Озоносфера и ее значение в функционировании климатической системы

Курсовая работа

" Озоносфера — ее значение в функционировании климатической системы"

Целью работы является описание озоносферы — важнейшей составной части атмосферы, влияющей на климат и защищающей все

живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, является озоносфера. Курсовая работа разделена на 6 глав. Главы харрактеризуют значение, процессы образования, функции озоносферы, ее влияние на человека.

Озоносфера отражает жесткое ультрафиолетовое излучение, защищает живые организмы от губительного действия радиации. Именно благодаря образованию озона из кислорода воздуха стала возможна жизнь на суше.

XX век принес человечеству немало благ, связанных с бурным развитием научно-технического прогресса, и в то же время поставил жизнь на Земле на грань экологической катастрофы.

В ряду тревожных проблем — сдвиги в мировом климате, истощение лесных, почвенных и водных ресурсов, прогрессирующее опустошение планеты — находится и проблема разрушения озонового слоя. Возможно, что антарктический озон является предвестником глобальных изменений в озоносфере. Проблемы возникают в результате такого взаимодействия природы и человека, при котором антропогенная нагрузка на территорию превышает экологические возможности этой территории, обусловленные главным образом ее природно-ресурсным потенциалом и общей устойчивостью природных ландшафтов (комплексов, геосистем) к антропогенным воздействиям.

У многих людей возникают вопросы, связанные с тематикой озоносферы: Что такое озон? Почему важен озон в атмосфере Земли? Почему мы говорим про «озоновый слой»? Эти и многие другие вопросы будут рассмотрены в данной курсовой работе.

Объектом исследования данной курсовой работы является озоносфера. Предметом исследования является значение озоносферы в функционировании климатической системы.

Теоретической основой курсовой работы послужили литературные источники, представленные в списке литературы, а так же графические данные, полученные из электронных ресурсов.

1. Озон, процессы образования

Озоносфера (греч. ozo — пахну и sphaira — шар) распространяется в пределах тропосферы, стратосферы и мезосферы до высоты 70 км. Озоносфера имеет огромное климатическое значение. Однако климатическая роль озона в каждой сфере разная. Стратосферный озон сохраняет все живое от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, поглощая волны с длиной короче 0,29 мкм. В тропосфере озон образуется в результате антропогенного загрязнения воздуха и отрицательно воздействует на здоровье людей. В мезосфере озон участвует в образовании ионосферы. Образование озонового слоя на Земле по современным данным датируется 570−400 млн. лет тому назад. Озон (0₃) — трехатомный кислород, возникающий в результате расщепления молекул обычного кислорода (0₂) и перераспределения его атомов.

Озон, водяной пар и углекислый газ, совместно, образуют парниковый эффект атмосферы. Озон поглощает инфракрасное излучение Земли (9,6 мкм). Увеличение количества озона в тропосфере усиливает парниковый эффект и способствует повышению температуры воздуха. В озоновом слое находится почти 90% от всего мирового озона, и максимальное количество молекул озона в стратосфере, где концентрация озона самая большая, количество озона составляет 12 000 озоновых молекул на каждый 1 000 000 000 молекул воздуха (в т.ч., кислорода и азота).

Концентрация озона в атмосфере незначительна. Если весь озон осадить около поверхности Земли при нормальном давлении, то толщина слоя составит лишь 2 — 3 мм. Плотность озона распределяется неравномерно как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

В среднем наибольшая плотность озона наблюдается на высотах 20 — 25 км (рис. 1.1). Однако высота максимальной плотности озона зависит от широты и циркуляции атмосферы. В тропиках слой максимальной плотности О₃ располагается наиболее высоко и находится на высоте 25 — 30 км. Максимум содержания озона приходится на весну, минимум — на осень, причем годовая амплитуда возрастает с широтой. Слой озона (озоновый экран) задерживает большую часть космического излучения. Во внутритропической зоне конвергенции, где сходятся и поднимаются пассаты, наблюдается тонкий с пониженной плотностью слой озона. Это объясняется тем, что при восходящих движениях воздуха, озон попадает в область быстрого распада (25−30 км), где он погибает под воздействием ультрафиолетового излучения. В умеренных широтах слой с максимальной концентрацией озона понижается до высоты 15 — 20 км, а в полярных — опускается до 13 — 15 км. Однако в полярных широтах отмечается наибольшая концентрация озона и ее сезонные колебания. Увеличению концентрации озона в полярных широтах способствуют нисходящие движения (погружение) воздуха. Ниже стратосфере озон сохраняется от разрушения. Количество озона, которое присутствует в стратосфере, уравновешивается главным образом химическими реакциями разрушения озона, в основе которых находится способность различных химических веществ связать какую-либо из молекул озона с тремя атомами кислорода. Однако часть молекул стратосферического озона может и передвигаться по более низким слоям атмосферы и таким образом увеличивать концентрацию т.н. приземного озона (особенно, в сравнительно незагрязненных регионах Земли).

В тропосфере озон образуется в основном во время гроз и при окислении ряда органических веществ. В свою очередь, количество озона в тропосфере составляет только 20−100 молекул озона на каждый 1 000 000 000 молекул воздуха. Если собрать вместе все молекулы озона — из тропосферы, стратосферы и мезосферы, и равномерно расположить их вокруг Земли, толщина общего слоя озоновых молекул будет меньше 5 мм.

