Утончение озонового экрана озоновая


Озоновый слой — часть атмосферы, которая защищает нашу планету и ее обитателей от вредного влияния ультрафиолета, исходящего от Солнца. В районах с пониженным содержанием озона наблюдается рост кожных заболеваний и снижение способности растений осуществлять процесс фотосинтеза. Нарушение озонового слоя как глобальная экологическая проблема уже давно беспокоит ученых. Рассмотрим, чем оно вызвано, каковы его последствия.

Истощение защитной оболочки

Озоновый слой расположен на высоте 30 км от поверхности Земли. Он выполняет защитную функцию и поглощает излишнее ультрафиолетовое излучение, за счет чего обитатели планеты получают дозированную его порцию, безопасную для здоровья.

В конце 60-х ученые обнаружили, что выбросы ракет и самолетов, продукты сгорания негативно влияют на озоновый слой и частично его разрушают. Затем были обнаружены озоновые дыры — в областях отмечалось резкое снижение концентрации защитного вещества. Их появление сопровождалось вспышками рака кожи у людей, проживающих в этих регионах.

озоновый слой из космоса


Озоновые дыры способны менять место расположения. Самая большая по площади дыра впервые была обнаружена в Антарктиде, затем их наблюдали над Канадой, Якутией, Гренландией.

За последние 25 лет количество озона в атмосфере уменьшилось примерно на 5%.

Причины нарушения целостности

На сегодняшний день ученые до конца не установили причины, вызывающие разрушение озонового слоя. Существует гипотезы на тему того, что озон уничтожают фреоны и окиси азота — они образуются в результате деятельности человека.

Выделяют три основных версии негативного влияния антропогенного характера:

  • хлорфторуглероды — возникают при производстве и эксплуатации бытовой техники, продуктов химической промышленности и косметики;
  • выброс газов реактивных двигателей ракет и самолетов;
  • вырубка лесов и лесные пожары;
  • полеты на большой высоте — 25 км.

дезодорант

 

Существует версия о естественной природе образования озоновых дыр. К ним относятся:


  1. Полярная ночь — защитный слой Земли разрушается под воздействием холода. Особенно он уязвим в периоды, когда температурные значения опускаются до низких показателей, солнце не появляется на протяжении долгого времени.
  2. Полярные вихри — вызывают химические реакции в стратосфере, которые уничтожают озоновый слой.
  3. Перламутровые облака — конденсационные образования, возникающие в нижних слоях стратосферы. Оказывают такой же эффект, как и полярные вихри.

При наличии естественных причин разрушения озонового слоя гораздо больший вред ему наносят антропогенные факторы.

Фреон

Жизнь человека немыслима без холодильников, кондиционеров, огнетушителей. Косметические компании регулярно выпускают средства для тела и волос в аэрозольных баллончиках. Объединяет эти вещи одна составляющая — фреон.

Это насыщенный углеводород с содержанием фтора, производная метана и этана. Его используют в быту и промышленности — охлаждающие вещества в кондиционерах и холодильниках, краска в баллончиках.

Фреоны нетоксичны, но способны легко перемещаться под воздействием воздушных потоков. Таким образом, они попадают в стратосферу, где происходит их распад под воздействием ультрафиолета. Вещества, выделяемые в процессе распада, вступают в химические реакции, в результате чего начинается снижение концентрации озона.

Хлорфторуглероды считают главной причиной разрушения озонового слоя. На их распад уходит от 20 до 120 лет. Эти вещества не возвращаются на землю с кислотными дождями — они задерживаются в атмосфере и стабильно уничтожают озон.


В 1987 году несколько стран подписали Монреальский протокол. Его основная тема — запрет веществ, которые разрушают озон. В протоколе прописан их перечень. Он ограничивает производство и потребление озоноразрушающих веществ. В данный момент на многих предприятиях используются хладореагенты нового поколения, практически не влияющие на целостность озона.

Влияние авиатранспорта

Выхлопные газы воздушного транспорта вносят определенный вклад в образование озоновых дыр. Оксиды азота, которые образовываются при сгорании топлива, вступают в реакцию с озоном в стратосфере, разрушая его.

Негативное влияние на защитную оболочку планеты оказывает запуск реактивных ракетных установок. Во время запуска космического корабля в атмосфере возникает проем диаметром до 2000 км. Исчезает он только через полтора часа. В этот период нарушается целостность озонового слоя. Наиболее опасны запуски многоразовых систем, таких как Шаттл.

