Проблемы стратосферного озона

Министерство образования и науки Российской Федерации Волгоградский Государственный Университет Юридический Факультет

Реферат

По дисциплине: Концепция современного естествознания Тема: Проблемы стратосферного озона

Волгоград 2009

• Введение
• 1. Атмосфера и ее строение
• 2. Химические и биологические особенности озона
• 3. Условия образования и защитная роль озонового слоя
• 4. Химические процессы в тропосфере
• 5. Причины образования «озоновой дыры»
• 6. Пути решения проблем
• Литература

С возникновением человеческой цивилизации появился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. наших современников оказывают на природу такое же по масштабам воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек.

С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширялся объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.

Атмосфера в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает состояние воздушного пространства нашей планеты. В настоящее время существует 3 основные глобальные экологические проблемы атмосферы: глобальное потепление или «парниковый эффект», кислотные дожди и разрушение озонового слоя.

Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты, а реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.

Целью настоящей работы явилось обобщение литературных данных о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования «озоновых дыр» .

1. Атмосфера и ее строение

Атмосфемра (от. др. — греч. ?фмьт — пар и уцб? сб — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся один от другого по температурным и иным условиям. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10−15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около — 23° на северном полюсе. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0,6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5−8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.

Над тропосферой до высоты 50−55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1−2 км) носит название тропопаузы.

Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.

Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20−25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше. С этой точки зрения она может быть названа озоносферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном.

Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75−90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.

Рис.1. Строение атмосферы

На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха.

Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть — экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен.

Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100−400 км — порядка 10¹⁵-10⁶ на кубический сантиметр.

Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.

Атмосферные слои выше 800−1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000;3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.

С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности.

Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц — протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия — порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.

2. Химические и биологические особенности озона

Озон является аллотропной модификацией кислорода. Его молекула диамогнитна (в отличие от парамагнитной О₂₎, имеет угловую форму, связь в молекулу является делокализованной трехцентровой, предполагается также донорно-акцепторный механизм образования химических связей в озоне. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О₃ — >3О₂) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов:

RH+ О₃ RО₂ +OH

Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в атмосфере, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому, озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны — 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.

3. Условия образования и защитная роль озонового слоя

Известно, что основная часть природного озона сосредоточена в стратосфере на высоте от 15 до 50 км над поверхностью Земли. Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода

(О₂ — > О₃).

Больше всего озона в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км, который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако общее его количество в стратосфере достигает очень внушительной цифры — более 3 млрд. тонн. Образование озона из обычного двухатомного кислорода требует довольно большой энергии — почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция — взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:

О₂ + О=О₃.

Атомарный кислород — еще более насыщенное энергией вещество — образуется при электрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере появляется под действием постоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения Солнца:

Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием, поэтому усредненная концентрация озона в течение длительного времени оставалась постоянной. Процесс образования и разложение озона называют циклом Чемпена. Результатом процессов в цикле является переход солнечной энергии в теплоту. Озоновый цикл ответственен за повышение температуры на высоте 15 км.

Защитная роль озонового слоя. Озон поглощает часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200−300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.

4. Химические процессы в тропосфере

В химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH — радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона:

O₃+h=O₂+O

O+_H2O=OH+OH

В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:

NO₂+ h (L<400нм) =NO+O

O+O₂=O₃

О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении:

O₃+NO=NO₂+O₂

O₃+NO₂=NO₃+O2

В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды:

Н₂ О+h=H+OH

H₂ O+O=2OH

Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения

HNO₂, HNO₃, H₂O₂

HNO₂+h (L<400нм) =NO+OH

HNO₃+h (L<330нм) =NO₂+OH

H₂O₂+h (L<330нм) =2OH

В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:

RH+OH=HOH+R

R+O₂=RO₂

RO₂+HOH=ROOH+OH

Наиболее типичным и основным по массе органическим загрязнителем атмосферы является CH₄. Окисление CH₄ под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:

ОН+СН₄=Н₂О +СН₃

СН₃+О₂=СН₃ О₂

СН₃ О₂+NО=СН₃ О+NО₂

СН₃ О+О₂=СН₂ О+НО₂

В результате реакция окисления СН₄ в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300−400нм запишется в виде:

СН₄+4О₂=СН₂ О+Н₂ О+2О₃

т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О₃, а рост утечки СН₄ многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О₃ по сравнению с переносом О₃ из стратосферы.

Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.

Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.

ОН+СН₂ О=Н₂ О+НСО

НСО+О₂=НО₂+СО

5. Причины образования «озоновой дыры»

Летом и весной концентрация озона повышается; над полярными областями она всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980;х гг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получило название «озоновая дыра» (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не было) и стало внимательно исследоваться.

Позднее, в 1990;е гг., такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. Феномен Антарктической «озоновой дыры» пока не понятен: то ли «дыра» возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс.

Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что причина нежелательного явления — реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны — хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора.

Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (в России их поэтому называют «хладонами»), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные — для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т.

Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным «нарушителем порядка» в озоновом слое.

CF₂ Cl₂=CF₂ Cl+Cl

Последующие реакции CF₂ Cl с О₂ и h приводят к отщеплению второго атома хлора.

Хлор «съедает» и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:

О₃ + Сl = О₂ + ClO

СlO + O = Cl + O₂

Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.

Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990;х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.

Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ.

Венская конвенция. В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.

Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:

разрушение озонового слоя окисями азота — соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету;

О₃+NО NО₃+О₂

воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон;

разрушение озона соединениями хлора.

В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.

Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии:

Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды:

2NО+О₂ = 2NО₂

О₂+NО₂ = NО₃+О₂

NО₃+NО₂ = N₂ О₅

N₂ О₅+Н₂ О = 2НNО₃

Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N₂+О₂ 2NО Источником NО в стратосфере служит также газ N₂ О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения:

N₂ О+h (230нм) = N2+О

N₂ O+O = 2NO

Разрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям:

N₂ О+h (250нм) = N₂+О

N₂ O+O = N₂+O₂

6. Пути решения проблем

Чтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся.

Также мы — все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги.

Для восстановления озонового слоя его нужно подпитывать. Сначала с этой целью предполагалось создать несколько наземных озоновых фабрик и на грузовых самолетах «забрасывать» озон в верхние слои атмосферы. Однако этот проект (вероятно, он был первым проектом «лечения» планеты) не осуществлен.

Иной путь предлагает российский консорциум «Интерозон»: производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой «Даза» планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода.

Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции «Мир» и создать на высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта.

У этого проекта был предшественник — американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для «звездных войн» .

Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете.

Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо:

расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;

провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами;

создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;

провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей;

организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.

1. Глинка Н. Л. Общая химия. Издательство «химия». 1990 г.

2. Гусакова Н. В. Химия окружающей среды, Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с.

3. Лавров С. Б. Глобальная проблема современности. Санкт-Петербург, 1995 г.

4. Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. М.: Мысль, 1985 г.