В стратосфере образование озона осуществляется за счет диссоциации (распада) молекулы кислорода на отдельные атомы: О: О₂ = О + О. Распад молекулы О₂ происходит под воздействием ультрафиолетовых лучей Солнца с длинами волн от 0,18 до 0,24 мкм. Возникшие атомы кислорода О соединяются с молекулярным кислородом О₂ и образуют молекулу озона О₃:О + О₂ = О₃. Молекула озона гораздо менее устойчива, чем молекулярного кислорода, между ними существует обратимое равновесие. Часть обычных, двухатомных молекул превращается в молекулы озона, в то же самое время озон превращается в молекулярный кислород. Однако, как говорят химики, «равновесие реакции O₂ — O₃ практически полностью сдвинуто влево», это означает, что в озон превращается лишь очень незначительная часть молекулярного кислорода. Сам по себе молекулярный кислород превращается в озон в количествах, настолько малых, что это превращение можно даже практически не учитывать.

Образование (и разрушение, при отсутствии других химических веществ) озона описывается химическими уравнениями цикла Чепмена (цикл назван так в честь химика С. Чепмена, который описал его в 1930;м году). Опуская уравнения реакций, достаточно сказать, что озон образуется при взаимодействии молекулярного кислорода, атомарного (т.е. разлетевшейся на атомы молекулы O₂ или O₃) и посторонней частицы, способной отводить энергию реакции. Атомарный кислород образуется из молекул молекулярного кислорода и озона в результате «обстрела» их жёстким коротковолновым солнечным излучением. Образующийся атомарный кислород взаимодействует с молекулярным (при этом образуется озон), друг с другом (при этом получается молекулярный кислород) и с озоном (при этом тоже образуется молекулярный кислород). Таким образом, для того, чтобы образовывался озон, нужно несколько условий: а) какое-то воздействие должно «ломать» молекулярный кислород или озон с получением атомарного кислорода; б) в воздухе должно быть достаточно молекулярного кислорода. Именно эти факторы определяют возникновение озонового слоя — в самых высоких слоях атмосферы практически весь кислород, разбитый потоком жёсткого излучения, существует в атомарной форме. Атомарному кислороду «не найти» молекулы кислорода, чтобы соединиться с ней, образовав озон.

Стратосферный озон разрушается в результате антропогенного загрязнения атмосферы окислами азота, водорода, хлора, метана, фреоном. Озон обладает высокой окислительной активностью и легко вступает в химические соединения с другими веществами. Примеры химических реакций, которые уничтожают озон:

NO + O₃ = NO₂ + O₂ НО₂ + О = ОН + О₂

Cl + O₃ = ClO + O₂ ClO + O= Cl + O₂

ОН + О₃ = НО₂ + О₂NO₂ + O = NO + O₂

Рассмотрим эти реакции. Обратим внимание на их левые части. Видим, что молекулы окислов азота, водорода и хлора гибнут, а в правой части этих реакций появились молекулы этих же газов. Значит, расхода озоноразрушающих газов не наблюдается. Эти реакции уничтожают молекулы озона и атомы кислорода, которые нужны для создания озона. Озоновый слой охватывает всю Землю, но его толщина сильно меняется, возрастая от экватора к полюсу. Озон образуется в течение всего года в стратосфере над экваториальным поясом. Благодаря переносу его воздушными течениями он перемещается в направлении полярных широт. На планете четко выделяется тропическая область недостаточно малого содержания озона в зоне от 35° с. ш. до 35° ю. ш., где средняя приведенная толщина слоя О₃ около 2,6 мм. К северу и югу от нее толщина слоя больше — 3,5 мм. Источником азотного, водородного и хлорного загрязнения атмосферы являются полеты авиации, космических кораблей, азотные удобрения, сжигание топлива, ядерные взрывы, запуски ракет, угледобыча, нефтедобыча и газодобыча и др. [3]

В популярной литературе слой озона очень часто называют волшебным щитом планеты. Это сравнение связано с оптическими свойствами молекулы озона, которые отличаются от свойств как составляющих его атомов (когда они существуют по отдельности), так и двухатомных молекул O₂. Одной из наиболее важных оптических характеристик, какого-либо вещества является его спектр поглощения — изменение с длинной волны коэффициента поглощения, то есть способности поглощать проходящие через это вещество излучение. Спектр поглощения озона обладает несколькими важными особенностями, главной из них является способность сильно поглощать излучение в интервале длин волн 200−320 нм.

Молекула озона нелинейна и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями. Молекула озона нелинейна и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями (рис. 1.2.). При обычных температурах озон — газ светло-голубого цвета, при пониженных температурах он превращается в жидкость индиго-голубого цвета с температурой кипения 111,9 °С, в твердой фазе озон образует игольчатые кристаллы густого фиолетово-голубоватого цвета с температурой плавления 192,5 °С. Способность озона О₃ и молекулярного кислорода О₂ сосуществовать в трех агрегатных состояниях является одной из исключительных особенностей. Чистый озон во всех трех агрегатных состояниях взрывчат.

2. Значение озона в функционировании климатической системы

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

Самые крупные потери озона в Арктике и Антарктике происходят зимой и в начале весны, когда полярные стратосферные вихри изолируют воздух в своих пределах. Когда температура воздуха падает ниже -78 °С, формируются облака, состоящие изо льда, азотной и серной кислот. В результате химических реакций на поверхности ледяных кристаллов в облаках выделяются хлорфторуглероды. Из-за воздействия хлорфторуглерода начинается активный процесс разрушения озонового слоя, который приводит к образованию, так называемых «озоновых дыр». Дальнейшее повышение температуры ведет к испарению льда, и озоновый слой начинает восстанавливаться. Весной температура воздуха повышается, лед испаряется, и озоновый слой начинает восстанавливаться. Озоновый слой окружает всю землю, но его толщина на разных широтах не одинакова. Тоньше всего он на экваторе, а на полюсах толще. И хотя озон перемещается воздушными течениями, и его количество в значительной степени зависит от времени года (летом и осенью его больше, а зимой и весной — меньше), это неравномерное распределение сохраняется. С весенним потеплением химические реакции на поверхности кристаллов льда в облаках приводят к образованию активных форм озоноразрушающих веществ из имеющихся там исходных форм.

