озона в атмосфере разлагается в результате поглощения излучения по реакции (1.34). В зависимости от энергии поглощен­ного кванта образующийся атом кислорода может находиться в воз­бужденном или в основном состоянии:

Оз + hv-t 02 + OfD) (1.38)

03 + hv-> 02 + 0(3Р). (1.39)

Атом кислорода в основном состоянии может вновь принять уча­стие в синтезе озона. Реакции образования (1.36) и разложения (1.39) озона часто называют нулевым циклом озона.

Значительный вклад в процесс разрушения озона вносят цепные процессы, протекающие с участием гидроксидных радикалов (водо­родный цикл), оксидов азота (азотный цикл), соединений хлора и

брома (хлорный и бромный циклы). Рассмотрим более подробно каждый из этих циклов.

Водородный цикл.При поглощении кванта света с длиной волны менее 240 нм молекулы воды могут распадаться с образованием гидроксидного радикала и атомарного водорода:

Н20 + /ш->ОН + Н. (1.40)

Гидроксидные радикалы образуются и при взаимодействии

молекул воды или метана с возбужденным атомом кисло­
рода:

0(1D)+ H20->20H (1.41)

0(JD) + СН4 -» СНз + ОН. (1.42)

Образовавшийся в этих процессах гидроксидный радикал мо­жет вступить в реакцию с озоном. Продуктами этого взаимодей­ствия являются гидропероксидный радикал и молекула кислорода. Гидропероксидный радикал при взаимодействии с атомарным ки­слородом в основном состоянии образует молекулу кислорода и ги­дроксидный радикал. Водородный цикл, брутто-уравнение которо­го идентично реакции (1.37), входящей в нулевой цикл, замыкается, но при этом полностью нарушается нулевой цикл озона:

ОН+ 03-> Н02+ 02(1.43)

Н02+ О-> ОН+ 02 (1.44)

03+ О-> 202. (1.37)

Азотный цикл.Оксид азота при взаимодействии с озоном оки­сляется до диоксида азота, но при взаимодействии N02 с атомар­ным кислородом в невозбужденном состоянии вновь образуется ок­сид азота. Азотный цикл замыкается, но при этом нарушается ну­левой цикл озона:

N0 + 03 -> N02 + 02 (1.45)

N02 + О -> N0 + 02 (1.46)

03 + 0 = 202. (1.37)

Необходимо отметить, что опасность для озонового слоя пред­ставляют только образующиеся непосредственно в стратосфере ок­сиды и диоксиды азота. N0 и N02, образующиеся в воздухе тропо­сферы, имеют малое время жизни и не успевают достигнуть страто­сферы. Среди оксидов азота, образующихся на поверхности Земли,

опасность для озонового слоя представляет лишь имеющий доста­точно большое время жизни и поэтому способный преодолеть гло­бальный инверсионный барьер и достичь зоны максимальной кон­центрации озона гемиоксид азота (N20). Этот газ, образующийся в процессах денитрификации в почве, при взаимодействии с возбу­жденным атомом кислорода превращается в оксид азота, иниции­рующий азотный цикл гибели озона:

N20 + 0(1D)^2NO. (1.47)

Хлорный цикл.Атом хлора при взаимодействии с молекулой озона образует оксид хлора и молекулу кислорода. Оксид хлора способен взаимодействовать с атомарным кислородом, находящим­ся в невозбужденном состоянии, с образованием атомарного хлора и молекулы кислорода. Хлорный цикл замыкается, а нулевой цикл озона нарушается:

С1 + 03 -> СЮ + 02 (1.48)

СЮ + О -> С1 + 02 (1.49)

03 + 0 = 202. (1.37)

Атомарный хлор появляется в стратосфере при фотохимиче­ском разложении ряда хлорфторуглеводородов, которые благода­ря малой химической активности и большому времени жизни успе­вают достигнуть зоны максимального содержания озона в страто­сфере. Наибольшую опасность среди хлорфторуглеводородов пред­ставляют некоторые из производившихся до последнего времени в больших количествах фреонов (техническое название группы на­сыщенных алифатических галогенсодержащих углеводородов). Эти нетоксичные, пожаро-взрывобезопасные соединения, обладающие низкой реакционной способностью, широко использовались в холо­дильной технике, при производстве пенопластов и каучука, в из­готовлении различных бытовых товаров в аэрозольных упаковках. Попадая в стратосферу, эти соединения могут взаимодействовать с излучением с длиной волны менее 240 нм, при этом происходит образование атомарного хлора, как, например, в случае фреона Ф-11 (CFC13)

CFCI3 + hv -> CFC12 + CI, (1.50)

и может начаться разрушение озонового слоя.

