ГОУ ВПО Томский Политехнический  Университет

ИГНД  кафедра ГЭГХ 
 
 
 
 
 

Озон  в атмосфере. 
 

Выполнил: студент гр. 2Г01

Соколова  Д. Р. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Томск 2010

Содержание.

1. Введение…………………………………………………………………………3
2. Что такое озон…………………………………………………………………...4
3. Получение озона, биологические свойства, применение озона……………...6
4. Движение озона в атмосфере…………………………………………………...8
5. Что приводит к разрушению озонового слоя………………………………….9
6. Методы по защите озонового слоя……………………………………………11
7. Заключение……………………………………………………………………..13
8. Список используемой литературы……………………………………………14

   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. Ведь 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, чтобы 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. Ведь к разрушению озонового слоя приводят различные химические вещества. Окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах и в камерах сгорания реактивных самолётов и ракет, они особенно вредны, ведь 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. Присутствующие в стратосфере  химические вещества (хлор, фтор, азот, метан), 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, 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. Однако избыток озона также пагубно влияет на организм человека и другие живые вещества.

    Что такое озон.

  В принципе озон это разновидность  кислорода. Озон (от греческого слова «пахну») — состоящая из трёхатомных молекул O₃ аллотропная модификация кислорода. При нормальных условиях — голубой газ. Озон остаётся газом до температуры –111,9 гр. С. При понижении температуры он переходит в жидкость тёмно-синего света. Если температуры опустить до –192,7 гр. С., То жидкость превратится в тёмно-фиолетовые  кристаллы.

  Впервые озон обнаружил в 1785 г. голландский  физик М. Ван Марум по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретает воздух после пропускания через него электрических искр. Однако как новое вещество он описан не был, Ван Марум считал, что образуется особая «электрическая материя».

  Озон  был открыт в 1839 году немецким химиком  Шенбейном, а в 1873г. его обнаружили в приземной атмосфере. Затем путём анализа характеристик ультрафиолетового излучения солнца, приходящего к земной поверхности. Спустя 8 лет английский химик Гартли обнаружил озон в верхних слоях атмосферы.

  Озоновый  слой в стратосфере важен тем, что он поглощает определённый диапазон солнечного излучения. Наиболее сильно длину волн 253.65нм. Этот диапазон приходится на ультрафиолетовое излучение солнца. Из этого следует, что озоновый слой толщиной всего лишь 3мм, способен снизить интенсивность излучения на этой длине волн в число раз, равное единицы с сорока нулями.

  Полоса  поглощения озона от 200 до 300нм в честь  её первооткрывателя, была названа  полосой Гартли. Но имеются и другие полосы поглощения озона (более слабые) от 300 до 360 нм. Это полоса Хюгинса. Если излучение с этой длиной волн пройдёт через земную атмосферу от звёзд, то по характеру поглощения озоном можно определить количество озона, через которое прошло излучение. Озон поглощает и волны от 440 до 850 нм. Это полоса поглощения Шапюи.

  Сама  земля тоже испускает излучение в инфракрасном спектре. Так вот часть этого излучения тоже задерживается озоном, тем самым, предохраняя планету от охлаждения. Измерения поглощения инфракрасного излучения озоном также даёт информацию о количестве озона лежащего на пути излучения. Только сами измерения нужно проводить выше озонового слоя. Для этого аппаратуру  устанавливают на спутниках. Такие измерения дают возможность узнать распределение озона по высоте.

  Главной функцией озона является защита человека и всей биосферы планеты от жёсткого ультрафиолетового излучения с длинами волн от 250 до 320 нм. Если бы этого не происходило то, учитывая способность нуклеиновых кислот, поглощать излучение ниже 280 нм, происходило бы их разрушение. Но озоновый слой не полностью поглощает этот спектр, часть его, которая доходит до организма поглощается белками. Тем самым они выступают в роли предохранителя для организма. Прежде всего, ультрафиолетовое излучение действует на живые организмы путём повреждения хранилища клеточной информации, то есть ДНК. Если они нарушены, то это препятствует восстановлению и копированию данных биосистем. Действие ультрафиолетового излучения на живые организмы различно. Человек может либо просто загореть, либо получить солнечный ожог, либо даже заболеть не злокачественными типами рака кожи (базально-клеточный и чешуйчато-клеточный рак) и меланомой (рак кожи). Это же излучение при облучении глаз может вызвать повреждение роговицы (фотокерактит), катаракту и другие. Также это излучение может вызвать изменения в иммунной системе человека, подавляя его защитные функции. Защита организма при этом ослаблена, поэтому уменьшается сопротивляемость к развитию заболеваний. Самым опасным для здоровья считается излучение с длинами волн от 300 до 315 нм. Изменение озонового слоя коснулись даже растений и животных. Опыты показали, что если количество озона уменьшится на 25% то и их урожайность упадёт на столько же.