На рисунке (рис. 2.2.) показано состояние озонового слоя и температуры в стратосфере над Арктикой начиная с 1979 г. Как видно, изменение количества озона тесно связано с температурой стратосферы. С понижением температуры регулярно образуются полярные стратосферные облака со смесью озоноразрушающих веществ в активной форме и резко снижается толщина озонового слоя как на полюсах, так и в глобальном масштабе. Изменения состояния атмосферы ведут год от года к все более резким изменениям температуры.

Озон постоянно образуется и разрушается, однако при некоторых условиях, скорость его разрушения может превысить скорость образования. Как выяснилось, большое влияние на этот процесс оказывает человеческая деятельность. Как вещество крайне реактивное, озон вступает во взаимодействие с хлором, фтором, бромом, оксидом азота и другими веществами. В этом плане очень опасны фреоны, широко используемые в холодильниках, кондиционерах и аэрозольных баллончиках, а также в меньшей степени азотистые удобрения и вещества, возникающие при полетах высотной авиации и запусках ракет. Попадая в атмосферу, все эти изначально неопасные соединения медленно поднимаются вверх, пока не достигают озонового слоя, где оказываются под воздействием УФ излучения. Разлагаясь и высвобождая атомы хлора, брома, азота, они вступают во взаимодействие с озоном. При этом каждый атом хлора или брома разрушает молекулу озона, присоединяя атом кислорода.

Взаимодействие происходит по формуле:

O₃+Y=YO+O₂

YO+O=Y+O₂

где Y=NO, OH, Cl, Br[13]

Впервые вопрос угрозы озоновому слою Земли поднялся еще в далеких 1960;х годах. Тогда считалось, что сверхзвуковые самолеты, выбрасывающие при полете выхлопные газы, состоящие из оксидов азота и водяных паров, могут серьезно повредить озоносфере. Также определенная опасность приписывалась азотным удобрениям. Но обе эти угрозы оказались незначительными. Сверхзвуковая авиация не нашла такого широкого применения, как предполагалось, и в настоящее время представлена только «Конкордом», совершающим рейсы над Атлантикой несколько раз в неделю, и военными самолетами. Азотные же удобрения нестойки и успевают разложиться прежде, чем достигнут стратосферы.

Распределение температуры контролирует динамические процессы в атмосферном газе. Таким образом, вся система циркуляции в стратосфере, включая и вертикальный перенос газа, зависит от распределения озона. И если под влиянием антропогенных процессов распределение озона заметно изменится, должна измениться вся картина динамических процессов, включая и взаимодействие стратосферы и тропосферы.

Расчеты с помощью атмосферных моделей показывают, что если повсеместно уменьшить концентрацию озона в два раза, то в мезосфере произойдет охлаждение атмосферного газа на 20° С. Это охлаждение в большей части стратосферы (18−40 км) составит 6 — 8° С, а на стыке тропосферы и стратосферы (7 — 18 км) составит 2 — 3° С.

Молекулы O₃ могут не только поглощать мягкое ультрафиолетовое излучение, но и обладают другими свойствами, существенными для теплового режима атмосферы. Наиболее важное из них — способность поглощать излучение в инфракрасном диапазоне, точнее в полосе с длиной волны примерно 9,6 мкм.

Суть парникового эффекта состоит в том, что поверхность Земли поглощать энергию падающего на неё солнечного излучения (ближнего ультрафиолетового, видимого, инфракрасного — всего, которое до неё дошло, почти не поглотившись в воздухе) и переизлучает эту энергию в виде тепловых лучей сугубо в инфракрасной области. Если бы это инфракрасное излучение не поглощалось в атмосфере и не уходило назад в космическое пространство, на Земле было бы невыносимо холодно. Но этого не происходит потому, что большая часть переизлученной энергии не покидает нижних слоев атмосферы, а поглощается там облаками и различными малыми составляющими. Наиболее активны в этом поглощении две атмосферные составляющие — углекислый газ и пары воды. Именно они обеспечивают задержку в атмосфере большей части инфракрасного излучения. Однако существует так называемое окно прозрачности в полосе 8 — 13 мкм, где суммарное поглощение указанными двумя составляющими (CO₂ и H₂O) мало. В этой области в роли основного поглотителя выступает озон. Как отмечалось выше, озон имеет сильную полосу поглощения в области 9,6 мкм, которая и обеспечивает захват уходящего инфракрасного излучения в середине окна. Отмечу, что у молекулы озона имеются и другие полосы поглощения в инфракрасной области (например, с длиной волны 13,8 и 14,4 мкм). Но там они накладываются на сильные полосы поглощения H₂O и CO₂.

В последние два десятилетия человечество все больше беспокоит проблема усиления парникового эффекта из-за увеличения в атмосфере количества CO₂. Факт монотонного роста концентрации двуокиси углерода в тропосфере в результате человеческой деятельности (уменьшение площади лесов, сжигании органического топлива, и другие промышленные процессы) установлен с высокой степенью достоверности. Этот рост за последние 20 лет составляет 0,3 — 0,4% в год. Если тенденция роста CO₂ в последующие десятилетия сохранится, то удвоение количества CO₂ в атмосфере, которое существовало в доиндустриальную эру, должно произойти примерно в середине XXI в. Правда, наиболее оптимистические модели предсказывают такое удвоение лишь к 2100 г. Конечно, реальная картина будет зависеть, прежде всего, от того, как быстро будет расти потребляемое человечеством количество энергии и насколько удастся заменить существующие сегодня источники энергии новыми, чистыми в экологическом отношении.