В настоящее время в соответствии с Монреальским протоколом и рядом дополнительных международных протоколов, подписан­ных в последние годы, производство озоноопасных фреонов прак­тически прекращено. Вместо них в соответствующих отраслях про­мышленности используются зачастую менее эффективные, но бо­лее безопасные органические соединения. Так, например, введение в молекулу хлорфторуглеводорода атомов водорода делает соеди­нение более реакционноспособным, его время жизни в тропосфере значительно уменьшается, и такие соединения уже не способны до­стичь стратосферы и повлиять на содержание в ней озона. Другой путь связан с полной или частичной заменой атомов хлора в мо­лекуле фреона. В этом случае молекула либо может стать более реакционноспособной (с уменьшением времени жизни), либо она не будет представлять опасности для озонового слоя, поскольку хлор­ный цикл в отсутствие хлора невозможен.

Бромный цикл.Атом брома подобно атому хлора способен при взаимодействии с озоном образовывать оксид брома и молекулу ки­слорода. Однако в отличие от оксида хлора ВгО может вступить в реакцию с другой молекулой оксида брома или с оксидом хлора, при этом образуются два атома соответствующего галогена и мо­лекула кислорода:

Вг + 03 -» ВгО + 02 (1.51)

ВгО + ВгО -» 2Вг + 02 (1.52)

Вг0 + СЮ-»Вг + С1 + 02. (1.53)

Во всех рассмотренных до этого циклах нарушения озонового слоя реакция с участием атомарного кислорода является наиболее медленной, и ее скорость лимитирует соответствующие циклы. В случае бромного цикла процесс значительно ускоряется, и бром по­тенциально наиболее опасен для озонового слоя. Однако влияние этого цикла на озоновый слой в настоящее время меньше, чем вли­яние других рассмотренных циклов. Это связано с меньшими кон­центрациями брома в стратосфере. Основными источниками бро­ма в стратосфере являются бромсодержащие органические соеди­нения, используемые для тушения пожаров (галоны). Эти соедине­ния, как и фреоны, устойчивы в тропосфере, имеют большое время жизни и, попадая в стратосферу, разлагаются под действием жест­кого ультрафиолетового излучения. Образующийся при этом атом брома может вступить во взаимодействие с молекулой озона.

1.5.3. Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона

В рассмотренных выше цепных процессах «активные» частицы не расходуются. Каждая из «активных» частиц может многократно (до 107 раз) инициировать цикл разрушения озона, пока не будет выведена из зоны с максимальным содержанием озона, где ее при­сутствие наиболее опасно. Наличие процессов вывода (стока «ак­тивных» частиц), приводящих к обрыву реакционной цепи, имеет большое^ значение с точки зрения сохранения озонового слоя, по­скольку при отсутствии таких процессов весь озон в атмосфере был бы разрушен.

Гидроксидный и гидропероксидный радикалы, являющиеся «ак­тивными» частицами водородного цикла, могут вступать во взаи­модействие с различными компонентами атмосферного воздуха (см. раздел 1.6), но наиболее вероятными для стратосферы являются следующие реакции:

СН4 + ОН -> СНз + Н20 (1.54)

ОН + Н02->Н20 + 02. (1.55)

Возможным представляется и взаимодействие гидроксидного радикала с оксидом азота:

OH + NO->HN02. (1.56)

Протекание этого процесса приводит к образованию временно­го резервуара для «активных» частиц водородного и азотного ци­клов, поскольку азотистая кислота сравнительно легко разлагается с образованием исходных «активных» частиц. Образование времен­ных резервуаров в виде азотной и азотистой кислот является одной из особенностей азотного цикла. Окончательный обрыв цепи пре­вращений азотного цикла наступает в результате вывода этих вре­менных резервуаров из зоны с максимальной концентрацией озона в тропосферу.

Динамические процессы, приводящие к выводу «активных» ча­стиц в тропосферу, играют важную роль и в галогенных (хлорном и бромном) циклах разрушения озона. Помимо этого «активные» частицы этих циклов могут вступать в другие реакции, образуя временные резервуары.