последствия разрушения озонового слоя


По примерным расчетам ученых, запуск 125 аналогичных ракет одновременно способен полностью разрушить озоновую оболочку. Похожее влияние на защитный слой оказывает стратосферная авиация — сверхзвуковые самолеты Они выбрасывают большое количество оксидов азота и серной кислоты. Эти вещества уничтожают озон.

Способы решения проблемы

Разрушение озонового слоя рассматривается как глобальная экологическая проблема. С момента подписания Монреальского протокола стали приниматься первые шаги по сохранению целостности защитной оболочки планеты.

Первый пункт — запрет на выброс фреонов.

Затем была утверждена Венская конвенция. Ее положения предусматривают охрану озонового слоя и предотвращение его разрушения. В них входят следующие моменты:

  • совместные исследования стран на тему того, что вызывает негативные изменения в озоновом слое;
  • регулярный контроль его состояния;
  • создание технологий, способных снизить ущерб, причиняемый озоновой оболочке;
  • строгий контроль деятельности, которая вызывает появление дыр;
  • обмен знаниями и технологиями.

Согласно протоколу, страны обязаны снизить производство фторхлоруглеродов или вовсе отказаться от него.

Серьезной проблемой стала замена фреона в холодильных установках. Разработки требовали огромных денежных вливаний, в связи с чем возник фреоновый кризис. Со временем ученые выявили вещества, которые можно безопасно использовать вместо фреона.


молнии

Существуют и другие способы, которые позволят снизить негативное влияние на защитный экран:

  • замена транспортного топлива на экологически чистые и безопасные варианты;
  • использование альтернативных источников энергии;
  • помощь природе в естественном восстановлении озона — минимизация вырубок лесов и активные посадки деревьев;
  • ручная подпитка — распыление искусственно созданного озона на специальных фабриках в верхних слоях атмосферы.

Многие кардинальные пути решения проблемы сталкиваются с препятствием в виде огромных затрат на их осуществление. Большинство разработанных и протестированных проектов откладывается на потом по причине нехватки средств.

Разрушение озонового слоя — серьезная проблема. Озоновые дыры приводят к повышению активности солнечной радиации, что негативно влияет на обитателей планеты — людей, животных, растения и микроорганизмы. При снижении концентрации озона даже на 1% резко вырастет количество заболевших раком кожи. По этой причине ученые принимают меры по сохранению целостности озоновой оболочки и разрабатывают механизмы, безопасные для экологии.


Источник: musorish.ru

Озоновый слой

Озоновый слой находится в атмосфере между 15 и 40 км. Несмотря на разброс в высотах, толщина оболочки измеряется в нескольких миллиметрах. Наиболее толстый слой над полюсами. Наименьшая концентрация на экваторе. Озоновый слой задерживает львиную долю ультрафиолетового излучения. В среднем оболочка уменьшает количество ультрафиолета в 6,5 тысяч раз.

Под действием солнечного света молекула озона распадается на молекулу и атом кислорода, таким образом, происходит поглощение опасного излучения. В присутствии третьего атома кислорода эти частицы вновь объединяются в молекулу озона. Процесс бесконечен, но может быть нарушен человеком.

Причины разрушения озонового слоя

Первые разговоры о разрушении озонового слоя были начаты в 1960–х годах. Причиной послужило уменьшение концентрации озона на 40 процентов над одной из британских арктических станций. Тогда же начались исследования причин, из-за которых это разрушение стало вообще возможным.


Авиаперевозки. Самолеты в небесах давным-давно стали нормой, но так сложилось, что именно они в процессе полета нарушают озоновый слой. Нет, машины не пробивают своими кабинами «озоновые дыры», но самолетное топливо (авиационные бензины и керосины) в процессе сгорания образуют из озона CO2. В условиях поверхности Земли углекислый газ образуется как результат горения топлива в кислородной среде. На высоте в несколько десятков километров воздух более разряжен. Вместе с кислородом в процессе горения участвует и озон.

Турбина самолета

Углерод ведет к нарушению цепочки преобразования ультрафиолета озоном. Солнечный свет подменяется атомом углерода. Получившийся в результате СО2 опускается к поверхности Земли, а в озоновом слое уменьшается концентрация образующего вещества. В 60-е годы, когда полеты еще не были столь доступны, эта проблема еще могла решаться сама собой. Но сегодня рядовой человек летает несколько раз за год, а для крупного бизнесмена или политика нормой является совершить несколько перелетов за неделю. Отказаться от столь удобного средства передвижения просто невозможно.

Косметическая промышленность. Как часто каждый человек пользуется дезодорантом, лаком для волос или освежителем воздуха? Эти вещи — залог комфорта человека.