озон циркуляция разрушение климатический

3. Распределение озона с высотой

Озон имеется в разных слоях атмосферы — приземном слое, тропосфере, стратосфере, мезосфере. В каждом из этих слоев он рождается и погибает по своим законам. В стратосфере озон образуется эффективнее всего, но здесь же он и исчезает быстро. Тропосферный озон называют консервативным. Он существует дольше. Всю атмосферу с озоном рассматривают как единое целое, единую систему, в которой отдельные слои и прослойки являются сообщающимися сосудами. Озон движется не только вверх-вниз, но и горизонтально. В низких и высоких широтах распределение озона с высотой различное. В низких широтах, в тропической зоне, общее содержание озона мало и меняется незначительно. В тропической зоне стратосферный слой озона находится на большой высоте. Его максимум приходится на высоты между 24 и 27 км. В полярной области слой озона в стратосфере расположен ниже, его максимум приходится на 13−18 км. В промежуточной зоне заметны сезонные изменения озона: к весне общее содержание озона увеличивается, а к осени убывает. Озонный слой выполняет роль фильтра-регулировщика: вредным ультрафиолетовым лучам путь к Земле запрещен, полезному ультрафиолетовому излучению с длиной волны 0,3−0,4 мкм — дорога к людям открыта.

Озоновый слой на самом деле не является слоем. Озон распределён практически по всей атмосфере. Но не совсем равномерно.

Как видно из графика, имеется максимум концентрации озона на высотах примерно 20−25 километров. Что соответствует примерно середине стратосферы: Концентрация озона не очень велика, как уже было отмечено, даже если собрать весь озон при нормальных условиях, то его слой будет иметь толщину всего лишь порядка нескольких миллиметров. Тем не менее, этого достаточно для задержания практически полностью наиболее жёстких ультрафиолетовых лучей, которые, тем не менее, не настолько энергетичны, чтоб поглощаться кислородом. И этот диапазон УФ как раз наиболее опасен с биологической точки зрения, так как разрушает ДНК. Изучение изменений концентрации озона в атмосфере за историю Земли показывает, что только с появлением более-менее плотного озонового слоя жизнь смогла выйти из океана, где она была защищена водной толщей от губительного излучения: то есть фактически не только сухопутная жизнь, но и все мы обязаны своим появлением озоновому слою.

Начиная с высоты примерно 25 километров количество молекулярного кислорода становится достаточным для начала реакций. Ниже значительно ослабевает интенсивность жёсткого излучения и неустойчивая молекула озона под воздействием различных факторов (в т.ч. длинноволнового излучения) разрушается. Образующийся в озоновом слое озон тяжелее молекулярного и атомарного кислорода и постепенно опускается вниз — это явление называется «озоновый дождь».

Воздействием, которое может ломать может быть не только поток жёсткого солнечного излучения, но и сильный электрический разряд (молния), некоторые химические вещества (содержащиеся в т. ч. в смоле хвойных деревьев) также вызывают распад молекулы кислорода, выделяется атомарный кислород, реагирующий с молекулярным и образуется озон. Именно поэтому насыщен озоном воздух хвойных лесов и после грозы (озон имеется специфический запах, в отличие от молекулярного кислорода и в небольших концентрациях полезен, хотя и является ядом при большом содержании).

В слое озоносферы озон находится в очень разреженном состоянии. Если бы все количество озона собрать при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 °C, то толщина этого слоя составила бы всего 3−5 мм (300−500 ед. Д (Единица Добсона (ед. Д)=1/100 мм)). Измерения высоты слоя озона. Первые исследователи озона, исходя из отсутствия озона в нижних слоях и наблюдений, измерений, и предположили, что озон присутствует в виде слоя на высоте порядка 60 км. Гетцом, Добсоном и Митхамом в 1933 г. были поставлены фундаментальные исследования комбинированным методом — одновременно применялся метод зенитного света и метод непосредственного измерения интенсивности полос в спектре Солнца. Исследования производились в Арозе. Эти наблюдения привели к заключению, что озон расположен в виде слоя, начиная с 15 км до 35 км. Эти результаты, вероятно, не в пользу корпускулярной гипотезы происхождения озона; при этом они могут быть легко объяснены с точки зрения фотохимической теории озона; распределение озона по высоте согласуется с теоретической функцией Чепмана. Однако оно несомненно должно зависеть от широты. Поэтому постановка точных исследований по высоте озона чрезвычайно желательна. Но она может быть выполнена только инструментами по точности не ниже, чем озонный спектрометр Добсона. Для объяснения содержания озона в земной атмосфере было высказано два принципиальных взгляда. Один взгляд связывал происхождение озона с корпускулярным излучением Солнца. Но кроме качественного указания на эту причину эта гипотеза особого развития до сих пор не получила. Впрочем, предварительные сообщения Довилье заставляют внимательно отнестись и к роли полярных сияний и света ночного неба в балансе озона. Другой взгляд говорит о происхождении озона вследствие разрушения кислорода О₂ ультрафиолетовыми лучами Солнца. Это — фотохимическая теория образования озона. (Известно, что обычный молекулярный кислород имеет полосу в районе 1300−1800 А.) Эта радиация разбивает обычный молекулярный кислород на атомный. Существование атомного кислорода кладется в основу фотохимической теории озона. Еще вычисления Чепмана показали, что на высоте 80 км на каждые 300 молекул приходится один атом, а на высоте 120 км один атом приходится на три молекулы, т. е. содержание О быстро растет с высотой. Можно пренебрегать диффузией и падением озона, так как продолжительность жизни озонной молекулы определяется следующими факторами: ультрафиолетовая радиация Солнца при длине волн порядка 2500 А; термические столкновения в более низких слоях, где присутствует озон в незначительном количестве и где находятся водяные пары, аммиак и перекись водорода (молекулы озона очень легко входят в реакцию с этими молекулами). Таковы факторы, разрушающие молекулу озона. Факторами, создающими озон, является ультрафиолетовая радиация Солнца еще более короткой длины волн — 1500 А, и, наконец, нужно иметь в виду полярное сияние. Интересная мысль высказана академиком В. И. Вернадским о значении биогенного происхождения свободного кислорода и, следовательно, о роли биосферы в образовании озонного экрана, столь важного для жизни.

