Мониторинг озонового слоя Земли
Курсовая работа
по дисциплине “Экологический мониторинг”
на тему: “Мониторинг озонового слоя Земли ”
Тольятти 2008 г.
Оглавление
Введение…………………………………………………………
1.Из истории………………………………………………………….
2.Местоположение и функции озонового слоя……………………...5
3. Химия озонового слоя и жизнь на Земле……………………...…..6
4.Причины ослабления озонового щита…………………………….12
5. Озоновый щит против
5.1. Климат………………………………………………………...
5.2. Так ли всесилен парниковый эффект?.......................
5.3. Изучение проблемы озонового слоя…………………………..15
5.4. Страна озоновой аномалии…………………………………….16
6. Гипотеза солнечно-
6.1. Глобальная политика и глобальная экология………………....17
6.2. О механизмах
воздействия СА на атмосферу………
6.3. Солнечно-атмосферный резонанс…………………………......19
7. Озон и климат в стратосфере………
8. Разрушение озонового слоя
земли хлорфторуглеводородами….
9. Что было сделано в области защиты озонового слоя……………..22
10. Факты говорят сами за себя…………
Вывод…………………………………………………………………
Список литературы……………………………………………………
Введение
На сегодняшний день проблема озона беспокоит очень многих, о ней наслышаны даже те, кто раньше и не знал о существовании озонового слоя в атмосфере, а помнил о нём только из школьного курса химии. И интерес к этой проблеме понятен, ведь речь идёт о будущем человечества. Изменения в озоновом слое могут привести к изменению климата на планете в худшую сторону, поднимется уровень мирового океана, возрастёт количество раковых заболеваний из-за увеличения ультрафиолетового излучения Солнца достигающего поверхности планеты. К сожалению опасения людей, об изменении озонового слоя не беспочвенны. Впервые об опасности изменения озонового слоя Земли начали говорить ещё в 70 годы. Но тогда мало, что было сделано, что бы нейтрализовать эту угрозу. Если бы в те годы ввели эффективные методы по предотвращению этой угрозы, то в наше время это проблема не была бы так актуальна. В первую очередь это связано с экономическими интересами.
К разрушению озонового слоя приводят различные химические вещества. Такие как фреоны, использующиеся в холодильной промышленности и в аэрозолях. Окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах и в камерах сгорания реактивных самолётов и ракет. Причём последнее особенно вредно, так как на больших высотах окислы азота живут очень долго. Применение большого количества минеральных удобрений тоже вредит озоновому слою. Дымовые газы электростанций вырабатывают миллионы тонн закиси азота в год.
Таким образом, большая часть воздействия на озоновый слой планеты связана с хозяйственной деятельностью человечества. Поэтому быстрого изменения ситуации ждать не стоит. Ведь человечество не может взять и отказаться от использования минеральных удобрений или быстро перейти на новые технологии производства холодильных установок.
О нарушении озонового слоя свидетельствовали озоновые дыры появлявшиеся весной над Антарктикой. Там благодаря особой циркуляции воздуха в атмосфере в зимние и весенние месяцы, присутствующие в стратосфере химические вещества, такие как хлор, фтор, азот, метан и др., преобразуются в активные, которые быстро разрушают озон. Измерения показали, что в такие периоды концентрация окиси хлора в 100-500 раз больше чем в средних широтах. То есть вредные вещества, которые попадают в атмосферу, переносятся движением воздуха на все широты, но только в Антарктике в конце зимы и весной, благодаря особым природным условиям они эффективно разрушают стратосферный озон. Но это не значит что проблема озоновой дыры в Антарктике региональная, а не глобальная.
Весь озон на планете находится как бы в сообщающихся сосудах, в одних районах он образуется регулярно, а в других плохо, где-то он живёт годы, а где-то секунды. Соответственно если он исчезнет без компенсации в одном месте, то общий объём озона в мире уменьшится. Но в нашем техногенном мире, перекись азота, поступающая в приземной воздух больших городов в составе автомобильных выхлопных газов, реагирует при ультрафиолетовом облучении с ненасыщенным углеводородом, тем самым, формируя в больших городах озоновый смог. В приземном слое воздуха озон не только образуется, но и разлагается. Разложение происходит за счёт растений, животных и промышленных выбросов.
1. Из истории
С начала 20 века ученые наблюдают за состоянием озонового слоя атмосферы. Сейчас уже все понимают, что стратосферный озон является своего рода естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы жесткого космического излучения – ультрафиолета-В.
