Атмосфера Земли содержит несколько слоев, располагающихся на разных высотах. Одним из самых важных является озоновый слой, находящийся в стратосфере. Для того чтобы выяснить, что такое озоновая дыра, нужно понимать функцию этого слоя и важность его существования для жизни на планете.
Описание
Высота расположения озонового слоя разнится в зависимости от температурного режима той или иной местности, например, в тропиках он находится в диапазоне между 25 и 30 км, а на полюсах - от 15 до 20 км. Газ озон возникает при воздействии солнечного излучения на молекулы кислорода. Процесс диссоциации озона приводит к поглощению большей части опасного ультрафиолета, излучаемого Солнцем.
Толщину слоя принято измерять в единицах Добсона, каждая из которых равна прослойке озона в 10 микрометров, при условии нормального давления и температуры. Минимальной толщиной, ниже которой слой перестает существовать, считается 220 ед. Добсона. Наличие озонового слоя было установлено французскими физиками Шарлем Фабри и Анри Буиссоном в начале ХХ века при помощи спектроскопического анализа.
Озоновые дыры
Есть множество версий насчет того, что именно провоцирует истончение озонового слоя планеты. Некоторые ученые обвиняют в этом антропогенные факторы, другие же считают это естественным процессом. Озоновые дыры - это уменьшение или полное исчезновение данного газа из стратосферы. Впервые это явление было зафиксировано в 1985-м году, оно располагалось на площади около 1 тыс. кв км в антарктическом регионе.
Появление этой дыры было цикличным, она возникала в августе и исчезала в декабре. В то же время в арктическом регионе появилась еще одна дыра, немного меньшего размера. С развитием технологий стало возможно фиксировать образование разрывов озонового слоя в режиме реального времени, и теперь ученые могу с уверенностью утверждать, что их на планете несколько сотен. Самые крупные расположены на полюсах.
Причины и последствия озоновых дыр
Существует теория, согласно которой озоновые дыры возникают по естественным причинам. Согласно ей, поскольку превращение кислорода в озон происходит в результате воздействия солнечным излучением, то при его отсутствии во время полярной зимы этот газ не вырабатывается. Во время продолжительной ночи уже образовавшийся озон вследствие своей большой массы опускается в нижние слои атмосферы, где разрушается от давления. Эта версия прекрасно объясняет появление дыр над полюсами, но никак не проясняет образование их масштабных аналогов над территориями Казахстана и России, где полярные ночи не наблюдаются.
В последнее время научное сообщество сошлось во мнении, что существуют как естественные, так и спровоцированные человеческой деятельностью причины разрывов озонового слоя. К антропогенному фактору относится повышение концентрации определенных химических веществ в атмосфере Земли. Озон разрушают реакции с хлором, водородом, бромом, хлороводородом, монооксидом азота, метаном, а также фреоном и его производными. Причины и последствия озоновых дыр пока еще не установлены окончательно, но практически каждый год приносит новые открытия в этой сфере.
Чем опасны озоновые дыры?
Озон поглощает чрезвычайно опасное солнечное излучение, не позволяя ему достигать поверхности планеты. Когда слой этого газа истончается, все находящееся на Земле подвергается обычному радиоактивному облучению. Это провоцирует рост раковых заболеваний, преимущественно локализированных на коже. Для растений исчезновение озона также губительно, в них происходят разнообразные генетические мутации и общее снижение жизненного тонуса. В последнее время человечество все лучше понимает, чем опасны озоновые дыры для жизни на Земле.
Заключение
Осознав опасность уничтожения озона международное сообщество приняло ряд мер, направленных на уменьшение негативного воздействия на атмосферу. В 1987 году в Монреале был подписан протокол, который обязывает свести к минимуму использование фреона в промышленности, так как именно этот газ провоцирует возникновение дыр вне полярных областей. Тем не менее, на разложение уже выпущенного в атмосферу фреона уйдет около сотни лет, так что в ближайшее время количество озоновых дыр в атмосфере Земли вряд ли уменьшится.
В последние годы ученые все с большей тревогой отмечают истощение озонового слоя атмосферы, который является защитным экраном от ультрафиолетового излучения. Опасность заключается в том, что ультрафиолетовое излучение губительно для живых организмов.
Под действием ультрафиолетового излучения молекулы кислорода распадаются на свободные атомы, которые в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона. Свободные атомы кислорода могут также реагировать с молекулами озона, образуя две молекулы кислорода. Таким образом, между кислородом и озоном устанавливается и поддерживается равновесие.
Однако загрязнение типа фреонов катализируют (ускоряют) процесс разложения озона, нарушая равновесие между ним и кислородом в сторону уменьшения концентрации озона.
Учитывая опасность, нависшую над планетой, международное сообщество сделало первый шаг к решению этой проблемы. Подписано международное соглашение, по которому производство фреонов в мире к 1999г. Должно сократиться примерно на 50%.
Озон
Озон (О3) - агрессивный газ с сильным окислительным действием. В переводе с греческого ozon означает «пахнущий», так как он имеет острый резкий запах. Этот запах можно ощутить после грозы.