4. Географическое распределение озона. воздействие циркуляции атмосферы на динамику озоносферы

Озон постоянно образуется и распадается в атмосфере. Большая часть озона образуется в стратосфере (высокие слои атмосферы) в экваториальных районах. Однако если мы посмотрим на распределение озона по широтам Земли, то увидим, что как раз над экватором в стратосфере концентрация озона минимальна, она растёт по направлению к полюсам. Больше всего озона находится:

* в Северном полушарии на широте 65−75°

* в Южном полушарии на широте 60−65°

Возникает вопрос: «почему же так происходит?» Казалось бы, там, где озон в основном образуется, там его и должно быть больше всего. Дело в том, что в экваториальных широтах (как указано выше, высота озонового слоя там около 25 километров) озон не только образуется в больших количествах — он так же быстро и распадается. Потоки солнечного излучения разбивают молекулы озона, а также он разрушается и в результате реакций с атомарным кислородом. Среднее время жизни молекулы озона над экваториальными районами составляет всего несколько часов. Опускаясь из-за большей плотности и с нисходящими потоками в более нижние слои («озоновый дождь», о котором сказано выше), озон одновременно двигается с массами воздуха в направлении полюсов (такое движение воздушных масс от экватора к полюсам называется волнами Россби).

В более высоких широтах время жизни молекулы намного больше (в полярных районах молекула существует до распада в среднем сто суток), поэтому, несмотря на то, что озон образуется в высоких слоях экваториальной атмосферы, его содержание выше в более низких слоях атмосферы более высоких широт. Это правило (увеличение концентрации озона от тропических к полярным областям и от более высоких слоёв к более низким) носит название принципов Дютша-Добсона и Добсона-Норманда соответственно.

В течение суток концентрация озона растёт с утра до вечера. Это можно также объяснить тем, что ночью озон распадается, а необходимого для его образования потока солнечного излучения нет. В течение года минимум концентрации озона приходится на весенний период, а максимум — на осенний, при этом изменение концентрации по полушариям происходит зеркально, ведь когда у нас весна, в южном полушарии осень. Максимум содержания озона в северном полушарии совпадает с минимумом в южном.

Наконец, существует ещё один, длинный цикл изменения концентрации озона, он напрямую связан с одиннадцатилетним циклом потока солнечной радиации в ультрафиолетовом диапазоне (как указано выше, поток жёсткого излучения важен для образования озона).

Озоновый слой — главная защита Земли от чрезмерно интенсивного ультрафиолетового (УФ) солнечного излучения. Но, к сожалению, на протяжении вот уже более 20 лет во многих регионах мира, в том числе, в осенний и зимний периоды над странами Балтии, озоновый слон слишком «тонок». В результате увеличивается возможность заболевания раком кожи и катарактой глаз, ослабляется иммунитет, уменьшаются сельскохозяйственные урожаи, а также рыбные уловы и др. Результаты некоторых исследований свидетельствуют о том, что истончение озонового слоя сегодня практически остановилось, но другие говорят, что «озоновая дыра» в 2005 году достигла почти рекордных размеров. Таким образом, нужно думать, что именно этот и пара следующих годов в обновлении озонового слоя станут решающими. В защиту озонового слоя включились 189 стран мира, в том числе и Беларусь. Почти всем технологиям, в которых применяются вещества, утончающие озоновый слой, найдены альтернативы, и производство этих веществ, торговля ими и их использование стремительно уменьшается. Например, в 1986 году в мире было израсходовано примерно 1 100 000 тонн HFO или CFC (одно из наиболее распространенных веществ, утончающих озоновый слой, называемое также фреоном), а в 2001 году общее количество потребленного HFO составило только примерно 110 000 тонн. Ученые прогнозируют, что если будут соблюдены реализуемые сегодня мероприятия по защите озонового слоя, озоновый слой обновится и восстановит свое нормальное состояние к 2050;2060 годам.

Низкая средняя высота озона около 20 км затрагивает бывший спорным вопрос о его происхождении. Теперь представляется невероятным предположение, что озон образуется в воздухе, главным образом, корпускулами извне (как это думали французские авторы), частицами, производившими северное сияние. Точка зрения эта была выдвинута в виду возрастания содержания озона с возрастанием широты и увеличением содержания озона в течение зимы, с осени до весны, в особенности в полярных широтах. Однако для объяснения этих наблюденных фактов нет необходимости допустить существование какого-либо иного производящего озон агента, кроме ультрафиолетового солнечного света. Несмотря на то, что теория равновесия озона Чепмана имеет лишь временное значение и не завершена во многих отношениях, новые данные об озоне с каждым годом подтверждают ее. В результате работ, предпринятых Добсоном, окончательно было установлено, что помимо годового изменения содержания озона существует увеличение содержания озона с географической широтой. Этого нельзя сказать о корпускулярной теории образования озона. Здесь могут быть приведены следующие неясные с точки зрения этой теории вопросы: 1) каким образом в течение 36-часового пути от Солнца до Земли отдельные пачки корпускул не рассеиваются; 2) корпускулярной тени Луны не наблюдалось во время солнечного затмения 31 августа 1932 г.; 3) неясно, какова природа корпускул, и 4) как они могут долетать до высоты 30 км (при вероятных скоростях по Милну высота в 100 км уже является предельной). Остается отдельно упомянуть факт зависимости содержания озона от метеорологических условий (циклоны и антициклоны, низкое и высокое давление), который до сих пор не объяснялся ни одной из существующих теорий образования озона.

«Суммарный озон» представляет общую сумму озона в вертикальной колонке, достигающей от поверхности земли до вершины атмосферы.