16 сентября 1987 г. был
принят Монреальский протокол
по веществам, разрушающим
С конца 70-х годов ученые стали отмечать неуклонное истощение озонового слоя. Причиной тому стало проникновение в верхние слои стратосферы озоно-разрушающих веществ (ОРВ), используемых в промышленности, молекулы которых содержат хлор или бром. Хлорфторуглероды (ХФУ) или другие ОРВ, выпущенные человеком в атмосферу, достигают стратосферы, где под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы теряют атом хлора. Агрессивный хлор начинает разбивать одну за другой молекулы озона, сам при этом, не претерпевая никаких изменений. Срок существования различных ХФУ в атмосфере от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано, что за это время один атом хлора способен превратить в кислород 100 000 молекул озона.
По мнению врачей, каждый потерянный процент озона в масштабах планеты вызывает до 150 тысяч дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6 процента увеличивается количество раковых заболеваний кожи, значительно возрастает число болезней, вызванных ослаблением иммунной системы человека. Наибольшему риску подвержены жители северного полушария со светлой кожей. Но страдают не только люди. УФ-В излучение, к примеру, крайне вредно для планктона, мальков, креветок, крабов, водорослей, обитающих на поверхности океана.
Озоновая проблема, первоначально поднятая учеными, вскоре стала предметом политики. Все развитые страны, за исключением Восточной Европы и бывшего СССР, к концу 1995 г. в основном завершили поэтапное сокращение производства и потребления озоно-разрушающих веществ. С целью оказания помощи остальным государствам был создан Глобальный экологический фонд (ГЭФ).
По данным ООН, благодаря
согласованным усилиям мирового
сообщества, предпринятым в последнее
десятилетие, производство пяти основных
видов ХФУ сократилось более че
2. Местоположение и функции озонового слоя
В принципе озон это разновидность кислорода. Озон был открыт в 1839 году немецким химиком Шенбейном, а в 1873г. его обнаружили в приземной атмосфере. Спустя 8 лет английский химик Гартли обнаружил озон в верхних слоях атмосферы.
В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхности составляет в среднем 10-6%. Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода.
Озоновый «экран» расположен в стратосфере, на высотах от7-8 км на полюсах, 17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 – 24 километров над Землей.
Слой озона удивительно тонок. Если бы этот газ сосредоточить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку лишь в 2-4 мм толщиной (минимум – в районе экватора, максимум – у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас, почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация. Озон поглощает некоторую часть инфракрасного излучения Земли. Благодаря этому он задерживает около 20% излучения Земли, повышая отепляющее действие атмосферы.
Озон – активный газ и может неблагоприятно действовать на человека. Обычно его концентрация в нижней атмосфере незначительна и он не оказывает вредного влияния на человека. Большие количества озона образуются в крупных городах с интенсивным движением автотранспорта в результате фотохимических превращений выхлопных газов автомашин.
Озон, также, регулирует жесткость космического излучения. Если этот газ хотя бы частично уничтожается, то, естественно жесткость излучения резко возрастает, а, следовательно, происходят реальные изменения растительного и животного мира.
Уже доказано, что отсутствие или малая концентрация озона может или приводит к раковым заболеваниям, что самым наихудшим образом отражается на человечестве и его способностью к воспроизводству.
3. Химия озонового слоя и жизнь на Земле.
В отличие от других атмосферных составляющих озон появился в атмосфере исключительно химическим путём и является самой молодой атмосферной компонентой. С экологической точки зрения наиболее ценным свойством озона является его способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца; в то же время как химическое соединение озон является сильнейшим окислителем (попросту ядом), способным при непосредственном контакте отравить ту самую флору и фауну, которую он защищает в качестве стратосферного озонового слоя. Помимо этого озон является эффективным парниковым газом. И, наконец, озон оказывает заметное влияние на малые активные составляющие атмосферы, а через них - и на стабильные компоненты, которые, как и сам озон, поглощают и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Тем самым озон оказывает не только прямое, но и косвенное влияние на парниковый эффект и уровень ультрафиолетового (УФ) излучения на поверхности Земли.
Эти свойства делают озон одной из наиболее важных малых атмосферных составляющих, сохранение которой на современном уровне обеспечивает те экологические и биологические условия, в которых земная фауна и флора существует уже многие миллионы лет.