Утончение озонового экрана озоновая

При этом они содержат все те же хлорфторуглероды, разрушающие озоновый слой. К счастью, именно этот вопрос был закрыт одним из первых. Еще в 1970 годах на монреальской конференции было принято решение найти замену хлорфторуглероду(ХФУ). Был использован пропан-бутилен, который по качественным свойствам ничем не отличался от ХФУ.

Лесные пожары. Образованный хлорный метил (CH3Cl) с восходящими потоками нагретого воздуха во время масштабных пожаров способен достигать верхней части тропосферы и входить в реакции с озоном.

Холодильные установки. В основе любого холодильного оборудования лежит фреон, который используется в качестве хладагента.

Утончение озонового экрана озоновая

Фреон — это любое вещество с низкой температурой кипения. Ведь что такое холод? Это отсутствие тепла. Хладагент забирает тепло, закипает, поступает в компрессор, где сжимается до тех пор, пока температура кипения не вырастет настолько, что газ снова перейдет в жидкость. Газ становится жидкостью с выделением тепла в атмосферу, и хладагент снова возвращается в работу. Вот именно в этом моменте и кроется основа понимания воздействия фреонов на атмосферу и озоновый слой. Фреон работает в замкнутой системе, его утечки незначительны. Попадание фреона в атмосферу возможно в трех случаях:


  1. неправильная утилизация;
  2. нарушение эксплуатации;
  3. некачественная сборка.

Сегодня запрещено использование «R 12» фреона, который оказывает особо разрушительное действие на озоновый слой. Но можно зайти с другой стороны и ввести международный контроль качества сборки и эксплуатации холодильного оборудования, следить за правильной утилизацией. В конце концов, проще не выбрасывать, чем не пользоваться.

Как фреоны воздействуют на озоновый слой?

Они разлагаются в верхних слоях атмосферы и продуктом разложения служит атомарный хлор, который ведет к нарушению цепочки преобразования ультрафиолетовых лучей озоном.

Участие хлора в разрушении озона

Озон распадается не на молекулу и атом кислорода, пригодные для дальнейшей реакции, а на оксид хлора и кислород. После этого в оксиде хлора свободные атомы кислорода, которых вокруг витает достаточное количество, заменяют хлор. В итоге после реакции образуется две молекулы кислорода и атом хлора, который продолжает разрушение озона раз за разом. Один атом способен уничтожить около 100 тысяч молекул озона.

Хлорный цикл разрушения озона.

Cl + О3 → ClO +О2

О + ClO → Cl + О2


Обычная химическая реакция поглощает огромные количества бесценного в стратосфере вещества.

Последствия разрушения, озоновые дыры

Результатом разрушения озонового слоя являются так называемые озоновые дыры. Это не в прямом смысле отверстие в оболочке – просто место, где концентрация озона сильно снижена. Самое страшное, что такие явления являются блуждающими и механизм их возникновения непонятен.

Над Австралией регулярно в летнее время возникает озоновая дыра, которая сопровождается вспышками раковых заболеваний. Но раковые заболевания это далеко не весь список негативных эффектов:

  • Из-за увеличения количества солнечных лучей на листьях растений и деревьев станут возникать ожоги, растительность не сможет больше компенсировать поступление CO2. Это значительно увеличит скорость развития парникового эффекта.
  • Верхние слои почвы начнут высыхать, а значит в новых условиях станет невозможным земледелие, которое является основной возможностью человечества к пропитанию.
  • Значительно увеличится радиационный фон планеты, а значит в разы увеличится риск заболеть лучевой болезнью.

В совокупности все эти факторы способны уничтожить не только человечество, но и Землю в целом.

Кислотные дожди

Кислотные дожди вызывают примерно те же выбросы парниковых газов, что способствуют развитию озоновых дыр.

 

Схема возникновения кислотных дождей

Хлорфторуглероды, распадаясь оставляют углерод, который соединяясь с водой образует угольную кислоту, хотя она оказывает лишь малую долю влияния на образование кислотных дождей. Основную роль играют выбросы азота и серы. Они образуются в результате сжигания топлива. Сера в качестве загрязнения присутствует примерно в 70 процентах топлива, угля и нефти, сжигаемой на планете. Азот и сера, соединяясь с кислородом в атмосфере образуют сначала оксиды, а потом соединяясь уже с водой кислоты, которые и выпадают в осадок в виде дождя.