Под суммарным озоном, или общим содержанием атмосферного озона, имеется в виду количество озона в вертикальном столбе атмосферы. Вертикальное и горизонтальное распределение температуры в стратосфере, а также барическое поле, ветровой режим и, в частности, струйные течения самым тесным образом связаны с атмосферным озоном.

5. Озоновые дыры: причины их возникновения. Антропогенное воздействвие на озоносферу

Впервые «озоновую дыру» обнаружили над Антарктидой. В 1984 г. Джордж Фарман, член Британской антарктической экспедиции отметил снижение концентрации стратосферного озона над станцией Халли-Бей в Антарктиде на 40%. При уточнении данных со спутника Nimbus (США), выяснилось, что сокращение концентрации озона над Антарктидой продолжается уже 10 лет. В 1985 г. был впервые опубликован доклад о том, что над Антарктикой имеется зона, испытывающая дефицит в озоне, причем зона эта растет уже с 1980 г. Это моментально стало сенсацией, и в прессе впервые возник термин «озоновая дыра». Он, конечно же, некорректный, так как и речи идти не может, чтобы какая-либо область на Земле полностью оказалась без озоновой защиты. [15]

Озоновая «дыра» существует не постоянно. Она появляется в начале антарктической весны в середине октября и исчезает через месяц. На высотах 13−24 км озоновый слой разрушается полностью, а на других сильно уменьшается. Общая потеря озона может достигать 97%, а размер «дыры» нескольких миллионов квадратных километров. «Озоновая дыра» означает лишь, что ежегодное весеннее уменьшение количества озона над Антарктидой превысило норму.

Озоновая дыра расположена именно над Антарктидой потому, что над Южным полюсом находится самая холодная атмосфера на нашей планете. Во время полярной ночи она еще охлаждается, и в стратосфере формируются ледяные облака. Кроме того, образование озона возможно только под действием ультрафиолета, отсутствующего во время поляной ночи. Устойчивые зимние вихри над полюсом препятствуют проникновению озона из более теплых широт. С наступлением же весны облака нагреваются под воздействием Солнца, и в атмосфере начинают происходить химические процессы, сильно отличающиеся от таковых в умеренных широтах. Содержание озона из-за климатических процессов значительно снижено, и озоновому слою вредит даже малое количество хлора и фтора. Содержание этих веществ над Антарктикой не уступает другим регионам планеты, а окислов азота, связывающих хлор и способных таким образом прекратить цепную реакцию разрушения озона, там из-за низкой температуры не хватает. Активное выделение азота начинается только поздней весной и летом, когда на облака попадает достаточно солнечного света. Поэтому разрушение озона прекращается до следующей весны.

О «дыре» говорят тогда, когда дефицит озона превышает 30%. С начала 90-х годов озоновая дыра постепенно увеличивалась, и к 2000 г. достигла берегов Новой Зеландии и города Пунта-Аренас в Чили. С начала тысячелетия рост ее прекратился, и сейчас ситуация определяется учеными как стабильная. По их прогнозам, при текущем уровне загрязнения атмосферы, уменьшение дыры может начаться только через 50−60 лет. Однако одновременно с этим отмечается и появление озоновой дыры над Арктическим регионом. Она значительно меньше, чем Антарктическая (чья площадь сравнима с площадью Северной Америки), и поэтому называется локальной. Еще одна такая же локальная дыра периодически отмечается над Центральной Азией. Уже само это сигнализирует, что появление озоновых дыр стало обычным явлением. Сразу же после обнаружения первой озоновой дыры были приняты решительные меры по восстановлению озонового слоя. В сентябре 1987 г. в Монреале 23 странами была подписана конвенция по сокращению и дальнейшему прекращению использования веществ, наносящих вред озоновому слою Земли. С тех пор к конвенции присоединились и другие страны, и сейчас их количество достигает 200. Многие страны ведут разработки в этом направлении, и мы можем надеяться, что скоро проблема все же будет решена. Оценки исследователей, журналистов и просто интересующихся разнообразны и зачастую противоречивы. Наряду с паникой из-за озоновых дыр, бытует и мнение, что весь ажиотаж вокруг этого вопроса надуманный. Запрет производства хлорфторуглеродов приводит к значительным убыткам компаний, производящих их. Еще в начале 90-х такие потрясения в химической промышленности казались многим неслучайными.

Можно сказать, что загрязнения — это поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей среде. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, в той или иной степени влияет на все параметры среды — антропогенные и природные, физические и биотические. Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы — это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ.

На сегодняшний момент можно сделать несколько выводов:

· Во-первых, атмосфера над Антарктидой, особенно в зимнее время имеет ряд уникальных особенностей. Там существует так называемый циркумполярный вихрь, который практически изолирует её от остальной атмосферы Земли (над Арктикой тоже возможно образование такого вихря, но здесь он гораздо менее устойчив, возникает не всегда и не так надолго). Из-за этого вихря естественный процесс переноса озона от тропических областей не работает, озон разрушается, но нет притока, компенсирующего это разрушение.

· Во-вторых, температура воздуха в антарктической стратосфере очень низка (в нижних слоях в ночные часы ниже -80 °C.

· В-третьих, внутри циркумполярного вихря в стратосфере аномально низко содержание соединений азота и водяного пара и в то же время велико содержание компонентов хлорного цикла (может достигать десятикратной величины от концентрации этих компонентов «за стенками» вихря). Это вызывает процессы, приводящие к повышенной эффективности разложению озона компонентами обычного хлорного цикла (соединения азота нейтрализуют активные радикалы хлора) и даже к образованию специального, «димерного» хлорного цикла (он возможен только при низком содержании оксида азота).