Озон образуется в атмосфере при действии на кислород высоких энергий коротковолновых ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов. Высокая энергия расщепляет кислород на отдельные атомы, которые связываются с молекулярным кислородом, образуя озон.
Молекулы озона очень неустойчивы и легко разлагаются, поэтому эта реакция является обратимой.
Экологическая роль озона двояка.
Образуясь у поверхности Земли как компонент фотохимического смога, озон является чрезвычайно вредным, поскольку имеет сильные окислительные свойства и раздражает слизистую оболочку глаз и дыхательные пути. У поверхности Земли озон образуется при грозовых разрядах и в результате фотохимических реакций между окислами азота и летучими углеводородами, выделяющимися с выхлопными газами автомобилей. Кроме озона в результате этих реакций образуется еще целый ряд агрессивных веществ. Они также являются сильными окислителями, имеют раздражающее действие, некоторые из них канцерогенны. Совокупность этих веществ называют фотохимическим смогом.
Образуясь в верхних слоях стратосферы, озон формирует озоновый слой, который защищает организмы Земли от действия коротковолновых ультрафиолетовых лучей. На реакции синтеза озона расходуется до 98% энергии коротковолновых ультрафиолетовых лучей Солнца, благодаря чему они не достигают поверхности Земли и не оказывают губительного действия на организм. За это озоновый слой называют «защитным экраном» Земли. Без него на поверхности Земли не могла бы существовать жизнь.
Образование озонового слоя стало возможным, когда концентрация кислорода в атмосфере достигла 1% от современного уровня. Появление озонового слоя позволило жизни выйти на сушу, тогда как раньше жизнь могла существовать только в океане.
Озоновый слой (озоносфера) охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 20-25 км. Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области.
Озоновый слой выполняет в атмосфере две важнейшие функции:
- Защищает организмы от вредного действия ультрафиолетовых лучей, которые вызывают солнечные ожоги, рак кожи, катаракту (помутнение хрусталика глаза), ослабление иммунитета;
- Формирует стратосферу - слой атмосферы, в котором температура нарастает с высотой, чем ограничивает процессы формирования погоды пределами тропосферы: верхние нагретые слои атмосферы препятствуют поднятию более холодного приземного воздуха. Если бы не озоновый слой, то температура атмосферы постепенно снижалась бы, с высотой и температурный режим Земли был бы совсем иным.
Нарушение озонового слоя
В середине 1960-х гг. ученые пришли к выводу, что в атмосфере имеются факторы разрушающие озон. Такими факторами являются свободные радикалы из водяного пара и окислы азота, выделяемые в стратосферу с выхлопами сверхзвуковых самолетов и поступающие из нижних слоев тропосферы.
В 1973г.американские химики Ф. Роуленд и М. Молина установили, что озон разрушают хлорфторуглеводороды, известные под названием «фреоны». За это открытие Ф. Роуленду и М. Молине в 1996г. была присуждена Нобелевская премия.
В 1984г. группа американских ученых под руководством Д. Фармана опубликовала данные исследований, проведенных в Антарктиде. Они показали, что в течение весны 1983г.содержание озона над Антарктидой снизилось до 40%. По словам Д. Фармана, «небо над Антарктидой буквально пустело, и это было ужасно» (Роун Ш., 1993).
Снижение концентрации озона над Антарктидой назвали «озоновой дырой». В настоящее время размеры «дыры» почти равны площади этого материка.
Резкое снижение концентрации озона над Антарктидой объясняют несколькими причинами:
- Образование озона возможно только при наличии ультрафиолетовых лучей, оно не идет во время полярной ночи;
- Низкие температуры способствуют образованию над Антарктидой ледяных стратосферных облаков, на частицах которых ускоряются реакции разрушения озона;
- Циркуляция воздушных масс над Антарктидой имеет некоторые особенности: весной над ней формируются восходящие вихревые потоки, засасывающие в эту область воздух из тропосферы с низким содержанием озона и препятствующие притоку богатого озоном воздуха из средних широт.
Главная причина снижения концентрации озона над Антарктидой образование над ней ледяных стратосферных облаков, на частицах которых активизируются процессы разрушения озона хлором.
После открытия «озоновой дыры» над Антарктидой были проведены научные исследования по изучению влияния концентрация озона в атмосфере на биологические объекты. Было установлено, что при снижении концентрации озона на 1% степень проникновения в атмосферу ультрафиолетовых лучей возрастает на 1.5 - 2%. Это способствует повышению частоты возникновения рака кожи, катаракты, снижению иммунитета организмов и др.
Ученые пришли к выводу о том, что повышенные дозы ультрафиолетового излучения снижают качество семян, устойчивость растений к засухе, заболеваниям, уменьшают продукцию антарктического фитопланктона и выживаемость мальков рыб, что может катастрофически повлиять на мировое рыболовство. При снижении содержания озона в атмосфере на 25% продукция фитопланктона могла бы уменьшиться на 35%.
С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете. Так, например, в России за последние десять лет концентрация озонового слоя снизилась на 4-6% в зимнее время и на 3%-в летнее.
