Озоновый слой, его формирование и значение для жизни на Земле

              Федеральное агентство по образованию  Российской Федерации 

   Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования 

                       «Южно-Уральский государственный  университет» 

                                Факультет «Экономика и управление»

                                Кафедра «Экономика, управление  и инвестиции»         
 

                     Озоновый слой, его формирование

                   и значение для жизни на Земле 

              РЕФЕРАТ

                    по дисциплине «Концепция современного естествознания» 
 

                                                                                 Проверил

                                                                                А.В. Сенин

                                                                                _____________                    

                                                                               Автор работы:

                                                                               студент группы ЭиУ-263             

                                                                               Н.В. Маслова

      _____________ 

                                                                               Реферат защищен

                                                                               с оценкой

      ______________ 
 

                                                    Челябинск 2009

                                            АННОТАЦИЯ                    

                                                                 Маслова Н.В. Озоновый слой, его

                                                                 Формирование и значение для  жизни  

                                                                 на Земле. Челябинск: ЮУрГУ, ЭиУ-263                                                        

                                                                 30с., библеогр. список – 6 наим. 

     Цель  реферата - изучить формирование озонового слоя и исследовать гипотезы по его разрушению и предотвращению катастрофы на Земле.

     Задачи  реферата: выяснить, как озоновый слой влияет на жизнь человека и его здоровье, и получить достоверную информацию о разрушении озонового слоя и озоновых дырах, выяснить последствия разрушения озонового слоя и методы по его защите. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                       ОГЛАВЛЕНИЕ

АННОТАЦИЯ……………………………………………………………………..2

                                                   ВВЕДЕНИЕ

     Газообразный  озон, открытый в середине прошлого века, долгое время привлекал внимание ученых лишь своими уникальными химическими и физическими свойствами. Интерес к озону существенно возрос, после того, как выяснилась его распространенность в земной атмосфере и та особая роль, которую он играет в защите всего живого от воздействий опасного ультрафиолетового излучения. Особенно активно атмосферный озон стал изучаться в последние десятилетия. С ним, как ни с одним другим газом, в последние два десятилетия было связано несколько крупных сенсаций. Начиная от появившегося в самом начале 70-х годов прогноза о том, что полеты стратосферной авиации “съедят” слой озона уже к 80-м годам, и, кончая пресловутой “озоновой дырой”, которая будоражит умы людей.

     Гипотезы  о возможном разрушении стратосферного озона под действием выброса в атмосферу выхлопных газов от двигателей сверх звуковых самолетов, фреонов, использования удобрений, извержений вулканов и т. д. неоднократно описывались в литературе. Поскольку озон задерживает активное излучение солнца, то разрушение озонного слоя может привести к целому ряду негативных последствий для растений, животных и человека.

     В ряду тревожных проблем – сдвиги в мировом климате, истощение  лесных, почвенных и водных ресурсов, прогрессирующее опустошение планеты  – находится и проблема разрушения озонового слоя. Возможно, что антарктический озон является предвестником глобальных изменений в озоносфере.

     Озоносфера - одна из поверхностных оболочек планеты. Она является составной частью биосферы Земли, включающей в себя совокупность живых организмов и неорганические вещества, находящиеся в общем круговороте.

     К изучению процессов, связанных с  атмосферным озоном, привлечены значительные силы ученых у нас в стране и за рубежом. Ведутся наблюдения за количеством озона и его “врагов” – различных загрязняющих веществ, анализируются данные за прошедшие годы, ставятся новые эксперименты.   

     Однако проблема атмосферного озона к настоящему времени далеко не исчерпана, и ряд важных и интересных разделов этой проблемы ждет своего разрешения, в особенности явления, связанные с влиянием на озоновый слой некоторых естественных факторов и антропогенных воздействий. Для их осмысления необходимо постоянное и всеобъемлющее слежение за состоянием окружающей среды (мониторинг). Для выработки научно обоснованных выводов и прогнозирования изменений в состоянии озоносферы Земли в отдельных регионах и глобальном масштабе нужны регулярные измерения концентрации озона существующими приборами и разработка новых методов и средств наблюдений озона.

     Из  трех стихий, окружающих человека – тверди, воды и воздуха, -–последняя, является самой уязвимой. И не случайно именно в атмосфере появился первый реальный сигнал бедствия. Этот сигнал – озоновая дыра как вестник возможного глобального уменьшения защитного слоя озона в результате антропогенных загрязнении.

      I. ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ:  ФУНКЦИИ,ЩИТ ПЛАНЕТЫ

          1.1. Озоновый слой в прошлом

      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 озоновый слой. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя.

     С конца 70-х годов ученые стали отмечать неуклонное истощение озонового  слоя. Причиной тому стало проникновение  в верхние слои стратосферы озоноразрушающих 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 России, к концу 1995 г. в основном завершили поэтапное сокращение производства и потребления озоноразрушающих 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 чем вдвое. Темпы прироста озоноразрушающих веществ в атмосфере уменьшились.  