  Есть  и версии, которые могут показаться экзотическими. Так в интервью с  Василием Шабетниковым была высказана  версия, что разрушения озонового слоя приведёт к усилению ионизации воздуха, что увеличит электрический потенциал земли и может привести к тому, что земля сойдёт со своей орбиты по направлению к солнцу. 

  Но  у озона есть ещё одно неприятное свойство, он является сильнодействующим ядом. Его токсичность даже выше чем у синильной кислоты. Особую опасность для людей представляют, озоновые смоги, они могут быть опасными для жизни. Их образование происходит из выхлопных автомобильных газов, а точнее, из-за содержащийся в них перекиси азота. Если её не очень мало, то при облучении солнечным ультрафиолетом перекись азота вступает в реакции с ненасыщенным углеводородом и образует озон. Первым испытал на себе его действие Лос-Анджелес. Здесь образованный таким образом смог привёл в негодность провода городской сети электроэнергии.  
 
 
 
 
 
 
 
 

Получение озона, биологические  свойства, применение озона.

   Озон  образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п. В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием электрического разряда. Сжижается O₃ легче, чем O₂, и потому их несложно разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется озон. Тот же процесс протекает в верхних слоях атмосферы, где под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой.

   Высокая окисляющая способность озона и  образование во многих реакциях с  его участием свободных радикалов  кислорода определяют его высокую токсичность.

   Наиболее  опасное воздействие:

• на органы дыхания прямым раздражением и повреждением тканей
• на холестерин в крови человека с образованием нерастворимых форм, приводящим к атеросклерозу

   Озон  в Российской Федерации отнесён  к первому, самому высокому классу опасности  вредных веществ. Нормативы по озону:

• максимальная разовая предельно допустимая концентрация (ПДК м.р.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,16 мг/м³
• среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК с.с.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,03 мг/м³
• предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м³

  При этом порог человеческого обоняния приближённо равен 0,01 мг/м³.  Озон эффективно убивает плесень и бактерии.

   Применение  озона обусловлено  его свойствами:

• сильного окисляющего агента;
• для стерилизации изделий медицинского назначения;
• при получении многих веществ в лабораторной и промышленной практике;
• для отбеливания бумаги;
• для очистки масел;
• сильного дезинфицирующего средства;
• для очистки воды и воздуха от микроорганизмов (озонирование);
• для дезинфекции помещений и одежды;

   Одним из существенных достоинств озонирования, по сравнению с хлорированием, является отсутствие токсинов после обработки. Тогда как при хлорировании возможно образование существенного количества токсинов и ядов, например, диоксида. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Движение  озона в атмосфере.

   Для того, чтобы более полно понять проблему озонового слоя нужно рассмотреть движение озона в атмосфере. Находясь в непрерывном движении атмосферный воздух, непрерывно переносится большими массами из одних мест в другие. Перемешивание атмосферного воздуха происходит также за счёт его вертикального движения. Свою роль играет и турбулентность атмосферного газа, его вихревые движения.  Благодаря этому состав воздуха до высоты 100 км примерно одинаков.

   Общая схема движения озона выглядит примерно так. В стратосфере озон образуется с участием атомного кислорода. В стратосфере атомного кислорода очень мало по сравнению с озоном. Атомный кислород образуется под действием солнечного излучения. Как только с заходом Солнца солнечное излучение исчезает, образование атомного кислорода прекращается. Тот атомный кислород, который был образован до этого момента, идёт на создание озона. Ночью пока нет солнечного излучения, разрушение озона не происходит. Исчезает здесь озон в различных реакциях с химическими соединениями и под действием солнечного излучения.  Поскольку в атмосфере от 100 км и до поверхности земли происходит интенсивное перемешивание, то вступать в реакцию с озоном в стратосфере могут химические соединения, которые образовались на земле, в её приземном слое, а затем из-за перемешивания были подняты в атмосферу. Для того, чтобы слой оставался неизменным должен существовать баланс между количеством образующегося озона и озоном, который разрушается. Особо эффективно озон образуется из молекулярного и атомного кислорода на высоте 30-70 км. Выше эта реакция протекает плохо, так как молекул кислорода там мало, а ниже этого диапазона плохо проникает ультрафиолетовое излучение, которое нужно для его образования. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Что приводит к разрушению озонового слоя.

    К разрушению озонового слоя приводят многочисленные факторы. В первую очередь это, конечно же, фреоны. Фреоны – это собирательное название целой группы химических веществ  появившихся на свет ещё в 20 годы. В основном они использовались в холодильниках в качестве хладагентов. И являются производными от метана, этана и циклобутана. В этих соединениях содержится фтор или хлор или оба этих элемента. Хотя они мало токсичны, всё же при их высокой концентрации их токсичность высока. По этому признаку они поделены на 6 классов. Наиболее опасными считаются 1 и 2 классы. Ещё одна область применения фреонов это использование их в аэрозольных упаковках в качестве распылителя. Так как большая часть производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно сказать, что выпуск фреонов почти полностью работает на сокращение озонового слоя.