Связь эволюции земной жизни с озоном можно проследить с помощью данных, приведенных на рис.1(источник - R.P.Wayne (1991) Chemistry of the Atmospheres. 2nd ed., Clarendon Press, Oxford, U.K.). , где показано, каким образом изменялись приземная концентрация кислорода и общее содержание озона за последние 4 миллиарда лет по сравнению с сегодняшним уровнем, принятым за единицу. На этом рисунке по оси абсцисс отложено время в миллионах лет тому назад.
Видно, что растительность на суше появилась лишь чуть более 400 миллионов лет тому назад, когда содержание кислорода составляло более 0,6, а озона - более 0,8 современного уровня, что оказалось достаточным, чтобы защитить живые клетки от коротковолнового солнечного излучения. До этого момента жизнь развивалась исключительно в водной среде, которая и обеспечивала соответствующую защиту вместо озонового слоя. Появление растительности на суше ускорило накопление атмосферного кислорода за счёт процессов теперь уже наземного фотосинтеза и вскоре содержание кислорода и озона в атмосфере достигли современного уровня. Накопление кислорода в атмосфере до появления растений на суше происходило за счёт процессов фотосинтеза в океане, а также за счёт дегазации базальтовой магмы. Оба этих источника атмосферного кислорода продолжают действовать и сейчас, причём доля океана в фотосинтезе кислорода сегодня составляет 80%.
Отсюда можно сделать вывод, что жизнь на Земле последние 400 миллионов лет развивалась под защитой озонового слоя.
Эта роль объясняется тем, что озон поглощает солнечное УФ-излучение совершенно в том же диапазоне длин волн, что и молекулы живых клеток. В результате биологически опасное УФ-излучение поглощается в атмосфере, не достигая поверхности Земли. Эта ситуация поясняется на Рис.2., где показана зависимость высоты, на которой поглощается 90% первичного солнечного ультрафиолетового излучения (в присутствии озонового слоя и без него) от длины волны (источник - Dr. Stephen Wison, Tropospheric Chemistry Overview). По оси ординат отложена высота в км, а по оси абсцисс – длина волны в нанометрах.
Видно, что в диапазоне длин волн 230-290 нм, который биологически является наиболее чувствительным, эта высота превышает 30 км, обеспечивая надёжную защиту живых форм на поверхности Земли. На том же рисунке показано, что в отсутствие озонового слоя весь поток в этой области длин волн достигал бы поверхности Земли, возвращая нас к ситуации, существовавшей 4 миллиарда лет тому назад. Но даже не полное отсутствие, а только убыль атмосферного озона на 20% (если верить рис.1), могла вернуть бы нас на 400 миллионов лет назад, когда на суше не было даже растений.
Основное воздействие УФ-
Наиболее эффективно УФ-
Нужно подчеркнуть, что эта реакция, при всей своей обыденности, совершенно особенная. Действительно, стоит только представить, что связь между 5 и 6-м атомами углерода в тимине, которая разрывается при поглощении кванта света, была бы чуть слабее, а сечение поглощения света было бы чуть больше, как станет ясно, что описанный процесс мог бы происходить и при больших длинах волн, которые не "защищаются" озоновым слоем, а, следовательно, жизнь не смогла бы появиться на земной поверхности ни 400 миллионов лет тому назад, ни позднее и была бы обречена на исключительно подводное существование. Пришлось бы далее развиваться под водой.
Из сказанного выше отметим два важных момента:
1. Совершенно
случайно оказалось, что
2. Это
позволило при образовании
Короче говоря, наше появление на Земле было делом случая.
Но раз уж нам так повезло с озоном, имеет смысл разобраться, каким образом природа создала и сохраняет озоновый слой, и как человек может этому помешать.
Практически единственным источником озона в атмосфере является фотодиссоциация молекулярного кислорода на атомы с последующим быстрым прилипанием атома к молекуле O2 с образованием молекулы озона:
O2 + hn ® O + O, l Ј 242 нм; (1)
O + O2 + M ® O3 + M, (2)
(здесь М - любая
молекула воздуха).
Этот процесс происходит на высотах более 30 км, поскольку ниже этой высоты (как это показано на рис.2) ,коротковолновое солнечное излучение не проникает. В результате довольно высоко в атмосфере появляются молекулы озона и атомы кислорода.
Гибель атмосферного озона происходит в результате следующих процессов:
O3 + hn ® O + O2,
O + O3 ® O2 + O2.
Таким образом, образовавшиеся когда-то из молекул кислорода атомы вновь соединяются в молекулу. Заметим только, что для того чтобы "развалить" молекулу озона, коротковолновое излучение не нужно. Связь атома О с молекулой О2, в озоне очень слабая, поэтому даже при облучении видимым светом молекула озона будет фотодиссоциировать на исходные составляющие.