В настоящее время истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защитить все живое на Земле от жестокого ультрафиолетового излучения (УФ - радиация). Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергия даже одного фотона из этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул. Не случайно поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается увеличение заболевания раком кожи и др. Так, например, по мнению ученых-экологов, к 2030году в России при сохранении нынешних темпов истощения озонового слоя заболевают раком кожи дополнительно 6 млн.человек. Кроме кожных заболеваний возможно развитие глазных болезней (катаракта и др.), подавление иммунной системы и т.д.
Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем, и т.д.
Наука еще до конца не установила, каковы же основные процессы, нарушающие озоновый слой. Предполагается как естественная, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу, фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.
По данным международной экологической организации «Гринпис», основными поставщиками хлорфторуглередов (фреонов) являются США - 30.85%, Япония - 12.42%, Великобритания - 8.62% и Россия - 8.0%. США пробили в озоновом слое «дыру» площадью 7млн.кв.км., Япония - 3млн.кв.км., что в 7 раз больше, чем площадь самой Японии. В последнее время в США и в ряде западных стран построены заводы по производству новых видов хладореагентов (гидрохлорфторуглеродов) с низким потенциалом разрушения озонового слоя.
Оценив объемы производства хлорфторуглеродов и их поступления в атмосферу, ученые пришли к выводу, что это ведет к неизбежному разрушению озонового слоя.
По вопросам снижения выбросов хлорфторуглеродов в атмосферу проведены международные совещания и подписаны ряд соглашений. В 1989г. на Международной конференции в Хельсинки 81 страной была достигнута договоренность о прекращении производства всех видов хлорфторуглеродов к 2000г.
Согласно протоколу Монреальской конференции (1990г.), пересмотренному затем в Лондоне (1991г.) и в Копенгагене (1992г.), предусматривалось снижение выбросов хлорфторуглерода к 1998 г. на 50%. Согласно ст. 56 Закона Российской Федерации об охране окружающей природной среды, в соответствии с международными соглашениями, все организации и предприятия обязаны сократить и в последующем полностью прекратить производство и использование озоноразрушающих веществ. Закон предусматривает следующий комплекс мер по охране озонового слоя:
- Организацию наблюдений за изменением озонового слоя под воздействием хозяйственной деятельности и иных процессов;
- Соблюдение нормативов предельно допустимых выбросов веществ, вредно воздействующих на состояние озонового слоя;
- Регулирование производства и использование химических веществ, разгружающих озоновый слой.
В 1993году в нашей стране создана Межведомственная комиссия, в задачу которой входит координация деятельности различных организаций по выполнению международных обязательств по охране озонового слоя и прекращению выпуска озоноразрушающих веществ к 2000году. Ведется также интенсивная разработка и внедрение мероприятий по резкому сокращению выбросов соединений серы, оксидов азота и других опаснейших загрязнителей атмосферного воздуха.
Даже если протокол будет выполнен всеми странами, необходимо продолжать решать проблему защиты людей от УФ - радиации, поскольку многие из хлорфторуглеродов могут сохраняться в атмосфере сотни лет.
В настоящее время озоновый слой истощается со скоростью 0.5 - 0.7% в год.
Мерами по уменьшению разрушения озонового слоя являются:
- Глобальное запрещение использования хлорфторуглеродов в тех сферах, где возможна их замена другими веществами;
- Утилизация хлорфторуглеродов из отработавших свой срок холодильников и кондиционеров;
- Полное запрещение производства хлорфторуглеродов, галлонов, хлороформа и четыреххлористогоуглерода.
Однако проблемой уменьшения озонового слоя не сводится только к разрушающему воздействию хлорфторуглеродов и галлонов. Как и все другие биосферные процессы, концентрация озона в атмосфере зависит от множества факторов, соотношения между всеми механизмами его образования и разрушения. В частности, на концентрацию озона влияют:
- Интенсивность ультрафиолетовой радиации - зависит от активности Солнца, который имеет 11 - летние и более длительные циклы;
- Содержание в атмосфере кислорода - зависит от продукции О2 растениями. Его снижают сведение человеком лесов, распашка почв, при которой ускоряются процессы разложения органики, сжигание ископаемого топлива;
- Извержения вулканов - вносят в атмосферу огромные количества пыли, задерживающей солнечный свет, окислы азота и серы;
- Загрязнения атмосферы промышленными выбросами (окислами азота, пылью, аэрозолями серной кислоты) - капли кислот являются центрами конденсации паров воды, а значит, причиной образования облаков.
Ряд ученых продолжают настаивать на естественном происхождении «озоновой дыры». Причины ее возникновения они видят в естественной изменчивости озоносферы, циклической активности Солнца, другие связывают эти процессы с рифтогенезом и дегазацией Земли.