  Фреоны  достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу. В стратосфере  под действием ультрафиолетового  излучения они достаточно быстро разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и  участвуют в разложении озона.

  Ещё один фактор, приводящий к уменьшению озонового слоя. Это высотные самолёты и запуски космических кораблей. Высокая температура в камерах  сгорания реактивных двигателей, приводит к образованию окислов азота  из находящихся там азота и кислорода. Причём скорость образования азота на прямую зависит от температуры, то есть мощности двигателя. Но ещё и очень важно, на какой высоте находится двигатель и выпускает в атмосферу разрушающие озон окислы азота. Чем выше, тем хуже для озона. Так при запуске ракет типа «Атлас» в атмосферный газ выбрасывается большое число молекул воды, в дальнейшем разрушающих озоновый слой, а в ионосфере на высоте 200-300 км образуются огромные дыры диаметром в сотни километров. Например, двигатели «Олимпус-593,» которые были установлены на самолетах «Конкорд» выделяли 18 г азота на 1 кг топлива. Наиболее вредными для озона являются выбросы военных самолётов. Так как их очень много и они летают в основном на высотах озонового слоя. На вооружении большинства стран мира имеются боевые твёрдотопливные ракеты. В состав их топлива входит окислитель – перхлорат аммония. Когда он сгорает, выделяются вещества, содержащие хлор. Также интересна точка зрения по этому вопросу Пономаря В.В.¹ ''Основной причиной потепления климата, увеличения частоты и силы стихийных бедствий, является истощение озонового слоя и образование озоновых дыр из-за запусков шатлов’’.

  Теперь  рассмотрим действие минеральных удобрений  на разрушение озонового слоя. Озон может уменьшаться за счёт того, что в стратосферу попадает закись азота N₂ O, которая образуется при денитрификации, связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхних слоях океанов и морей. Эти процессы напрямую связаны с содержанием азота. Таким образом, можно быть уверенным, что с ростом количества минеральных удобрений вносимых в почву. Будет также и расти количество закиси азота. Далее образующиеся из закиси азота, окислы азота приводят к разрушению озонового слоя.

  Ядерные взрывы тоже способствуют истощению озонового слоя. При сильном нагреве, а температура ядерного взрыва около 6000⁰ гр. Происходят такие преобразования химических веществ, которые при, нормальных условиях протекают, вяло или вообще не протекают. Особо опасным является появление окиси азота NO. Это происходит таким образом. При повышении температуры до 6000⁰гр молекулярный кислород практически весь превращается в атомный. И если при нормальной температуре окиси азота в воздухе практически нет, то при ядерном взрыве он составляет 1,5%. Излучение при взрыве тоже приводит к образованию окиси азота, это происходит, прежде всего, потому что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакции с другими составляющими атмосферы и образуют окислы азота.

    Закись азота обнаруживается  также и в дымовых газах  электростанций. Это очень сильный  источник влияния на атмосферу.  Таким путём образуется примерно 3 млн. т. закиси азота.

  Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроокисла OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона. Разрушение озонового слоя вносит толеолитовый вулканизм. Этот тип вулканизма можно наблюдать в середине океана, там, где в коре образуются разломы. Из них выделяются потоки восстановленных газов (водорода, метана, азота), Которые и играют решающую роль в разрушении озонового слоя.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Методы по защите озонового слоя.