Отметим также, что реакция (3) является основным поставщиком атомов кислорода; её скорость на всех высотах тропосферы и стратосферы на три и более порядков выше скорости реакции (1).
Приведенный выше механизм был предложен в начале 1930-х годов английским геофизиком Чепменом и явился первой попыткой объяснить образование озонового слоя в атмосфере.
Из приведенной схемы видно, что если бы после образования озона можно было "выключить" Солнце, то накопленный озон сохранялся бы в атмосфере.
Так оно в действительности и происходит: накопленный за день в стратосфере озон ночью сохраняется на дневном уровне. Аналогичный механизм действует и в течение всего года. Он заключается в том, что образующийся в тропической стратосфере (где высок уровень коротковолнового УФ-излучения) озон процессами глобальной циркуляции переносится к полюсам, где в течение полярной ночи происходит его накопление. В результате во все сезоны больше всего озона находится в высоких широтах (особую роль антарктической и арктической весенних озоновых дыр мы обсудим ниже). Глобальный сезонный ход распределения общего содержания озона на всех широтах имеет максимум весной, что объясняется накоплением озона в зимний период.
К сказанному выше по поводу Чепменовского механизма образования атмосферного озона нужно добавить следующее.
Помимо реакции (4) к гибели озона приводят и реакции (5) и (6):
O3 + O3 ® O2 + O2 + O2, (5)
O + O + M ® O2 + M, (6)
хотя в последнем
случае реагируют не молекулы озона,
а атомы кислорода. Последнее
обстоятельство объясняется тем, что
атомы кислорода и молекулы озона
образуют в атмосфере жёстко связанную
систему частиц, называемую нечётным
кислородом, в которой атомы O и молекулы О3 формально неразличимы.
Действительно, как это показано на рис.4
после образования молекулы озона и до
её гибели через 0,6 года (на высоте 30 км)
происходят быстрые взаимные превращения
между O3 и O, в которых частицы нечётного
кислорода, Ox = O3 + O, сохраняются.
Реакция (4) является основным
и единственным процессом
Важность выбора реакции (4) как основного стока нечётного кислорода усиливается ещё и тем обстоятельством, что действие всех других естественных и антропогенных компонент, разрушающих озон, обусловлено исключительно ускорением этой реакции.
Это ускорение связано с появлением более быстрых параллельных путей основной реакции гибели нечётного кислорода:
O3 + 2X ® 2XO + 2O ® O2,
где X = OH, NO, Cl, Br и др.
Чрезвычайно важной особенностью реакций с участием частиц X является цепной характер этих процессов. В простейшем случае этот механизм включает следующие стадии:
Образование химически активных частиц Х, ведущих цепь.
Продолжение цепи
X + O3 ® XO + O2
XO + O ® X + O2
Гибель частиц Х.
Заметим, что на стадии 2 частицы Х сохраняются (что и позволяет продолжать процесс), а молекулы нечётного кислорода погибают. Отношение скорости продолжения цепи к скорости гибели частиц Х определяет длину цепи процесса и число разрушенных частиц нечётного кислорода (или, попросту говоря, молекул озона, поскольку в сумме О3 + О = Ох молекул озона гораздо больше, чем атомов О).
Из приведенного набора частиц Х, разрушающих озон, антропогенные факторы к настоящему времени смогли повлиять только на атмосферное содержание компонент, связанных с хлором и бромом. Но и этого оказалось достаточным, чтобы вызвать всеобщую тревогу, поскольку описанный цепной процесс может протекать с чрезвычайно высокой эффективностью, особенно для окислов азота и атомов галоидов. В этом случае длина цепи достигает сотен тысяч. Это означает, что один атом хлора, появившийся в стратосфере из одной молекулы фреона, может разрушить сотни тысяч молекул озона (!).
Только наличие такого мощного
естественного химического
4. Причины ослабления озонового щита
Озоновый слой защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Обнаружено, что в течение многих лет озоновый слой претерпевает небольшое, но постоянное ослабление над некоторыми районами Земного шара, включая густо населенные районы в средних широтах Северного полушария. Над Антарктикой обнаружена обширная "озоновая дыра".
Разрушение озона происходит из-за воздействия ультрафиолетовой радиации, космических лучей, некоторых газов: соединений азота, хлора и брома, фторхлоруглеродов (фреонов). Деятельность человека, приводящая к разрушению озонового слоя, вызывает наибольшую тревогу. Поэтому многие страны подписали международное соглашение, предусматривающее сокращение производства озоно-разрушающих веществ.