Прежде всего следует уяснить: озоновая дыра, вопреки своему названию, — это не брешь в атмосфере. Молекула озона отличается от обычной молекулы кислорода тем, что состоит не из двух, а из трех атомов кислорода, соединенных друг с другом. В атмосфере озон сконцентрирован в так называемом озоновом слое , на высоте примерно 30 км в пределах стратосферы. В этом слое происходит поглощение ультрафиолетовых лучей, испускаемых Солнцем, — иначе солнечная радиация могла бы нанести большой вред жизни на поверхности Земли. Поэтому любая угроза озоновому слою заслуживает самого серьезного отношения. В 1985 году британские ученые, работавшие на Южном полюсе, обнаружили, что во время антарктической весны уровень озона в атмосфере там значительно ниже нормы. Ежегодно в одно и то же время количество озона уменьшалось — иногда в большей степени, иногда в меньшей. Подобные, но не столь ярко выраженные озоновые дыры появлялись также над Северным полюсом — во время арктической весны.
В последующие годы ученые выяснили, отчего появляется озоновая дыра. Когда солнце прячется и начинается долгая полярная ночь, происходит резкое падение температуры, и образуются высокие стратосферные облака, содержащие кристаллики льда. Появление этих кристалликов вызывает серию сложных химических реакций, приводящих к накоплению молекулярного хлора (молекула хлора состоит из двух соединенных атомов хлора). Когда появляется солнце и начинается антарктическая весна, под действием ультрафиолетовых лучей происходит разрыв внутримолекулярных связей, и в атмосферу устремляется поток атомов хлора. Эти атомы выступают в роли катализаторов реакций превращения озона в простой кислород, протекающих по следующей двойной схеме:
Cl + O 3 —> ClO + O 2 и ClO + O —> Cl + O 2
В результате этих реакций молекулы озона (O 3) превращаются в молекулы кислорода (O 2), причем исходные атомы хлора остаются в свободном состоянии и снова участвуют в этом процессе (каждая молекула хлора разрушает миллион молекул озона до того, как они удалятся из атмосферы под действием других химических реакций). Вследствие этой цепочки превращений озон начинает исчезать из атмосферы над Антарктидой, образуя озоновую дыру. Однако вскоре, с потеплением, антарктические вихри разрушаются, свежий воздух (содержащий новый озон) устремляется в этот район, и дыра исчезает.
В 1987 году в Монреале состоялась Международная конференция, посвященная угрозе озоновому слою, и промышленно развитые страны договорились о сокращении, а в конечном итоге и о прекращении производства хлорированных и фторированных углеводородов (хлорфторуглеродов, ХФУ) — химических веществ, разрушающих озоновый слой. К 1992 году замена этих веществ на безопасные проходила так успешно, что было принято решение о полном их уничтожении к 1996 году. Сегодня ученые верят, что лет через пятьдесят озоновый слой восстановится полностью.
Эти и другие недавно полученные научные данные укрепили вывод предыдущих оценок в том, что совокупность научных доказательств свидетельствует о том, что наблюдаемая потеря озона в средних и высоких широтах в основном обусловлена антропогенными хлор- и бромсодержащими соединениями
Оригинальный текст (англ.)
These and other recent scientific findings strengthen the conclusion of the previous assessment that the weight of scientific evidence suggests that the observed middle- and high-latitude ozone losses are largely due to anthropogenic chlorine and bromine compounds
Согласно другой гипотезе, процесс образования «озоновых дыр» может быть в значительной мере естественным и не связан исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации .
Для определения границ озоновой дыры выбран минимальный уровень содержания озона в атмосфере в 220 единиц Добсона .
Площадь озоновой дыры над Антарктикой составляла в 2018 году в среднем 22,8 млн квадратных километров (в 2010-2017 годах среднегодовые величины колебались от 17,4 до 25,6 млн квадратных километров, в 2000-2009 годах - от 12,0 до 26,6 млн квадратных километров, в 1990-1999 годах - от 18,8 до 25,9 млн квадратных километров).
История [ | ]
Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 году на Южном полушарии , над Антарктидой , группой британских учёных: (англ. ) , (англ. ) , (англ. ) , опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature . Каждый август она появлялась, а в декабре - январе прекращала своё существование. Над Северным полушарием в Арктике осенью и зимой существуют многочисленные озоновые мини-дыры. Площадь такой дыры не превышает 2 млн км², время её жизни - до 7 суток .
Механизм образования [ | ]
В результате отсутствия солнечного излучения, во время полярных ночей озон не образуется. Нет ультрафиолета - нет озона. Имея большую массу, молекулы озона опускаются к поверхности Земли и разрушаются, так как неустойчивы при нормальном давлении.
Роуланд и Молина предположили, что атомы хлора могут вызвать разрушение больших количеств озона в стратосфере. Их выводы были основаны на аналогичной работе Пауля Джозефа Крутцена и Харольда Джонстоуна, которые показали, что оксид азота (II) (NO) может ускорять разрушение озона.
К уменьшению концентрации озона в атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь , который препятствует проникновению озона из приполярных широт, и образование полярных стратосферных облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее ввиду отсутствия континентальной поверхности, температура выше на несколько градусов, чем в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород , атомы кислорода , хлора , брома), неорганические (хлороводород , монооксид азота) и органические соединения (метан , фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора , которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой , образуя стабильный фтороводород . Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона. Йод также не разрушает стратосферный озон , так как иодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере. Основные реакции, вносящие вклад в разрушение озона, приведены в статье про озоновый слой .