С наступлением весны разрушается циркумполярный вихрь, повышается температура стратосферы над Антарктидой, растёт содержание в ней соединений азота и водяного пара, прекращается димерный хлорный цикл, к южному полюсу поступает озон из более низких широт и концентрация этого газа приходит в норму. Кроме антропогенных источников хлора, большое значение для атмосферы над Антарктидой имеет постоянно действующий вулкан Эребус. Он может выбрасывать до 90 тонн хлороводорода в день. Из написанного выше можно сделать вывод, что образование «озоновой дыры» — процесс в значительной мере естественный, не связанный исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации. В первую очередь играет роль образование циркумполярного вихря. В 1988;м году, когда этот вихрь существовал удивительно короткое время, озоновой дыры над Антарктидой практически не было (рис. 5.2.).

В.Л. Сывороткин разработал альтернативную гипотезу, согласно которой озоновый слой уменьшается по естественным причинам. Известно, что цикл разрушения озона хлором не единственный. Существуют также азотный и водородный циклы разрушения озона. Именно водород — «главный газ Земли». Основные его запасы сосредоточены в ядре планеты и через систему глубинных разломов (рифтов) поступают в атмосферу. По примерным оценкам, природного водорода в десятки тысяч раз больше, чем хлора в техногенных фреонах. Однако решающим фактором в пользу водородной гипотезы Сывороткин В. Л. считает то, что очаги озоновых аномалий всегда располагаются над центрами водородной дегазации Земли.

Как показывает в своей работе Владимир Сывороткин, у огромных озоновых дыр над Антарктидой и прорех над Северным полушарием есть более существенные источники, нежели распыленный из баллончиков с аэрозольными дезодорантами или испарившийся из морозильной камеры фреон. Озоноразрушающими газами «дышит» Земля, причем количество таких газов, в первую очередь водорода, выбрасываемых естественным образом, несопоставимо с техногенными утечками. [18]

Более того, озоновые аномалии имеют геологическое происхождение, утверждает ученый. Это разломы в земной коре, из которых с определенной цикличностью поднимается в стратосферу водород. Именно он и есть главный «виновник» периодически наблюдаемых озоновых «дыр». Водородная гипотеза и аргументы автора в ее защиту вызвали небывало острую дискуссию среди специалистов. Около ста докторов наук, представляющих самые разные области знаний, ломали голову над этой работой. Защита состоялась только с четвертой попытки.

Система рифтовых зон Земли сегодня хорошо изучена геологами, и это дает возможность прогнозировать расположение озонных дыр. Так постоянство озонной дыры над Антарктидой объясняется тем, что главные каналы дегазации — срединно-океанские рифты — сближаются вокруг Антарктиды и увеличивают «водородную продувку атмосферы» в этом районе. Кроме того, на Антарктиде расположен действующий вулкан Эребус с наибольшими газовыми выбросами в атмосферу. Кстати, американская станция Мак-Мердо, следящая за состоянием атмосферы, находится у подножия этого вулкана. Учитывая повышение сейсмической активности в районе срединно-океанского рифта, В. Л. Сывороткин предсказал образование крупной озонной дыры над экваториальной зоной восточной части Тихого океана (январь 1998).

6. Последствия разрушения озона для биосферы и человека. Воздействие Эль-Ниньо на озоновый слой

В начале 80-х годов английские и японские ученые выяснили, что с конца 70-х годов над Антарктикой непрерывно истощается озоносфера — слой атмосферного озона.

Наземные и спутниковые измерения обнаружили своего рода озоновую «дыру», в которой озона в столбе воздуха было на 30−50% меньше нормы. Эта «дыра» в Антарктике наблюдается весной (сентябрь-ноябрь), в другие сезоны содержание озона ближе к норме. Заметнее всего это уменьшение на высотах 15 — 25 км. в слое с максимальным содержанием озона. Позднее выяснилось, что озонав атмосфере становится все меньше и меньше также в средних и высоких широтах Северного полушария зимой — весной (январь — март), особенно над Европой, США, Тихим океаном, Европейской частью России, Восточной Сибирью и Японией. Детальные измерения показали, что при общем истощении озоносферы содержание озона возрастало, в частности, нал Лабрадором (северо-восток Канады) в январе. Временами (например, в 1988 г.) оно увеличивалось и над Антарктикой. Однако в целом содержание озона в атмосфере за последние два десятилетия значительно уменьшилось. Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняющего все живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира. Поэтому так важно понять причины возникновения озоновой «дыры» нал Антарктикой и уменьшения содержания озона в Северном полушарии.

Озон образуется в верхней стратосфере (40−50 км) при фотохимических реакциях с участием кислорода, азота, водорода и хлора. В нижней стратосфере (10−25 км), где озона больше всего, главную роль в сезонных и более длительных изменениях его концентрации играют процессы переноса воздушных масс. Содержание озона здесь определяют химический составатмосферы и долговременные (с периодом более 10 лет) вариации процессов переноса. Разрушается же он, взаимодействуя с выбрасываемыми в атмосферу веществами, содержащими хлор (фреонами и галонами), которые используют в различных отраслях промышленности. Многочисленные измерения и расчеты свидетельствуют о том, что эти реакции протекают, в основном, на поверхности полярных стратосферных облаков, которые образуются здесь при очень низких (менее -80 С) температурах. После окончания полярной ночи, в сентябре, с восходом солнца образуются атомы хлора, разрушающие молекулы озона. Наблюдения показали, что подобный химический механизм действует и в Арктике (в январе — марте).

Температура нижней стратосферы в Арктике выше, чем в Антарктике, поэтому полярные стратосферные облака здесь образуются реже, так что озоновая «дыра» регистрируется главным образом над Антарктикой. Ключевой элемент этого механизма разрушения озона — именно полярные стратосферные облака, образующиеся только при очень низких температурах. Такие температуры нал Антарктикой обусловлены сильными западными ветрами, которые формируют своеобразный полярный «барьер» (его называют также полярным вихрем), препятствуя межширотному обмену теплом и озоном.

