Озоновый слой – как щит Земли

Введение

Непрерывный технический прогресс, продолжающееся порабощение природы человеком, индустриализация, до неузнаваемости изменившая поверхность Земли, стали причинами глобального экологического кризиса. В настоящее время перед населением неты особенно остро стоят такие проблемы окружающей среды как загрязнение атмосферы, разрушение озонового слоя, парниковый эффект, загрязнение почвы, загрязнение вод мирового океана, перенаселение и т.д.

В этом реферате я рассмотрела такую глобальную проблему как Разрушение озонового слоя. Сейчас это остро актуальная проблема современности, имеющая экологический и экономический аспекты. Мировое сообщество проявляет к ней беспрецедентное внимание, что выразилось в заключении ряда международных соглашений об охране озонового слоя, вплоть до того, что день 16-го сентября объявлен Международным днём охраны озонового слоя.

Цель реферата: обобщение данных о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, являющегося «щитом» Земли, а также способах решения проблемы образования «озоновых дыр».

Задачи реферата следующие:

1. Узнать что такое озоновый слой, его компоненты
2. Рассмотреть главные функции озонового слоя в атмосфере
3. Рассмотреть влияние антропогенного фактора на озоновый слой
4. Узнать что такое озоновые дыры и чем они опасны для биосферы
5. Рассмотреть методы защиты озонового слоя

Глава 1. Озоновый слой – как щит Земли

1. Озон в атмосфере.

Озон – это бесцветный (при высокой концентрации – сизоватый), растворимый в воде газ с острым, специфическим запахом. Слово «озон» возникло из слова греческого происхождения «ozein», что в переводе означает «почувствовать запах, унюхать».

Каждая молекула озона состоит из трех атомов кислорода, и ее химическое обозначение – O3. Молекулы озона химически очень активны, и время их жизни не превышает 20 минут. Озон замерзает при температуре – 112˚C, а начинает кипеть при температуре +93˚C

В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхности составляет в среднем 10-6 %.

Озон, образуемый близко от поверхности Земли, называют вредным. Он возникает во время грозы, при ударе молнии, работе рентгеновского оборудования, его запах можно ощутить возле работающей копировальной техники. В загрязнённом оксидами озона воздухе под действием солнечных лучей образуется озон, способствующий образованию опасного явления, называемого фотохимическим смогом. Дыхание озоном очень опасно, так как он разрушает лёгкие. Пешеходы, вдыхающие большое количество озона, задыхаются и ощущают боль в груди. Деревья и кусты, растущие у загазованных магистралей, при высоких концентрациях озона перестают нормально расти.

2. Озоновый слой

Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей распад молекул кислорода и образует слой называемый  Озоновый.

Озоновый «экран», или озоновый слой, расположен в стратосфере, на высотах: 7-8 километров 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. Благодаря чему стало возможно возникновение на Земле жизни и её последующая эволюция. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация.

Озоновый слой - это настоящий щит, оберегающий Землю уже многие тысячи лет. Точно неизвестно когда этот слой сформировался, однако по результатам научных исследований можно с уверенностью сказать, что за последние годы концентрация озона в атмосфере очень сильно снизилась и происходит это в основном  под влиянием антропогенного фактора.

Глава 2. Озоновые дыры как последствия влияния антропогенного фактора.

2.1. Техногенное влияние на озоновый слой.

Впервые мысль об опасности разрушения озонового слоя была высказана еще в конце 1960-х годов, тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона представляют выбросы водяного пара и оксидов азота (NOx) из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов и ракет. Однако сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось и такая нагрузка вряд ли представляет серьезную угрозу для озонного слоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжигания ископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобрений также представляют определенную опасность для озонного слоя, но оксиды азота нестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы.

В 1971 г. профессор Г. Джонстон (США) прогнозировал существенное поступление оксидов азота в озоновый слой от двигателей сверхзвуковых самолетов. С целью изучения влияния выбросов оксидов азота на озоновый слой в США в 1972 г. были начаты исследования по программе СИАП («Программа оценок воздействия на климат»). К исследованиям привлекли специалистов Европы, где в это время в Англии и Франции создавался сверхзвуковой пассажирский самолет «Конкорд». 

Однако еще до завершения программы СИАП, в 1974 г., М. Молина и Ф. Роуленд из Калифорнийского университета указали на иной путь разрушительного воздействия на озоновый слой – поступление в него хлорфторуглеродов (ХФУ), или фреонов, которые могут вызывать разрушение озона.

Начиная с этого времени так называемая хлорфторуглеродная проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей, пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков.  Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества, поскольку очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере как это происходит, например, с большей частью окисдов азота, и в конце концов проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор.

Таким образом, ХФУ переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона, прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых ХФУ составляет 75 и 100 лет соответственно. 