Чем это грозит человечеству? Изменением условий существования. Баланс необходим и в окружающих веществах. Вся природа заточена под существование в нейтральной среде и рост кислотности дождевой воды приведет к изменению состава грунта, а значит изменению всего биологического сообщества Земли. Конкретно для человека это означает изменение условий земледелия. Все многовековые труды по разработке методик севооборота пойдут прахом, и мы снова вернемся к подсечно-огневому методу. И это при положительном развитии событий, поскольку кислотные дожди обжигают не привыкшие к ним листья, и неизвестно сколько еще литров отравленной воды вынесет то или иное растение.

Земля после кислотных дождей

Иммунитет человека тоже не в восторге от такого изменения состава дождя. Только в России из-за таких осадков почти вдвое увеличилось количество заболевающих астмой. А это новый рост промышленности, только связанный уже с медикаментами.

Токсичные туманы

Еще один результат постоянного загрязнения атмосферы — это токсические туманы или смог. Впервые появившийся в Лондоне 20 века смог содержал большое количество взвешенных частиц угля, сажи и серы. За 5 дней значительно увеличилось количество смертей от сердечно-сосудистых и респираторных заболеваний. Нужно отметить, что состав загрязнений стал куда более изощренным.

Токсичный туман в лондоне

Сегодня смог можно увидеть в Нью-Йорке, Лондоне, Осаке или Пекине. Возникает это явление как следствие большого числа заводов, сосредоточенных в одном месте. Чем это грозит? Нарушением процессов обмена веществ в организме. К сожалению, раковые, респираторные и сердечно-сосудистые заболевания — это лишь часть картины.

В Китае в результате индустриализации в относительно короткие сроки, смог стал достаточно частым явлением. Над Пекином вообще каждое лето держится туман из выбросов, который сопровождается ухудшение качества воды. Все это привело к росту популярности процедуры кесарева сечения. Из-за нарушения обмена веществ в организме женщины центральной части страны вынуждены вынашивать ребенка до 12 месяцев в ожидании естественных родов.

Правительство Китая борется за чистоту города, много заводов покинули столицу, но когда это скажется на экологической ситуации непонятно.

Читайте также: Глобальное потепление климата.

Заключение

В итоге, проблему выбросов веществ в атмосферу и нарушение цикла круговорота веществ в природе нельзя рассматривать только как парниковый эффект или озоновые дыры.

Парниковый эффект и разрушение озонового слоя

Ситуацию нужно оценивать комплексно и решаться специалистами со всего мира. Отдельное воздействие озоновых дыр или кислотных дождей человечество еще могло бы пережить, но комплекс глобальных проблем экологии и разрушения озонового слоя приведет к гибели всей планеты. Нет такого завода, который выбрасывал бы только одно загрязняющее вещество. На любом производстве в атмосферу выбрасывается целый комплекс загрязняющих веществ, выбрасывающих целый комплекс веществ, которые ведут за собой такой же обширный комплекс последствий. Поэтому и проблему нужно затрагивать на всех уровнях: от бытового до международного.

Источник: UglekislyGaz.ru

Озоновый слой — это тонкий газовый слой О3 в верхних слоях атмосферы (от 12 до 45 км от поверхности Земли), который защищает поверхность Земли от разрушительного эффекта солнечных ультрафиолетовых лучей. Он поглощает около 99% направленных на землю ультрафиолетовых солнечных лучей, которые в больших количествах губительны для живых организмов (интенсивно разрушают молекулы белков и ДНК). Таким образом, озоновый слой для биосферы выполняет роль защитного экрана.

Воздействие усилившейся ультрафиолетовой радиации на поверхность Земли приводит к:

§ рак кожи;

§ катаракта глаз;

§ наносит непредсказуемый ущерб растениям, водорослям (особенно, фитопланктону), пищевым цепям и глобальной экосистеме.

Наибольшая плотность озона встречается на высоте 20 км, наибольшая часть в общем объёме — на высоте до 40 км. 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.

Описание сущности проблемы. В 1985 г. специалисты из Британской Антарктической Службы исследования атмосферы 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%. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный Самолетный Антарктический Озонный Эксперимент. Ходе ученые из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные данные о ее размерах и химические процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере озоновая "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 снижение уровня озона в ней было не такое существенное — около 9%. В среднем на Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упал на 5%. Были отмечены небольшие «дыры» над Канадой, Скандинавией, Великобританией, Якутией.

Европейское космическое агентство (EKA):

2006 г — площадь озоновый дыры над Южным полюсом достигла 29,5 миллиона квадратных километров, говорится в сообщении, в котором описываются данные, полученные со спутника Envisat.