Предполагается множество причин ослабления озонового щита.
Во-первых,
– это запуски космических
ракет. Сгорающее топливо «
Во-вторых, самолеты. Особенно, летящие на высотах в 12-15 км. Выбрасываемый ими пар и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время самолеты, летающие ниже 12 км. Дают прибавку озона. В городах он – один из составляющих фотохимического смога. В третьих, это хлор и его соединения с кислородом. Огромное количество (до 700 тысяч тонн) этого газа поступает в атмосферу, прежде всего от разложения фреонов. Фреоны – это не вступающие у поверхности Земли, ни в какие химические реакции газы, кипящие при комнатной температуре, а потому резко увеличивающие свой объем, что делает их хорошими распылителями. Поскольку при их расширении снижается их температура, фреоны широко используют в холодильной промышленности.
Каждый год количество фреонов в земной атмосфере увеличивается на 8-9%. Они постепенно поднимаются наверх, в стратосферу и под воздействием солнечных лучей становятся активными – вступают в фотохимические реакции, выделяя атомарный хлор. Каждая частица хлора способна разрушить сотни и тысячи молекул озона.
9 февраля 2004 года на сайте Института Земли НАСА появилась новость о том, что учёные Гарвардского Университета нашли молекулу, разрушающую озон. Учёные назвали эту молекулу "димер одноокиси хлора", потому что она составлена из двух молекул одноокиси хлора. Димер существует только в особенно холодной стратосфере над полярными регионами, когда уровни одноокиси хлора относительно высоки. Эта молекула происходит из хлорфторуглеродов. Димер вызывает разрушение озона, поглощая солнечный свет и распадаясь на два атома хлора и молекулу кислорода. Свободные атомы хлора начинают взаимодействовать с молекулами озона, приводя к уменьшению его количества.
5. Озоновый
щит против парникового
5.1. Климат
ОКОЛО ста лет назад шведский ученый Аррениус предположил, что рост сжигания ископаемого топлива вызовет увеличение содержания углекислого газа СО2 в атмосфере. Это усилит парниковый эффект, и произойдет сильное потепление климата. Данный прогноз в той его части, что касается климата, пока работает слабо. Однако научное и практическое обслуживание этой гипотезы развилось практически в самостоятельную отрасль. Во многих странах принимаются меры по ограничению эмиссии СО2. На этом фоне проблема спасения разрушающегося озонового слоя выглядит пасынком. Не странно ли это?
5.2. Так ли всесилен парниковый эффект?
Когда в апрельские холода 1997 г. в Москве людей удивляли сводки о
жаре на юге Сибири, в газетах проскочило сообщение, что это является частью новых завоеваний всемогущего парникового эффекта. Да, да, именно того,
созданного людьми явления, которое стало угрожать цивилизации после превращения атмосферы Земли в "свалку" газообразных и аэрозольных отходов. Экологическим врагом номер один для цивилизации объявлен излишек углекислого газа. Сжигая ископаемое топливо и сводя леса, люди увеличивают его содержание в атмосфере. И эта прибавка разогревает Землю больше, чем все прочие парниковые газы, такие, как метан, окись азота, фреоны. Такова официальная версия Всемирной метеорологической организации, поддержанная ООН и ее специализированными организациями.
В 1988 г. из-за засухи и жары урожай зерновых в США впервые в истории оказался ниже уровня потребления. Засушливое лето и снижение урожая отмечались в странах-производителях зерна и в предшествовавший год. Эти события, видимо, добавили уверенности сторонникам идеи антропогенного перегрева Земли. В 1992 г. на Международной конференции ООН по окружающей среде в Рио-де-Жанейро борьба с потеплением климата объявлена одним из трех главнейших приоритетов; в 1994 г. Россия, вслед за многими развитыми

- Мониторинг окружающей природной среды
- Мониторинг окружающей природной среды
- Мониторинг окружающей среды
- Мониторинг окружающей среды
- Мониторинг окружающей среды
- Мониторинг окружающей среды в Московской области
- Мониторинг окружающей среды ОАО "КЕРАМИН"
- Мониторинг качества жизни населения
- Мониторинг качества и степени загрязнения атмосферы
- Мониторинг муниципального развития
- Мониторинг направленности развития предприятия
- Мониторинг направленности развития предприятия (корпорации)
- Мониторинг на рынке труда в кризис
- Мониторинг озонового слоя земли