В результате разрушения хлором молекул озона, образуется  участок значительного снижения уровня озона в стратосфере, так называемый озоновой дырой

2.2. Озоновая дыра

Содержание озона в атмосфере измеряется в Единице Добсона. Одна единица Добсона равна слою озона 10 мкм при стандартных давлении и температуре. Это соответствует 2,69×1016 молекул озона на квадратный сантиметр поверхности Земли, или 0,447 милимоля на квадратный метр. Нормальным содержанием озона считается 300 Дн.

Для определения наличия озоновой дыры выбрана граница содержания озона в атмосфере в 220 единиц Добсона.

Озоновой дырой считается локальное падение в озоновом слое Земли концентрации озона.

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской антарктической службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось с 1977 по 1984 годы на 40 %. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, то есть значительную часть нижней стратосферы. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имелась «озоновая дыра». В начале 80-х годов по измерениям со спутника «Нимбус-7» аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда, она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико - около 9%. В среднем на Земле с 1979 по 1999 год содержание озона упало на 5%.

После открытия этого явления был выдвинут ряд гипотез, его объясняющих. К наиболее достоверной относят гипотезу о взаимном влиянии переохлаждения облаков в нижней части стратосфере до температур, близких к -70-50С, и зон, расположенных в околополюсной области, с резко выраженной концентрацией озоно-разрушающих примесей, которые переносятся туда воздушными потоками. В этой области концентрации хлора в августе и сентябре почти в 100 раз выше, чем вне этой области. С появлением над Антарктидой солнца в августе оксиды хлора начинают интенсивно разрушать озон, что приводит к образованию «дыры». После прогрева солнцем зоны над Антарктидой воздушные массы приносят озон в полюсную зону извне, и «озоновая дыра» исчезает.

По словам учёных, подобные реакции не происходят в крупных масштабах в Арктике, потому что там температуры не опускаются настолько низко и на такие продолжительные периоды времени, как в Антарктике. За последние годы ситуация несколько изменилась и над Арктикой тоже стало наблюдаться уменьшение озонового слоя.

Таким образом, явление антарктической «озоновой дыры» - результат сложных физических, фотохимических и динамических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идёт. Зимой над Антарктидой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широт. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьёзный ущерб озоновому слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктидой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -80С. Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Всё это говорит о том, что ХФУ способны вызвать заметное понижение концентрации озона только в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах концентрация активного хлора должна быть намного выше.

Так как озоновый слой призван защищать поверхность нашей планеты от переизбытка ультрафиолетового солнечного излучения, то озоновые дыры можно считать реально опасным для живых организмов явлением. Снижение озонового слоя значительно увеличивает поток солнечной радиации, что может влиять на резкий рост числа раковых кожных заболеваний, это можно проиллюстрировать примером: так, 1%-ное сокращение озонового слоя вызывает 4%-ный скачок в распространении рака кожи. Вызывая рак кожи и её старение, ультрафиолетовые лучи одновременно подавляют иммунную систему, что приводит к возникновению инфекционных, вирусных, паразитарных и других заболеваний, к которым относятся корь, ветряная оспа, малярия, лишай, туберкулез, проказа и др. Десятки миллионов жителей планеты полностью или частично потеряли зрение из-за катаракты - болезни, которая возникает в результате повышенной солнечной радиации. Не менее губительно влияние озоновых дыр для растений и животных на Земле.

Рост губительного воздействия ультрафиолетового излучения вызывает деградацию экосистем и генофонда флоры и фауны, снижает урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность Мирового океана.

Глава 3. Защита озонового слоя.

3.1. Мероприятия  по защите озонового слоя 

Во второй половине 70-х годов сформировалось устойчивое мнение о приоритетном негативном воздействии фреонов на озоновый слой, поэтому в 1978 г. США и Скандинавские страны под давлением общественности запретили использование фреонов в аэрозольных баллонах.  Весной 1985 г. была принята Венская конвенция об охране озонового слоя. В конвенции провозглашалась общая цель: сохранение озонового слоя и консультации по предотвращению действий, наносящих ему ущерб. Конкретные действия в защиту озонового слоя были предприняты позже в Протоколе к Конвенции, принятом в 16 сентября 1987 года в Монреале, впоследствии этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя, ратифицированном 70 странами и вступившем в действие с 1 января 1989 года. В числе стран, подписавших Протокол, был и Советский Союз. А в 1991 году Российская Федерация подтвердила свою правопреемственность этому решению. Страны, подписавшие Протокол, обязались не превышать уровень производства фреонов, достигнутый в 1986 году, и начиная с 1989 года, сократить этот уровень до 80% к середине 1993 года и до 50% к 1998 году.  Позже в Лондоне были сформулированы поправки к протоколу, существенно усилившие ранее принятые ограничения. Так, производство и использование фреонов в 1995 году должно было составить 50% от уровня 1986 года, а в 2000 году – полностью прекращено.