2007 г – 25,

2008 г – 27,

2010 г. По данным учёных ООН озоновый слой нашей планеты перестал сокращаться и даже более того может восстановиться до уровня 1980 года к 2045-2060 годам. Самая обширная озоновая дыра над Антарктидой (достигающая максимума в период антарктической весны) исчезнет только к 2073 году.



Считается, что началу восстановления озонового слоя Земли способствовало подписание Монреальского протокола в 1987 году, который наложил запрет на производство и использование многих озоноразрушающих химических веществ. В 1987 году 36 стран мира, в том числе и Россия (СССР), подписали документ, согласно которому страны-участники должны ограничить и полностью прекратить производство озоноразрушающих веществ. Согласно этим соглашениям, промышленно развитые страны запрещают производство и продажу хлорфторуглеродных веществ, истощающих озоновый слой. Развивающиеся страны должны прекратить их производство к 2010 году.

В рамках Монреальского протокола удалось запретить производство и потребление 100 видов химикатов, разрушающих озоновый слой. Многие из этих веществ способствуют глобальному потеплению. В целом, мировое потребление таких соединений сократилось более чем на 95%.

Что было бы если это соглашение принято не было? НАСА опубликовала прогноз, того что стало бы в этом случае с нашим озоновым слоем в будущем. В 2009 году толщина озонового слоя почти на всей планете составила бы 300 единиц Добсона[4]. В 2020 году озоновый слой планеты уменьшился бы до 220 единиц Добсона (как сейчас в Арктике и Антарктике). В 2040 году толщина озонового слоя уменьшилась бы до 15 единиц Добсона (10, считается критическим). К чему бы это привело? Озоновый слой — это эффективный барьер на пути смертоносных ультрафиолетовых лучей Солнца. При толщине озонового слоя, равному 15 единиц Добсона многие виды живых организмов попросту бы исчезли с лица Земли, а человек был бы вынужден вести ночной образ жизни.

Механизм образования, а также расходования озона, был предложен Сиднеем Чэпманом в 1930 году и носит его имя. Реакции образования озона:

О2 + hν → 2О*

О2 + O* → О3

Фотолиз молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны 175—200 нм и до 242 нм. Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом:

О3 + hν → О2 + О*

О3 + O* → 2О2

В 1970-х годах ученые установили, что озон активно разрушается, катализатором чему выступают атомы хлора (Cl). Кроме реакций, входящих в механизм Чэпмана, имеется целый ряд других реакций, приводящих к гибели озона. Их все объединяют в несколько семейств, главными из которых является азотное, кислородное (из механизма Чэпмана), водородное и галогеновое. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами. Азотный цикл (NOx):

N2O + O* → 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

Основной причиной разрушения озонового слоя считают массовое использование хлорфторуглеродов (ХФУ), иначе фреонов, в том числе в хладоустановках, при производстве пористых пластмасс, в электронной промышленности для очистки компьютерных микросхем, в аэрозолях. Фреоны были искусственно синтезированы в 20-х годах, имели ряд выгодных свойств: дешевы, инертны, относительно безвредны, не взрывоопасны, можно широко использовать в соответствующих областях. В связи с этим очень широко использовались многие годы. Но при попадании в верхние слои атмосферы (стратосферу) ХФУ под действием солнечных лучей разрушаются с выделением атомов F и Cl, а последний активно катализирует разрушение озона, так, один атом Cl разрушает около 100 000 молекул озона.

Дополнительной причиной считают выбросы продуктов сгорания высотной авиацией и космической техникой. По данным НАСА, один запуск корабля типа «Шаттл» «гасит» не менее 10 млн.т. озона. В целом этот вид воздействия приводит к разрушению 10 % озонового слоя планеты.

По данным «Гринпис» основными поставщиками О3-разрушающих веществ в атмосферу являются: США 30,9 %, Япония – 12,4 %, Великобритания – 8,6 % и Россия – 8,0 %.

Истончение озонового экрана приводит к возрастанию случаев рака кожи у людей (только в США ежегодно регистрируют до 600 000 случаев этого заболевания). Появление озоновых «дыр» может привести к гибели массы различных организмов с вытекающими катастрофическими последствиями для экосистем и в целом биосферы. Это может привести к гибели фитопланктона в океане, появлению растений-мутантов, к нарушению глобального баланса диоксида углерода и кислорода.

По данным ВОЗ уменьшение содержания в атмосфере озона на 1 % приводит к увеличению кожных раковых заболеваний у людей на 6 %. Также происходит угнетение иммунной системы человека.