Последствия [ | ]
Ослабление озонового слоя усиливает поток ультрафиолетовой солнечной радиации, проникающей в океанские воды, что ведет к увеличению смертности среди морских животных и растений .
Восстановление озонового слоя [ | ]
Хотя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов хлор- и бромсодержащих фреонов путём перехода на другие вещества, например фторсодержащие фреоны, процесс восстановления озонового слоя займёт несколько десятилетий. Прежде всего, это обусловлено огромным объёмом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые имеют время жизни десятки и даже сотни лет. Поэтому затягивания озоновой дыры не стоит ожидать ранее 2048 года. По данным профессора Сьюзан Соломон, с 2000 по 2015 озоновая дыра над Антарктидой уменьшилась примерно на площадь Индии. По данным НАСА , в 2000 году среднегодовая площадь озоновой дыры над Антарктидой составила 24,8 млн квадратных километров, в 2015 году - 25,6 млн квадратных километров .
Заблуждения об озоновой дыре [ | ]
Существует несколько широко распространённых мифов касательно образования озоновых дыр. Несмотря на свою ненаучность, они часто появляются в СМИ [ ] - иногда по неосведомлённости, иногда поддерживаемые сторонниками теорий заговоров . Ниже перечислены некоторые из них.
Озоновая дыра над Антарктидой существует уже давно [ | ]
Систематические научные наблюдения за озоновым слоем Антарктиды ведутся с 20-х годов XX века, но только во второй половине 70-х было обнаружено образование «устойчивой» Антарктической озоновой дыры, причем быстрые темпы её развития (увеличение размеров и снижение средней концентрации озона в границах дыры) в 80-е и 90-е годы вызвали панические опасения того, что точка невозврата в степени разрушающего антропогенного воздействия на озоновый слой уже пройдена.
Основными разрушителями озона являются фреоны [ | ]
Это утверждение справедливо для средних и высоких широт. В остальных хлорный цикл ответственен только за 15-25 % потерь озона в стратосфере. При этом необходимо отметить, что 80 % хлора имеет антропогенное происхождение (подробнее про вклад различных циклов см. ст. озоновый слой). То есть вмешательство человека сильно увеличивает вклад хлорного цикла. И при имевшейся тенденции к увеличению производства фреонов до вступления в действие Монреальского протокола (10 % в год) от 30 до 50 % общих потерь озона в 2050 году обуславливалось бы воздействием фреонов. До вмешательства человека процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые при человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона. Что же касается полярных озоновых дыр, то здесь ситуация совершенно иная. Механизм разрушения озона в принципе отличается от более высоких широт, ключевой стадией является превращение неактивных форм галогенсодержащих веществ в оксиды, которая протекает на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. И в результате практически весь озон разрушается в реакциях с галогенами, за 40-50 % ответственен хлор и порядка 20-40 % - бром.
Позиция компании DuPont [ | ]
Компания DuPont после обнародования данных об участии фреонов в разрушении стратосферного озона восприняла эту теорию в штыки и потратила миллионы долларов на кампанию в прессе по защите фреонов. Председатель DuPont писал в статье в журнале Chemical Week от 16 июля 1975 года, что теория разрушения озона - это научная фантастика, вздор, не имеющий смысла . Кроме DuPont целый ряд компаний во всём мире производил и производит различные типы фреонов без отчисления лицензионных платежей .
Фреоны слишком тяжелы, чтобы достигать стратосферы [ | ]
Иногда утверждается, что так как молекулы фреонов намного тяжелее азота и кислорода, то они не могут достигнуть стратосферы в значительных количествах. Однако атмосферные газы перемешиваются полностью, а не стратифицируются или сортируются по весу. Оценки требуемого времени для диффузионного расслоения газов в атмосфере требуют времён порядка тысяч лет. Конечно, в динамической атмосфере это невозможно. Процессы вертикального массопереноса, конвекции и турбулентности полностью перемешивают атмосферу ниже турбопаузы намного быстрее. Поэтому даже такие тяжёлые газы, как инертные или фреоны , равномерно распределяются в атмосфере, достигая в том числе и стратосферы . Экспериментальные измерения их концентраций в атмосфере подтверждают это, см. например справа график распределения фреона CFC-11 по высоте. Также измерения показывают, что требуется порядка пяти лет для того чтобы газы, выделившиеся на поверхности Земли, достигли стратосферы, см. второй график справа. Если бы газы в атмосфере не перемешивались, то такие тяжёлые газы из её состава, как аргон и углекислый газ , образовывали бы на поверхности Земли слой в несколько десятков метров толщиной, что сделало бы поверхность Земли необитаемой. Но это не так. И криптон с атомарной массой 84, и гелий с атомарной массой 4, имеют одну и ту же относительную концентрацию, что около поверхности, что до 100 км высоты. Конечно, всё вышесказанное справедливо только для газов, которые относительно стабильны, как фреоны или инертные газы. Вещества, которые вступают в реакции, а также подвергаются различным физическим воздействиям, скажем, растворяются в воде, имеют зависимость концентрации от высоты.