Изменения циркуляции атмосферы вызваны стационарными планетарными волнами, которые проникают в стратосферу в зимне-весенний период, сильно влияя на распределение озона и других ее составляющих и средних и высоких широтах. Один из источников этих волн разные температуры над поверхностями континентов и океанов, поэтому изменения температуры океанской поверхности сказываются на волновой активности. При длительном же ослаблении волновой активности усиливаются западные ветры в стратосфере, охлаждается ее нижняя часть, формируются полярные стратосферные облака и, тем самым, условия для разрушения озона. Циркуляция в стратосфере за последние 20 лет могла сильно измениться. Так что основной причиной озоновой «дыры» в Антарктике вполне может быть длительное ослабление волновой активности стратосферы, связанное с очень медленными процессами в Мировом океане.

Сопоставив изменения волновой активности стратосферы и содержания озона в 1979;1992 гг., специалисты заключили, что ослаблению активности отвечает снижение концентрации озона в средних и высоких широтах из-за меньшего межширотного обмена. Похоже, что летом 1980 г. резко изменилась циркуляция в стратосфере и возникли условия для образования озоновой «дыры». Видимо, столь серьезные изменения — это результат сразу нескольких крупномасштабных процессов в Мировом океане: «капризов» Эль-Ниньо в Тихом океане (теплое сезонное поверхностное течение у берегов Эквадора и Перу, параметры которого меняются год от года), аномалий температур значительных участков поверхности в Атлантическом и Индийском океанах.

Появление озоновой «дыры» в Антарктике может свидетельствовать о существовании длительных (с периодом несколько десятилетий) циклом и Мировом океане и атмосфере. Эти циклы способны серьезно повлиять на климат и проявиться в погодных аномалиях и стихийных бедствиях (ураганах, торнадо, тайфунах) в различных районах Земного шара. Таким циклам легче проявить себя именно в стратосфере, а не в тропосфере, на характеристики которой влияют самые разные (часто случайные) факторы.

Антропогенное же воздействие на атмосферу представляется сильно преувеличенным. К сожалению, наблюдения за изменениями в стратосфере пока слишком непродолжительны, Чтобы окончательно выделить одну причину озоновой «дыры» в Антарктике. Однако уже сейчас очевидно, что рассматривая проблемы озонового слоя и изменений климата Земли, необходимо учитывать не только антропогенные факторы, но и долговременные естественные изменения во взаимодействующей системе «океан-атмосфера». В последнее время стали высказываться предположения о том, что вариации скорости вращения Земли вокруг своей оси каким-то неизвестным пока образом влияют на Мировой океан, В качестве примеров такого влиянии обычно ссылаются на меняющееся «повеление» уже упомянутого Эль-Ниньо и таких течений, как Куросио и Гольфстрим. Но тогда изменения климата и озонового слоя, возможно, зависят и от очень медленных процессов в ядре и мантии Земли, которые, безусловно, сказываются на скорости ее вращения. Будущие исследования этой фундаментальной проблемы потребуют объединить усилия специалистов, изучавших прежде сушу, океан и атмосферу по отдельности, а также учитывать не до конца ясные пока солнечно-земные связи.

Истощение озонового слоя планеты ведет к разрушению сложившегося биогенеза океана вследствие гибели планктона в экваториальной зоне, угнетению роста растений, резкому увеличению глазных и раковых заболеваний, а также болезней, связанных с ослаблением иммунной системы человека и животных, повышению окислительной способности атмосферы, коррозии материалов и т. д. Так, 5%- е уменьшение содержания озона увеличит на 14% вероятность заболевания блазальной клеточной карциномой — наиболее распространенной формой немеланомного рака кожи, и на 25% - плоскостной клеточной карциномой — его разновидностью, наиболее часто приводящей к смертельному исходу.

Сознавая важность защиты озонового слоя для сохранения жизни на земле, Республика Беларусь в числе первых подписала и ратифицировала Венскую конвенцию об охране озонового слоя и Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. В законе Республики Беларусь «Об охране окружающей среды» и «Об охране атмосферного воздуха» закреплены требования о сокращении и последующем прекращении использования химических веществ, оказывающих вредное воздействие на озоновый слой.

Сенсацией в научном мире стало внезапное исчезновение в 1997;1998 гг. самого популярного у исследователей глобального климатического явления — течения Эль-Ниньо (в переводе с испанского «младенец»). Это течение, в значительной мере определявшее климат и южной части Атлантики, прославилось своим «по-младенчески капризным» нравом — практически ежегодными переменами характеристик, которые отражались на климате, урожайности и жизни десятков миллионов людей обширного региона, охватывающего большинство стран Южной и Центральной Америки. Еще более драматические последствия для климата планеты может иметь его исчезновение. Поэтому ученые всех стран бьются над разгадкой этого глобального события.

Анализ многолетних данных по количеству осадков, температурам поверхности океана и скорости ветров в этой части Атлантического океана позволяет сегодня утверждать, что «кончина» Эль-Ниньо — это действительно беспрецедентное (в современной истории) явление. Его основной причиной могло стать необычное усиление восточных ветров над Тихим океаном, послужившее «спусковым крючком» крупномасштабных процессов в Мировом океане Эль-Ниньо влияет на скорость вращения Земли с задержкой в 1−2 месяца после его возникновения, поскольку в атмосфере тепло распространяется медленнее, чем в воде.

Заключение

озон циркуляция разрушение климатический Озоновый экран в атмосфере играет очень большую роль: озон поглощает большую часть ультрафиолетовых лучей, губительных в больших количествах для живых организмов. Он защищает земную поверхность от охлаждения. Незначительные дозы ультрафиолетовой радиации, пропускаемой озоновым экраном, убивают микроорганизмы, но благоприятно влияют на организм человека.