Особое значение для обрыва цепи имеет реакция взаимодей­ствия оксида хлора и диоксида азота, которая приводит к обра­зованию сравнительно устойчивого и инертного по отношению к озону хлористого нитрозила:

СЮ + N02 -» C10N02. (1.57)

Следует обратить внимание на то, что этот процесс интенси­фицируется при увеличении концентраций СЮ и N02 в атмосфе­ре и делает практически невозможным одновременное осуществле­ние азотного и хлорного циклов. Однако при определенных услови­ях этот временный резервуар для сбора «разрушителей» озонового слоя может представлять серьезную опасность для озона, как это происходит, например, при образовании «озоновой дыры» над Ан­тарктидой.

1.5.4. «Озоновая дыра» над Антарктидой

Понятие «озоновой дыры» связывают с уменьшением общего со­держания озона во всех областях атмосферы над определенной территорией. Наиболее часто это явление ассоциируется с уменьше­нием общего количества озона над Антарктидой, где такой процесс, протекающий с разной интенсивностью, в последние десятилетия наблюдается практически ежегодно и где он был зафиксирован впервые.

Над Антарктидой явление «озоновой дыры» носит ярко выра­женный сезонный характер и проявляется лишь в весенний период. Например, весной 1987 г. наблюдалось уменьшение содержания озо­на с 300 е.Д. до 150-200 е.Д., а в некоторых областях до 100 е.Д., причем зона, в которой содержание озона составляло менее 200 е.Д., в этот период занимала примерно 40 млн км2. В последние годы все чаще появлялись сообщения о периодическом увеличении масшта­бов этого явления, область «озоновой дыры» уже достигала терри­тории Автралии и Чили. Правительства и население этих стран вы­нуждены были принять специальные меры по борьбе с возможны­ми последствиями. Так, во избежание дополнительного облучения ультафиолетовыми лучами, которые при уменьшении содержания озона способны достигать поверхности Земли, в Австралии родите­ли стали одевать детей в закрытые купальники, а в Чили появились специальные рекомендации, связанные с поведением людей на от­крытом воздухе в дневные часы.

Теоретически процесс был описан в начале 70-х годов 20-го века, экспериментальные доказательства механизма образования «озоно­вой дыры» над Антарктидой получены в 80-х годах, а в 1995 г. уче­ные Ш. Роуланд (США), М. Молина (США), П. Крутцен (ФРГ), занимавшиеся этой проблемой, были удостоены Нобелевской пре­мии по химии. В соответствии с современными представлениями, причина образования «озоновой дыры» над Антарктидой являет­ся комплексной и связана как с совокупностью природных явлений (полярный вихрь), так и с антропогенным влиянием на состояние атмосферного воздуха. Так, систематическое увеличение поступле­ния хлорфторуглеводородов в атмосферу, наблюдавшееся во второй половине прошлого века, и специфика движения воздушных масс в стратосфере высоких широт привели к тому, что в период возникно­вения «озоновой дыры» концентрация озоноразрушающих веществ в воздухе над Антарктидой резко возрастала. Например, содержа­ние оксида хлора превышало соответствующие значения, регистри-туемые в соседних областях стратосферы, в сотни раз. При таких высоких концентрациях СЮ протекает процесс образования диме-ров (СЮ)2.

Устойчивый антициклон, так называемый полярный вихрь, или полярный вортекс, возникающий каждой зимой над Антарктидой, приводит к временному прекращению обмена воздухом с другими областями стратосферы и стоку озона в тропосферу. Поступление озона, образующегося в тропической или среднеширотной зонах стратосферы, в этот период прекращается. Однако возникающий дефицит озона в условиях полярной ночи не представляет опасно­сти для биоты.

Температура воздуха внутри вихря резко снижается до —70 или —80°С. В стратосфере появляются устойчивые аэрозольные обра­зования— «серебристые» облака, состоящие из кристаллов льда и капель переохлажденной жидкости. В состав этих аэрозолей вхо­дят димеры оксида хлора (С10)2, хлористый нитрозил (ClONCb) и другие соединения азота (HNO3, HNO2). В зимний период эти со­единения, связанные с аэрозолями, не взаимодействуют с озоном. Весной циркумполярный вихрь распадается, и при повышении тем­пературы на поверхности кристаллов льда начинают протекать ге­терогенные химические процессы:

C10NC-2 + Н20 -> HUC1 + HN03 (1.58)

или

C10N02 + НС1 -+ Cl2 + HN03. (1.59)

Образующиеся молекулы Cl2 и НОС1 неустойчивы и в отличие от НС1 и CIONO2 при появлении первых солнечных лучей распада­ются даже под воздействием видимого излучения:

С12 + hv -> 2C1 (1.60)

НОС1 + hv -+ ОН + С1. (1.61)

Таким образом, с наступлением весны в стратосфере над Ан­тарктидой появляется ряд озоноразрушающих веществ, и начина­ются цепные процессы разрушения озона на фоне природного дефи­цита озона, содержание которого не успевает восстановиться после окончания полярной ночи и разрушения вортекса.