Основные источники галогенов природные, а не антропогенные [ | ]
Источники хлора в стратосфере
Есть мнение, что природные источники галогенов , например вулканы или океаны , более значимы для процесса разрушения озона, чем произведённые человеком. Не подвергая сомнению вклад природных источников в общий баланс галогенов, необходимо отметить, что в основном они не достигают стратосферы ввиду того, что являются водорастворимыми (в основном хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю. Также природные соединения менее устойчивы, чем фреоны, например метилхлорид имеет атмосферное время жизни всего порядка года, по сравнению с десятками и сотнями лет для фреонов. Поэтому их вклад в разрушении стратосферного озона довольно мал. Даже редкое по своей силе извержение вулкана Пинатубо в июне 1991 года вызвало падение уровня озона не за счёт высвобождаемых галогенов, а за счёт образования большой массы сернокислых аэрозолей, поверхность которых катализировала реакции разрушения озона. К счастью, уже через три года практически вся масса вулканических аэрозолей была удалена из атмосферы. Таким образом, извержения вулканов являются сравнительно краткосрочными факторами воздействия на озоновый слой, в отличие от фреонов, которые имеют времена жизни в десятки и сотни лет.
Озоновая дыра должна находиться над источниками фреонов [ | ]
Динамика изменения размера озоновой дыры и концентрации озона в Антарктике по годам
Многие не понимают, почему озоновая дыра образуется в Антарктике, когда основные выбросы фреонов происходят в Северном полушарии. Дело в том, что фреоны хорошо перемешаны в тропосфере и стратосфере . Ввиду малой реакционной способности они практически не расходуются в нижних слоях атмосферы и имеют срок жизни в несколько лет или даже десятилетий. Будучи очень летучими молекулярными соединениями, они сравнительно легко достигают верхних слоёв атмосферы.
Сама Антарктическая «озоновая дыра» существует не круглогодично. Она появляется в конце зимы - начале весны (август-сентябрь) и проявляется в заметном снижении средней концентрации озона внутри обширной географической области. Причины, по которой озоновая дыра образуется в Антарктике, связаны с особенностями местного климата. Низкие температуры антарктической зимы приводят к образованию полярного вихря. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса и слабо перемешивается с воздухом других широт. В это время полярная область не освещается Солнцем, и в отсутствие ультрафиолетового облучения озон не образуется, а, накопленный до этого, разрушается (как в результате взаимодействий с другими веществами и частицами, так и самопроизвольно, поскольку молекулы озона нестабильны). С приходом полярного дня количество озона постепенно увеличивается и снова выходит к нормальному уровню. То есть колебания концентрации озона над Антарктикой - сезонные.
Но если проследить усреднённую в течение каждого года динамику изменения концентрации озона и размера озоновой дыры в течение последних десятилетий, то имеется выраженная тенденция к падению средней концентрации озона в пределах огромной географической области.
Источники и примечания [ | ]
- Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006 (англ.) . Проверено 13 декабря 2007. Архивировано 16 февраля 2012 года.
- «Знание-сила» Новости науки: 27.12.99 (рус.) . Проверено 3 июля 2007. Архивировано 16 февраля 2012 года.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТРЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГОУВПО УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)
ФАКУЛЬТЕТ ЛЁТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ
КАФЕДРА ПАСОП
РЕФЕРАТ
на тему: Озоновые дыры: причины и последствия
Выполнил: Базаров М.А.
Руководитель: Морозова М.М.
Ульяновск 2012
Введение
1. Причины
2. Последствия
3. Географическое расположение
4. Роль ВС гражданской и военной авиации в образовании озоновых дыр
5. Пути решения проблем
Заключение
Введение
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 маштабам воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек, а количество высвобождаемой энергии, получаемой землёй от солнца.
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.
Расход невозобновимого сырья повышается, всё больше пахотных земель выбывает из экономики, так как на них строятся города и заводы. Биосфера Земли 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.
Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете.
В результате перед обществом возникла дилемма: либо бездумно катиться к своей неизбежной гибели в надвигающейся экологической катастрофе, либо сознательно превратить созданные гением человека могучие силы науки и техники из орудия, ранее обращенного против природы и самого человека, в орудие их защиты и процветания, в орудие рационального природопользования.
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.
Всемирная организация здравоохранения определила, что здоровье человека на 20% зависит от его наследственности, на 20% от состояния окружающей среды, на 50% от образа жизни и на 10% от медицины. В ряде регионов России к 2005 году предполагается следующая динамика факторов, влияющих на здоровье человека: роль экологии возрастет до 40%, действие генетического фактора увеличится до 30%, до 25% уменьшится возможность поддержания здоровья за счёт образа жизни и до 5% снизится роль медицины.
Характеризуя современное состояние экологии, как критическое, можно выделить главные причины, которые ведут к экологической катастрофе: загрязнение, отравление среды обитания, обеднение атмосферы кислородом, озоновые дыры.
Целью настоящей работы явилось обобщение литературных данных о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр”.
озоновый слой дыра экологический
1. Причины
Озоновая дырам -- локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя.
Согласно другой гипотезе, процесс образования «озоновых дыр» может быть в значительной мере естественным и не связан исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации.
Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 году, на Южном полушарии, над Антарктидой, группой британских учёных: Дж. Шанклин (англ.), Дж. Фармен (англ.), Б. Гардинер (англ.), опубликовавших соответствующую статью в журнале Nature. Каждый август она появлялась, а в декабре -- январе прекращала своё существование. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра, но меньших размеров. На данном этапе развития человечества, мировые ученые доказали, что на Земле существует громадное количество озоновых дыр. Но наиболее опасная и крупная расположена над Антарктикой.
К уменьшению концентрации озона в атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению озона из приполярных широт, и образование полярных стратосферных облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее ввиду отсутствия континентальной поверхности, температура выше на несколько градусов, чем в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, моноксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой образуя стабильный фтороводород. Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона. Йод также не разрушает стратосферный озон, так как иодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере. Основные реакции, вносящие вклад в разрушение озона приведены в статье про озоновый слой.
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.
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).
Позднее, в 90-е гг прошлого века 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.
Среди версий образования озоновых дыр можно назвать:
влияние частиц, выбрасываемых при атомных взрывах;
полеты ракет и высотных самолетов;
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 (поэтому их называют «хладонами»), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, для тушения пожаров на транспорте, как пенообразователи, для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т/год.
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.
2. Последствия
Озоновая дыра представляет опасность для живых организмов, поскольку озоновый слой защищает поверхность Земли от чрезмерных доз ультрафиолетового излучения Солнца. Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.
Озон в стратосфере защищает Землю от разрушительной ультрафиолетовой, солнечной радиации. Разрушение озонового слоя позволит большему количеству солнечной радиации достигнуть поверхности Земли.
Каждый потерянный процент содержания озона в стратосфере приводит к увеличению интенсивности воздействия ультрафиолетовой, солнечной радиации на 1,5-2 процента, по данным Агентства по охране окружающей среды США. Для человека увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения, прежде всего опасно-воздействием солнечной радиации на кожу и глаза.
Радиация с длиной волн в спектре от 280 до 320 нанометров - УФ лучи, которые частично блокируются озоном - могут вызвать преждевременное старение и рост числа раковых заболеваний кожи, а также поражение растений и животных.
Радиация с длиной волн больше, чем 320 нанометров, УФ спектра, практически не поглощается озоном и фактически необходима человеку для формирования витамина Д. УФ радиация с длиной волн в спектре 200 - 280 нанометров может вызвать серьезные последствия для биологических организмов. Однако излучение этого спектра практически полностью поглощается озоном. Таким образом, «ахиллесова пята» земной жизни - это излучение довольно узкого спектра УФ волн длиной от 320 до 280 нанометров. С сокращением длины волн усиливается их способность причинять вред живым организмам и ДНК. К счастью, способность озона поглощать ультрафиолетовую радиацию растет пропорционально сокращению длины волны излучения.
· Увеличение количества случаев заболевания раком кожи.
· Подавление иммунной системы человека.
· Поражение глаз.
Ультрафиолетовая радиация может повредить роговую оболочку глаза, соединительную оболочку глаза, хрусталик и сетчатку глаза. Ультрафиолетовая радиация может вызвать фотокератозиз (или снежную слепоту), похожий на солнечный ожег роговой или соединительной оболочки глаза. Увеличение воздействия ультрафиолетовой радиации на людей в следствии разрушения озонового слоя приведет к увеличению числа людей с катарактой, по мнению авторов «Как спасти нашу кожу». Катаракта закрывает хрусталик глаза, снижая остроту зрения, и может вызвать слепоту.
· Уничтожение урожаев.
3. Географическое расположение
Утоньшение озонового слоя стали фиксировать в 70-х годах. Особенно значительно он уменьшился над Антарктидой, что и привело к появлению расхожего выражения “озоновая дыра”. Малые дыры фиксируются так же в северном полушарии - над Арктикой, в районе космодромов Плесецк и Байконур. В 1974 г. двое ученых из Калифорнийского университета - Марио Молина и Шервурд Роуленд - выдвинули гипотезу, что основным фактором разрушения озона выступают газы фреоны, используемые в холодильной и парфюмерной промышленности. Менее значительные озоноразрушающие факторы - полеты ракет и сверхзвуковых самолетов.
Расположение «озоновых дыр» тяготеет к локализации положительных Мировых магнитных аномалий. На Южном полушарии это Приантарктическая, а на Северном -Восточно-Сибирская мировая магнитная аномалия. Причем, могущество Сибирской аномалии растет настолько сильно, что даже в Новосибирске вертикальная составляющая геомагнитного поля растет ежегодно на 30 гамм (нанотесла).
Утрата озонового слоя над Арктическим бассейном была в этом году столь значительной, что впервые в истории наблюдений можно говорить о возникновении «озоновой дыры», сходной с антарктической. На высотах свыше 20 км потери озона составили порядка 80%. Вероятной причиной этого явления называется необычно долгое сохранение сравнительно низких температур в стратосфере на этих широтах.