   Сейчас  площадь озоновой дыры сравнима с  размерами Северной Америки. Пока, ученые не решаются говорить об уменьшении размеров озоновой дыры. Скорее, они заявляют о её стабилизации, т.к. уже третий год (1999-2001 гг.) дыра не превосходит границ 30 млн. кв. км. При сохранении современного уровня выбросов разрушающих озон веществ в атмосферу размер озоновой дыры начнет уменьшаться только через 50-60 лет. В последние годы области дефицита озона были зарегистрированы и над Северным полушарием. Площадь этих областей существенно меньше антарктической озоновой дыры и они могут наблюдаться над различными регионами Северного полушария, их принято называть локальными озоновыми дырами. Одна из таких локальных озоновых дыр наблюдается над Центральной Азией, которая первый раз бала замечена в августе 1984 г .. В дальнейшем, она наблюдалась в апреле 1985 г., в апреле 1988 г., с апреля по июнь 1990 г., в апреле 1992 г., с января по июнь 1993 г., с февраля по июнь 1995 г., с марта по май 1997 г. Максимальное истощение озонового слоя над горным регионом Центральной Азии было зарегистрировано в апреле 1997 года и составило 18%. Эти данные были получены в результате многолетних, круглогодичных, ежесуточных наблюдений параметров атмосферы над горным регионом Центральной Азии. Наблюдения проводились на уникальной научной станции Иссык-Куль, которая расположена на берегу озера Иссык-Куль, в 10 км западнее города Чолпон-Ата.   Приведенные данные свидетельствуют, о том, что в конце ХХ столетия не только в Южном, но и в Северном полушарии, в том числе и над нашим регионом, появление озоновых дыр с дефицитом озона в 10–40%, т.е. в 2,5–9 раз превышающий максимальный уровень естественных колебаний, стало обыденным явлением. Проблема утраты озонового слоя может привести к возрастанию ультрафиолетовой радиации Солнца, что будет оказывать влияние не только на все население планеты, но и на все живое на Земле. В марте 1985 года появилась Венская конвенция. Результатом было подписание Монреальского протокола. Под ним, подписались около 150 стран, Россия в то числе.  Основой его содержания было то, что человечество должно смирится с экономическими потерями ради дальнейшей жизни на земле. Его результатом было соглашение о постепенном выводе фреонов из промышленного оборота. Так в холодильных установках идёт процесс постепенного перехода на более дорогие фреоны, такие как фтор - углеводороды (CHF₂CHF₂,CH₃CF₃), фтор хлорметаны. Все они содержат хотя бы один атом водорода и поэтому разлагаются уже в нижней атмосфере. Время их жизни короче. Поэтому они менее опасны для озона. Но и у них есть свои слабые стороны. Если предыдущие фреоны нетоксичны в силу своей химической инертности, то этого нельзя сказать об их заменителях и продуктов их разложения. Но, к сожалению, если в западных странах промышленность уже давно стало использовать старые виды фреонов, то в России этот процесс идёт очень медленно. Для распыления жидкости из аэрозольных баллончиков, можно использовать другие газы, такие как пропан или бутан. Правда, они горючи.

   Хорошим подспорьем в сохранении озонового  слоя стало запрещение наземных атомных  взрывов. Только при проведении подземных  взрывов, всё равно, какая то часть  окислов азота попадает в атмосферу. Эта мера будет действенна только после того, как все страны откажутся от проведения ядерных испытаний. Хотя токая тенденция наметилась.

   В освоении космоса тоже наметились перемены. Так при запусках «шатлов» их боковые  ускорители отрегулированы таким образом, что бы их мощность снижалась при  прохождении озонового слоя.

   В самолётостроении новые конструкции  двигателей уменьшили образование  окислов азота. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Заключение. 

   В принципе можно считать, что проблема озонового слоя решена. Его восстановление уже началось. Об этом говорят результаты анализов последних 4 лет. В северном полушарии параметры вернулись к уровню 70-х годов. Так практически исчезли озоновые дыры над восточной Сибирью. Перестала расти Антарктическая дыра. Озоновый слой над европейской частью России тоже больше не истощается. Правда это противоречит многочисленным прогнозам разрушения озонового слоя. Что ставит под сомнение теорию разрушения озона, где главным виновником являются фреоны. Но появились новые проблемы. В связи с ростом парникового эффекта восстановленный в будущем озоновый слой может стать толще, чем прежде. В этом случае уровень ультрафиолетового излучения по сравнению с обычной нормой упадёт, что грозит ультрафиолетовым голоданием. Быть может, проблема озонового слоя научит с большим вниманием и опаской относиться ко всем  веществам, попадающим в атмосферу в результате деятельности человечества.

   Глобальные  изменения окружающей среды представляют собой лишь следствие (и в то же время служат индикаторами) более  глубоких (и возможно более опасных) процессов изменения биоты и окружающей среды, их взаимного влияния и их зависимости от естественного (не антропогенного) процесса эволюции. Такой взгляд требует совсем других подходов и решений, чем те, которые вытекают из так называемого роста "парникового эффекта" за счет сжигания ископаемого углеводородного топлива. Таким образом пути решения экологических проблем, стратегия экологической безопасности и способы обеспечения т.н. "устойчивого" развития цивилизации остаются неопределенными, несмотря на принятие в последнее десятилетие известных международных соглашений (Венская Конвенция об озоновом слое, 1985 г., 
Монреальский Протокол, 1987 г., Рамочная Конвенция по климату, 1992 г., 
Соглашение о сокращении производства электроэнергии за счет сжигания органического топлива, 1997).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы. 

1. Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и  человек. – М.: 1986.
2. http://chemistry.narod.ru/
3. Никонова М. А., Данилов П. А. Землеведение и краеведение – М.:2000
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B7%D0%BE%D0%BD
5. http://www.planet.elcat.kg/?cont=wclim&id=2
6. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Глобальная экология: Учебное пособие. – М.: «Издательство ПРИОР», 2000.