Особую роль в разрушении озона над Антарктидой играют ди-меры оксида хлора. Эти соединения неустойчивы и при воздействии излучения разлагаются:

(СЮ)2 + hv -> С1 + С100 (1.62)

и далее

С100->С1 + 02. (1.63)

Суммируя все уравнения реакций «димерного цикла» — (1.48), (1.6^), (1.63), получим:

203 + hv -> 302. (1.64)

Эта суммарная реакция «димерного цикла» лишь внешне напо­минает процесс защитного действия озона, описыываемый уравне­ниями (1.38) и (1.39), поскольку в данном случае разложение озона происходит под действием видимого излучения.

Таким образом, протекание гетерогенных реакций и «димерный цикл» резко интенсифицируют процесс разрушения озона над Ан­тарктидой в весенний период и приводят к образованию «озоновой дыры». В дальнейшем кристалики льда растают, гетерогенные про­цессы прекратятся, оксид хлора частично израсходуется, а частич­но свяжется с диоксидом азота в хлористый нитрозил. В основном благодаря динамическим процессам стратосферной циркуляции в полярную область поступит озон из других областей атмосферы,

часть его будет синтезирована над Антарктидой, и «дыра» посте­пенно, в течение одного-двух месяцев закроется.

«Озоновые дыры», хотя и менее ярко выраженные, наблюдались в весенние месяцы и в северном полушарии.

1.5.5. Международные соглашения, направленные на сохранение озонового слоя

Продолжавшийся с середины и практически до конца прошлого ве­ка рост производства галогенпроизводных органических соедине­ний привел к увеличению их концентрации в атмосфере. Так, толь­ко в период с 1970 по 1980 г. относительная концентрация таких озоноопасных соединений, как фреон-11 и фреон-12, возрастала в стратосфере в четыре и в три раза соответственно.

Серьезную озабоченность вызывала и наблюдавшаяся в конце прошлого века тенденция уменьшения количества озона в страто­сфере. Например, среднегодовое содержание озона за 18 лет (с 1969 по 1986 г.) снизилось в высоких широтах (53-64° с.ш.) на 2,3±0,7%, в средних широтах (40-50° с.ш.) — на 3,8±0,8% и на широтах 30-38° с.ш. —на 1,7 ± 0,7%. Необходимо отметить, что наибольшее откло­нение, составившее 6,2 ± 1,5%, отмечено в высоких широтах в зим­ний период. Эти значения дают небольшой, но устойчивый тренд уменьшения содержания озона в атмосфере. Ежегодное уменьше­ние содержания озона в стратосфере в зимний период с 1969 по

1986 г. составляло примерно 0,3% при суммарных 6% за 18 лет. Серьезное беспокойство в мире вызвали сообщения об умень­шении содержания озона над Антарктидой. Поскольку основной причиной этого явления считались хлорфторуглеводороды, миро­вое сообщество предприняло объединенные усилия, направленные
на уменьшение производства и выброса в атмосферу озоноразрушающих веществ.

Первым международным актом, ограничивающим производство фреонов и других разрушающих озоновый слой соединений, стал Монреальский протокол. Он был подписан тридцатью странами в 1987г. и вступил в силу с 1 января 1989 г.

Основными положениями Монреальского протокола были опре­делены следующие действия, которые обязались предпринять под­писавшие его страны:

1) производство фреонов 11, 12, 113, 114, 115

В среднем дожде, однако, их объемная концентрация невелика — 10~5см~3 (или 10 капель на 1 м3 воздуха). В нижних слоях атмо­сферы средняя концентрация меньше на два порядка.

Размер 1 см: падающие капли дождя из-за гидродинамических эффектов разбиваются до диаметра 0,5 см, поэтому жидких аэ­розолей размером 1 см не наблюдается, однако град и снежинки (твердые гидрометеориты) могут достичь таких размеров.

Размер 10 см: имеются сообщения о граде такого размера, легко оценить масштабы наносимого им вреда.

Размер > 10 см: можно сказать, что 10 см — верхний предел раз­меров атмосферных частиц; конечно, метеориты и частицы пепла при извержении вулканов могут достигать и больших размеров.