4. Роль ВС гражданской и военной авиации в образовании озоновых дыр
Разрушению озонного слоя способствуют не только фреоны, выделяющиеся в атмосферу и попадающие в стратосферу. К разрушению озонного слоя причастны и окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах. Но окислы азота образуются и в камерах сгорания турбореактивных двигателей высотных самолётов. Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скорость образования окислов азота тем больше, чем выше температура, т. е. чем больше мощность двигателя.
Важна не только мощность двигателя самолёта, но и высота, на которой он летает и выпускает разрушающие озон окислы азота. Чем выше образуется окись или закись азота, тем он губительнее для озона.
Общее количество окиси азота, которое выбрасывается в атмосферу в год, оценивается в 1 млрд т.. Примерно треть этого количества выбрасывается самолётами выше среднего уровня тропопаузы (11 км). Что касается самолётов, то наиболее вредными являются выбросы военных самолётов, количество которых исчисляется десятками тысяч. Они летают преимущественно на высотах озонного слоя.
5. 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.
Заключение
Возможности воздействия человека на природу постоянно растут и уже достигли такого уровня, когда возможно нанести биосфере непоправимый ущерб. Уже не в первый раз вещество, которое долгое время считалось совершенно безобидным, оказывается на самом деле крайне опасным. Лет двадцать назад вряд ли кто-нибудь мог предположить что обычный аэрозольный баллончик может представлять серьезную угрозу для планеты в целом. К несчастью, далеко не всегда удается вовремя предсказать, как - то или иное соединение будет воздействовать на биосферу. Однако в случае с ХФУ такая возможность была: все химические реакции, описывающие процесс разрушения озона ХФУ крайне просты и известны довольно давно. Но даже после того, как проблема ХФУ была в 1974 г. сформулирована, единственной 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 приняты 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 относиться ко всем веществам, попадающим в биосферу в результате деятельности человечества.
Проблема исторических и современных изменений климата оказалась очень сложной и не находит решения в схемах однофактоpного детерминизма. Наяду с ростом концентрации углекислого газа важную роль играют изменения озоносфеpы, связанные с эволюцией геомагнитного поля. Разработка и проверка новых гипотез являются необходимым условием познания закономерностей общей циркуляции атмосферы и других геофизических процессов, влияющих на биосферу.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Причины, ведущие к экологической катастрофе. Определение озоновой дыры, механизм ее образования и последствия. Восстановление озонового слоя. Переход на озоносберегающие технологии. Заблуждения, касающиеся озоновой дыры. Фреоны - разрушители озона.
презентация , добавлен 07.10.2012
Озоновые дыры и причины их возникновения. Источники разрушения озонового слоя. Озоновая дыра над Антарктикой. Мероприятия по защите озонового слоя. Правило оптимальной компонентной дополнительности. Закон Н.Ф. Реймерса о разрушении иерархии экосистем.
контрольная работа , добавлен 19.07.2010
Теории образования озоновых дыр. Спектр озонового слоя над Антарктидой. Схема реакции галогенов в стратосфере, включающая их реакции с озоном. Принятие мер по ограничению выбросов хлор- и бромсодержащих фреонов. Последствия разрушения озонового слоя.
презентация , добавлен 14.05.2014
Общее понятие об озоновой дыре, последствия её образования. Озоновая дыра, диаметром 1000 км, на Южном полушарии, над Антарктидой. Причины разрыва внутримолекулярных связей, превращение молекулы озона в молекулу кислорода. Восстановление озонового слоя.
презентация , добавлен 01.12.2013
Характеристика местоположения, функций и значения озонового слоя, истощение которого может оказать значительное влияние на экологию Мирового океана. Механизмы образования "озоновой дыры" - многообразие антропогенного вмешательства. Пути решения проблемы.
контрольная работа , добавлен 14.12.2010
Локальный экологический кризис. Экологические проблемы атмосферы. Проблема озонового слоя. Понятие парниковый эффект. Кислотные дожди. Последствия кислотных осадков. Самоочищение атмосферы. Какие приоритеты считать основными? Что важнее экология или НТП.
реферат , добавлен 14.03.2007
Специфика химического загрязнения атмосферы, опасности парникового эффекта. Кислотные дожди, роль концентрации озона в атмосфере, современные проблемы озонового слоя. Загрязнение атмосферы выбросами автомобильного транспорта, состояние проблемы в Москве.
курсовая работа , добавлен 17.06.2010
Снижение концентрации стратосферного озона. Что такое озоновая дыра и причины ее образования. Процесс разрушения озоносферы. Поглощение ультрафиолетового излучения Солнца. Антропогенное загрязнение атмосферы. Геологические источники загрязнений.
презентация , добавлен 28.11.2012
Озоновая дыра как локальное падение озонового слоя. Роль озонового слоя в атмосфере Земли. Фреоны - основные разрушители озона. Методы восстановления озонового слоя. Кислотные дожди: сущность, причины появления и негативное воздействие на природу.
презентация , добавлен 14.03.2011
Изучение проблемы глобального загрязнения природной среды промышленными и сельскохозяйственными предприятиями. Характеристика нарушения озонового слоя атмосферы, кислотных дождей, парникового эффекта. Описания утилизации отходов лакокрасочных материалов.