Источник: studopedia.su

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 проостирается 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, окружащий 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 длиныой волны <280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б с 280<<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 -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 осбенности 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 поулярность 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 накодится в основании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому без приувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чуствительны к жесткому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они. Если содержание озона в атмосфере значительно уменьшится, челвечество легко найдет способ защититься от жесткого УФ излучения но при этом рискует умереть от голода.

Природа и значение озонового экрана

Вредным последствием выброса парниковых газов в атмосферу является разрушение ими озонового слоя – своеобразного щита от «жёстких» солнечных лучей. Дело в том, что наряду с видимым светом Солнце излучает ультрафиолетовые волны. Ультрафиолетовое излучение похоже на световое, но длина его волн несколько короче, чем у фиолетовых волн, самых коротковолновых из воспринимаемых глазом человека. Хотя ультрафиолетовые лучи невидимы, они обладают большей энергией, чем видимые. Проникая сквозь атмосферу и поглощаясь тканями живых организмов, они разрушают молекулы белков и ДНК. Именно это происходит, когда вы загораете. Если бы всё ультрафиолетовое излучение, попадающее на верхние слои атмосферы, достигало поверхности Земли, то вряд ли на ней сохранилась бы жизнь; все растения и животные просто «зажарились» бы. Даже небольшая, доступная нам часть этого количества (менее 1%) вызывает загар и ежегодно 200 000-600 000 случаев рака кожи в США.

Мы защищены от агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения, так как большая его часть (свыше 99%) поглощается слоем озона в стратосфере на высоте около 25 километров от поверхности земли. Этот слой обычно называют озоновым экраном. Необходимость его сохранения не требует доказательств. Однако некоторые антропогенные вещества, в частности парниковые газы, его разрушают.

Формирование и разрушение озонового слоя

Образование озона описывается уравнением реакцииO2+OO3

Необходимый для этой реакции атомарный кислород выше уровня 20 км образуется при расщеплении кислорода  под действием ультрафилетового излучения с <240 нм

O2+h02O

Ниже этого уровня такие фотоны почти не проникают, и атомы кислорода образуются, в основном, при фотодиссоциации двуокиси азота

NO2+h0NO+O

фотонами мягкого ультрафилета с <400 нм.

Разрушение молекул озона прооисходит при их попадании на частицы аэрозолей или на поверхность земли, но основной сток озона определяют циклы каталитических реакций в газовой фазе:

O3+YYO+O2

YO+OY+O2

где Y=NO, OH, Cl, Br

Впервые мысль об опасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х годов, тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона предтставляют выбросы водяного пара и оксидов азота (NOх) из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов и ракет. Однако, сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только “Конкорд”, совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, из военных самолетов в стратосфере летают практически только сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как B1-B или Ту-160 и разведывательные самолеты типа SR-71. Такая нагрузка вряд ли представляет серьезную угрозу для озонного слоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобрений также представляет определенную опасность для озонного слоя, но оксиды азота нестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Запуски ракет также происходят не очень часто, впрочем, хлоратные твердые топлива используемые в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях “Спейс-Шаттл” или “Ариан”, могут наносить серьезный локальный ущерб озонному слою в районе запуска.

В 1974 г. М. Молина и Ф. Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что хлорфторуглероды (ХФУ) могут вызывать разрушение озона. Начиная с этого времени так называемая хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодиьниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков.

Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит не токсичны. Как это ни пародоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и в конце концов проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ , которые распадаются на компоненты обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. Таким образом ХФУ переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическом случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие уже попавших в атосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых ХФУ фреон-11 (CFCl 2) и фреон-12 (CF2Cl2) составляет 75 и 100 лет соответственно.

Оксиды азота способны разрушать озон, однако, они могут реагировать и с хлором. Например:

O3+ClClO+O2

ClO+NONO2+Cl

NO2NO+O

O2+OO3

в ходе этой реакции содержание озона не меняется. Более важной является другая реакция:

ClO+NO2ClONO2

образующийся в ее ходе хлористый нитрозил является так называемым резервуаром хлора. Содержащийся в нем хлор неактивен и не может вступить в реакцию с озоном. В конце концов такая молекула-резервуар может поглотить фотон или вступить в реакцию с какой-нибудь другой молекулой и высвободить хлор, но она также может покинуть стратосферу. Расчеты показывают, что если бы в стратосфере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бы намного быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлористый водород HCl, образующийся при реакции атомарного хлора и метана СH4.