Итак, даже самая краткая классификация по размерам занима­ет область от Ю-8 см до 10 см. Если исключить экстремальные случаи, то останется область в шесть порядков — от Ю-7 см до не­скольких миллиметров. Если перейти к массовым или объемным характеристикам, то получится разброс в 20 порядков, а для такой характеристики, как концентрация, ситуация еще более впечатля­ющая.

Важно представлять себе, что область от 1 мкм до размера мо­лекулы так же велика, как от 1 мкм до градины больших разме­ров. Поэтому такие макрохарактеристики, как «концентрация ча­стиц аэрозоля» или «средний размер частиц аэрозоля», должны оцениваться очень осторожно.

 

 

1.6.7. Парниковый эффект

Каждое материальное тело, температура которого выше темпера­туры окружающей среды, как известно, испускает электромагнит­ное излучение. Чем выше температура тела, тем больше энергия и короче длина волны этого излучения. Поверхность Солнца имеет температуру около 6000 К, и максимальное количество энергии сол­нечного излучения приходится на длины волн в интервале от 340 до 4000 им. Для абсолютно черного тела при температурах, харак­терных для земной поверхности, максимальное количество энергии выделяется с излучением, имеющим длину волны около 10000 нм. Таким образом, Земля поглощает солнечное излучение (преиму­щественно в видимом диапазоне) и испускает тепло в инфракрас­ном диапазоне. Поскольку средняя глобальная температура на про­тяжении последних 10-15 тыс. лет оставалась практически постоянной, можно утверждать, что на планете наблюдался тепловой баланс. Оценка средней температуры Земли, выполненная на осно­вании этого баланса, при условии отсутствия атмосферы вокруг планеты (см. Пример 1.32) дает значение, отличающееся от реаль­но наблюдаемого более чем на 35 градусов. В случае отсутствия атмосферы температура на планете была бы более чем на 20 гра­дусов ниже 0°С. Однако, являясь смесью газов, атмосфера Земли не излучает в непрерывном диапазоне волн, как абсолютно черное тело. Компоненты атмосферы, молекулы которых содержат 3 и бо­лее атомов в своем составе, — такие, как вода, диоксид углерода и многие другие, интенсивно поглощают излучение в инфракрасном диапазоне, на которое приходится максимальное количество энер­гии, излучаемой Землей.

Водяной пар интенсивно поглощает излучение в диапазоне длин волн 5-7 мкм и более 14 мкм, диоксид углерода — в диапазоне длин волн 4-5 мкм и более 12 мкм. Область длин волн 8-11 мкм не по­глощается этими компонентами и является практически прозрач­ной для излучения Земли. Эту область длин волн называют «ок­ном прозрачности» атмосферы, образно сравнивая его с открытой форточкой, через которую беспрепятственно осуществляется отвод тепловой энергии в окружающее пространство.

Увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере, осо­бенно интенсивное в последние 200 лет, приводит к росту эффектив­ности поглощения инфракрасного излучения. В результате этого температура Земли может возрастать. К повышению температуры может привести и увеличение концентрации в тропосфере таких газов, как 03,CH4,N20,N02,S02, фреонов. Эти газы, способные улавливать инфракрасное излучение и частично перекрывать «ок­на прозрачности» атмосферы, как и диоксид углерода, называют парниковыми газами.

I Необходимо отметить, что увеличение концентрации аэрозолей в атмосфере и рост альбедо земной поверхности приводят к обрат­ному эффекту — уменьшению температуры в приземном слое. Это явление связано с усилением отражающей способности атмосферы и земной поверхности. Такое возможное резкре снижение темпера­туры, связанное с увеличением запыленности атмосферы при столк­новении с астероидом, рассматривается как одна из наиболее веро­ятных причин гибели динозавров. На климатические последствия, которые могут привести к гибели всего живого, — «ядерную ночь» и следующую за ней «ядерную зиму» — указывают и результаты оцен ки возможных военных действий с применением ядерного оружия, которые были впервые проведены советскими учеными во главе с Н. Н. Моисеевым. Мелкодисперсные, устойчивые в атмосфере аэро­золи, образующиеся при наземных ядерных взрывах, на длительный промежуток времени могут снизить количество энергии, поступаю­щей на планету, и понизить температуру в приземном слое.

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Циркуляция поверхностных вод | Основные положения и общие закономерности фрактальной физики как науки о мироздании

Источник: helpiks.org


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.