 Поскольку эти вещества имели широкое применение и подыскать им недорогую замену было затруднительно, то было принято компромиссное решение, которое и зафиксировали в протоколе, о временном замещении этих веществ близкими по свойствам химическими соединениями – гидрохлорфторуглеродами (ГХФУ) и гидрофторуглеродами (ГФУ).

Монреальский протокол учитывает технологический и экономический уровни различных стран. Поскольку принятие мер по защите озонового слоя (прежде всего—отказ от озоноразрушающих веществах), требовало много времени и средств, развивающимся странам была предоставлена отсрочка. Тем не менее, вещества с наибольшим озоноразрушающим потенциалом (ОРП) – хлорфторуглероды (ХФУ) и галлоны (бромхладоны) – практически полностью выведены из обращения.

Все это время не прекращались наблюдения за стратосферным озоном, позволившие сделать вывод о действенности предпринятых мер по его охране. Минимум концентрации был достигнут в 1997 году. После начал наблюдаться постепенный рост концентрации озона. При этом, максимум концентрации хлора в атмосфере был отмечен в 1993 году, и за последние годы его содержание снизилось на 15%. Конечно, об отсутствии ХФУ в атмосфере и полном восстановлении озонового слоя говорить еще рано — например, время жизни в атмосфере фреона R12, производство которого прекратилось только к 1 января 2010 года, а заправленное им оборудование продолжает работать, составляет около ста лет. Тем не менее, наблюдения дают понять, что сохранение озонового слоя – задача выполнимая при условии участия в ее решении всех государств планеты.

В 2007 году Сторонами Монреальского протокола было принято решение об ускорении вывода из обращения ГХФУ. Изначально предполагавшийся график поэтапного вывода из оборота ГХФУ был «ускорен», в результате чего все развитые страны (включая Российскую Федерацию) должны к 2015 году сократить объем производства и потребления ГХФУ на 90% от базового уровня, что составит для нашей страны предельный уровень в 399,6 т ОРП.

3.2. Способы по  восстановлению озонового слоя

Помимо пассивных методов сохранения и восстановления озонового слоя рассматриваются активные способы (химические и электромагнитные), призванные снизить интенсивность разрушения озона либо ускорить его образование. К химическим относят, например, предложения об инъекции в стратосферу над Атлантикой этана С2Н6, пропана С3Н8 или метана СН4, которые будут связывать атомарный хлор в инактивный по отношению к озону хлористый водород. Электромагнитная обработка должна способствовать фотодиссоциации О2 и образованию О3. Однако апробация активных способов озоновосстановления в натурных условиях пока отсутствует

В основе следующего метода очистки атмосферы от фреонов лежит микроволновое излучение, возбуждающее в определенной пространственной области разряд с большой концентрацией в нем электронов. При соединении электронов с молекулами фреонов в зоне разряда образуется отрицательно заряженный атом хлора и свободные радикалы. Атом хлора, соединяясь с водородсодержащими молекулами, конвертируется в хлористый водород, который вымывается из тропосферы дождями. Свободные радикалы окисляются до устойчивых соединений и также выводятся с дождями.

Каждый год появляется много способов по отчистки атмосферы от фреонов и по восстановлению озона в тропосфере, но они остаются неосуществленные так как являются очень дорогими.

Есть способ который уже применяется на практике, восстановление озонового слоя над Антарктидой при помощи запуска специальных воздушных шаров  называемые озонаторами, с установками для производства озона. Но к сожалению этого для полного восстановления озона в атмосфере не достаточно. 

Выводы

1. Озоновый слой расположен в стратосфере и защищает нашу планету от губительных ультрафиолетовых излучений солнца. Этот слой состоит из молекул озона О3, но озон, образуемый близко от поверхности Земли, в большом количестве является вредным для живых организмов.

2. Разрушение озонового слоя опасно для биосферы, так как увеличивается поток солнечной радиации. Для человека это опасно тем что увеличивается количество больных раком, так же ультрафиолетовые лучи одновременно подавляют иммунную систему, что приводит к возникновению различных заболеваний. Не менее губительны эти излучения для растений и животных.

3. Разрушение озонового слоя в большей степени происходит под воздействием антропогенного фактора, а именно выбросов в атмосферу азота и фреонов, которые разрушают молекулы озона, что в свою очередь приводит к возникновению «Озоновых дыр».

4. Защита озонового слоя  стала приоритетной задачей большинства  государств, именно для этой цели  была принята Венская конвенция  и подписан Монреальский протокол, которые ограничивают или запрещают использование озоноразрушающих веществ. Также есть много способов по восстановлению озона в атмосфере, но из-за дороговизны они остаются неосуществленные.

5. Задача по восстановлению  озонового слоя вполне выполнима, но её решение это займет  многие десятилетия и при условии участия всех государств планеты.

 Ж.-Б. Ламарк в какой то степени был прав сказав:

«Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания.»

 Что бы не допустить этого, человеческое общество должно научится «ноосферному мышлению»  и жить в гармонии с природой.