Интересно, что озон в стратосфере – это продукт воздействия самого ультрафиолета (УФ) на молекулы кислорода (О2). В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона (О3). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы О, реагируя с молекулами озона, дают две молекулы О2. Таким образом, количество озона в стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между этими двумя реакциями. Однако в 1970-е годы учёные предположили, что свободные атомы хлора катализируют процесс разделения озона. А люди ежегодно пополняют состав атмосферы свободным хлором и прочими вредными веществами. Причём относительно небольшое их количество может наносить значительный ущерб озоновому экрану, причём это влияние буде продолжаться неопределённо долго, так как атомы хлора, например, покидают стратосферу очень медленно.

Источники атомов хлора, поступающих в атмосферу

Большая часть хлора, используемая на земле, например, для очистки воды, представлена его растворимыми в воде соединениями ионами. Следовательно, ни вымываются из атмосферы осадками задолго до того, как попасть в стратосферу. Хлорфторуглероды (ХФУ) не вымываются из атмосферы и, продолжая распространяться в ней, достигают стратосферы. Там они могут разлагаться, высвобождая атомарный хлор, который собственно и разрушает озон. Таким образом, ХФУ наносят ущерб, выступая в роли переносчиков атомов хлора в стратосферу.[1]

Хлорфторуглероды относительно инертны химически, негорючи и ядовиты. Более того, будучи газами при комнатной температуре, они ожигаются при небольшом давлении в выделением тепла, а испаряясь, вновь его поглощают и охлаждаются. Эти свойства позволили применять их в следующих целях:

  • Хлорфторуглероды используются практически во всех холодильниках, кондиционерах воздуха и тепловых насосах как хлорагенты. Поскольку эти приспособления рано или поздно ломаются и выбрасываются, содержащиеся в них ХФУ обычно попадают в атмосферу.
  • Вторая важнейшая область их применения – производство пористых пластмасс. ХФУ подмешивают в жидкие пластмассы при повышенном давлении (они растворимы в органических веществах). Когда давление понижают, они вспенивают пластмассу, как углекислый газ вспенивает содовую воду. И при этом улетучиваются в атмосферу.
  • Третья основная область их применения – электронная промышленность, а именно очистка компьютерных микросхем, которая должна быть весьма тщательной. И опять же, хлорфторуглероды попадают в атмосферу. Наконец, в большинстве стран, кроме США их, до сих пор используют как носители в аэрозольных баллончиках, которые распыляют их в воздухе.

«Озоновые дыры» и их влияние

Вскоре после появления в начале 1970-х годов гипотезы о связи ХФУ с озоном, в некоторых развитых странах запретили их использование в аэрозольных баллончиках, но подавляющее большинство стран их примеру не последовало. Не отказались и от использования ХФУ в других целях. Следовательно, выпуск и использование ХФУ во всём мире продолжали расти, а так как последующие анализы показали относительно небольшое уменьшение содержания озона в стратосфере (1-2%), вплоть до 1985 года на это обращалось мало внимания. Однако осенью 1985 года спутниковые наблюдения обнаружили «дыру» в озоновом экране над Южным полюсом. На территории, равной по площади США, содержание озона сократилось на 50 % (!). ранее предполагалось, что потери озона (сдвиг равновесия) будут происходить медленно, постепенно и равномерно над всей Землёй. Дыра появилась неожиданно, и возникни она не над полюсом, а в другом месте, воздействие УФ привело бы к катастрофе.

Если бы к проблеме отнеслись более серьёзно с самого начала, всё было бы проще. Она стала бы предупреждением о том, что пассивно ждать развития событий очень опасно. Серьёзные нарушения биосферы могут происходить катастрофически, внезапно. В 1987 году озоновая дыра была больше, чем когда-либо. Учёные оказались бессильны предугадать то, что они узнали впоследствии: частицы облаков, формирующиеся при очень низких температурах, стимулируют высвобождение атомов хлора из ХФУ. Таким образом, во время холодной антарктической зимы, накапливается большое их количество, а затем весеннее солнце приводит к разрушению озона активным хлором.

В феврале 1989 года ученые исследовали стратосферу над Арктикой и обнаружили присутствие тех же самых химических факторов. Они пришли к выводу, что и тут содержание озона может резко сократиться. Это будет зависеть только от конкретных погодных условий очередного года. Если над Арктикой образуется озоновая дыра, то последствия будут гораздо более серьёзными, т.к. там гораздо больше организмов, которые могут пострадать. Даже периодическое раскрытие такой дыры над Антарктидой чревато значительными потерями морского фитопланктона. А это, в свою очередь, сильно повлияет практически на всех антарктических животных от пингвинов до китов, так как фитопланктон – основа почти всех пищевых цепей данного региона. Если нынешние выбросы ХФУ в атмосферу сохранятся, то можно ожидать лишь расширения и «углубления» озоновых дыр над полюсами. Естественно, это повлечёт за собой разрежение озонового слоя над всей планетой, что совершенно недопустимо как для животного мира, так и для всего человечества в целом.[2]

Достигнутые ограничения выбросов ХФУ в мире.

Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. В сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали в Монреале конвенцию, обязывающую их снизить потребление ХФУ. Согласно достигнутой договоренности развитые страны должны к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Для испоьзования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ – пропан-бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками – вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена.

Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях – на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов – концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.

Некоторые прогнозы выбросов ХФУ в будущем

Вместе с тем, ранние прогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровня выброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упасть вдвое, возможно были слишком пессемистичны. Во-первых, дыра над Антарктидой во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широта. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -80Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Все это говорит о том, что ХФУ способны вызвать звметрое понижение концетрации озона только в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах, концентрация активного хлора должна быть намного выше. Во-вторых, при разрушении озонного слоя жесткий ультрафиолет начнет проникать глубже в атмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему, но только немного ниже, в области с большим содержанием кислорода. Правда, в этом случае озонный слой будет в большей степени подвержен действию атмосферной циркуляции.

Хотя первые мрачные оценки были пересмотрены, это ни в коем случае не означает, что проблемы нет. Скорее стало ясно, что нет немедленной серьезной опасности. Даже наиболее оптимистичные оценки предсказывают при современном уровне выброса ХФУ в атмосферу серьезные биосферные нарушения во второй половине XXI в., поэтому сокращать использование ХФУ по прежнему необходимо.

Вывод

Для борьбы за сохранение озонового экрана созывались множество различных конференций и симпозиумов, в результате которых были достигнуты определённые соглашения в области сокращения вредных производств. В частности, на встрече в Хельсинки в 1989 году было намечено полностью отказаться от использования в производстве хлорфторуглеродов к 2000 году. Однако проблема не так проста как может показаться на первый взгляд. Дело в том, что в уже выпущенных холодильниках и кондиционерах накоплено слишком много ХФУ: по мере их обычного выхода из строя количество вредных газов в атмосфере будет продолжать увеличиваться ещё многие годы даже в случае полного и немедленного запрещения производства. Поэтому помимо всех прочих мер необходимо последить за экологически чистой утилизацией отживших своё холодильников и кондиционеров.

Полностью остановить потепление невозможно – тем более, что оно совпало с природным циклом потепления, которое тоже происходит сейчас. Но предельно минимизировать процесс – вещь вполне реальная, и в мире много делается для этого. Большинство промышленных стран подписали соглашения о сокращении выбросов. Украина сократила их радикально, поскольку немало заводов стоит. Но очень много надо еще сделать в сфере реорганизации энергетики, промышленности и транспорта.

Мировая промышленность и транспортные средства настолько зависят от ископаемого топлива, что в обозримом будущем обильное поступление углекислого газа в атмосферу неизбежно. Однако существуют способы его уменьшить и со временем достичь равновесного состояния последней. Наиболее перспективны следующие:

  • увеличение к.п.д. использования горючего на транспорте и другие типы экономии энергии, так как производство её почти полностью основано на сжигании топлива;
  • разработка и внедрение солнечных и других бестопливных источников энергии;
  • прекращение сведения лесов, особенно тропических;
  • установка на промышленных предприятиях дополнительных фильтров для минимизации выброса в атмосферу вредных газов;
  • организация и поддержка кампаний по посадке деревьев.

Все эти действия способствуют решению и других природоохранительных задач. Энергосбережение и развитие альтернативных способов производства энергии ведут к сужению загрязнения. Посадка деревьев и уход за ними – метод охраны почв и ресурсов, а так же поддержания видового разнообразия живого. Всё это необходимо, если мы стремимся к устойчивости биосферы.

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 булет воздействовать на биосферу. Однако в случае с ХФУ такая возможность была: все химические реакции, описывающие процесс разрушения озона ХФУ крайне просты и известныдовольно давно. Но даже после того, как проблема ХФУ была в 1974 г. сформулирована, едиственнной страной, принявшей какие-либо меры по сокращению производства ХФУ были США и меры эти были совершенно недостаточны. Потребовалась достаточно серьезная демонстрация опасности ХФУ для того, чтобы были принияты серьезные меры в мировом масштабе. Следует заметить, что даже после обнаружения озонной дыры, ратифицирование Монреальской конвенции одно время находилось под угрозой. Быть может, проблема ХФУ научит с большим вниманием и опаской отноститься ко всем веществам, попадающим в биосферу в результате деятельности человечества.

Источник: baribar.kz


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.