     1.2. Волшебный щит планеты

     В популярной литературе слой озона очень  часто называют волшебным щитом планеты. Это сравнение связано с оптическими свойствами молекулы озона, которые отличаются от свойств как составляющих его атомов (когда они существуют по отдельности), так и двухатомных молекул O2.

Одной из наиболее важных оптических характеристик, какого–либо вещества является его спектр поглощения – изменение с длинной волны коэффициента поглощения, то есть способности поглощать проходящие через это вещество излучение.

     Спектр  поглощения озона обладает несколькими  важными особенностями, главной  из них является способность сильно поглощать излучение в интервале  длин волн 200–320нм.

     Область солнечного спектра (а когда говорят  о щите, то имеют в виду именно защиту от излучения Солнца) от 200 до 400нм называют биологически активным ультрафиолетом БАУ. При этом выделяются интервалы 320–400нм (УФ-А) и 200–320нм (УФ-Б).

     Излучение с длиной волны l, меньше 200нм, хорошо поглощается молекулами кислорода, которых в атмосферном газе много. Поэтому такое излучение не доходит даже до нижней части стратосферы, “застревая” (т.е. поглощаясь молекулами O2) на больших высотах. С увеличением длины волны коэффициент поглощения молекулярным кислородом быстро падает. Молекулы же азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны и в поглощении этого излучения практически участия не принимают.

     Вот и получается, что солнечное излучение с длиной волны от 200 – 300нм проникало бы сквозь атмосферу практически до поверхности Земли, если бы не озон. Его коэффициент поглощения k именно в этой области длин волн очень велик и намного превосходит соответствующие значения k для O2 и N2. В результате – излучение УФ-Б не проходит сквозь стратосферу, практически полностью поглощаясь молекулами O3. Не загружая изложение деталями спектральных характеристик озона, приведу лишь один пример. Максимальное значение k для озона приходится на l = 255нм и составляет около 130 см⁻¹. Чтобы легче было представить масштаб этой величины, скажу, что, пройдя через слой озона толщиной в 3 мм при нормальном давлении (а это и есть, как я говорила выше, эквивалент “щита”), излучение, с этой длиной волны уменьшится в 10⁻¹⁷.

В целом  же эффект волшебного щита именно таков – очень тонкий (всего 2-3 мм) слой молекул O3 практически полностью поглощает идущее от солнца излучение в области УФ-Б. Начиная примерно с l =320нм солнечное излучение уже доходит до поверхности, хотя точную границу по очевидным причинам назвать невозможно – переход происходит постепенно, а проникновение излучения зависит от многих факторов – таких, как высота Солнца над горизонтом, чистота или запыленность атмосферы, высота места над уровнем моря и т.д.   

     1.3. Озон и климат

     В предыдущем пункте я рассмотрела  способность озона поглощать  ультрафиолетовое излучение с точки зрения роли озонового слоя как нашего защитника – “волшебного щита планеты”. Однако сам процесс такого поглощения не проходит бесследно для земной атмосферы. Энергия, которую несет излучение в указанном диапазоне длин волн, в результате поглощения передается атмосферному газу, вызывая его нагрев. Оценки показывают, что выше примерно 20км и в стратосфере, и в большей части мезосферы этот процесс является основным источником нагрева, определяющим, таким образом температуру – её высотное и широтное распределение.

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

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

     До  этого времени я рассматривала  лишь одно оптическое свойство молекул  озона – поглощать мягкое ультрафиолетовое излучение. Однако молекулы O3 обладают и другими свойствами, существенными для теплового режима атмосферы. Наиболее важное из них – способность поглощать излучение в инфракрасном диапазоне, точнее в полосе с длиной волны примерно 9,6мкм

Для того чтобы понять важность этого свойства озона для теплового режима атмосферы, я немного отступлю от основной линии этого пункта реферата и кратко рассмотрю формирование теплового режима атмосферы и поверхности Земли.

     В чем же суть так называемого парникового  эффекта? Суть его состоит в том, что поверхность Земли поглощать  энергию падающего на неё солнечного излучения (ближнего ультрафиолетового, видимого, инфракрасного – всего, которое до неё дошло, почти не поглотившись в воздухе) и переизлучает эту энергию в виде тепловых лучей сугубо в инфракрасной области. Если бы это инфракрасное излучение не поглощалось в атмосфере и не уходило назад в космическое пространство, на Земле было бы невыносимо холодно. Но этого не происходит потому, что большая часть переизлученной энергии не покидает нижних слоев атмосферы, а поглощается там облаками и различными малыми составляющими.

     Наиболее  активны в этом поглощении две  атмосферные составляющие – углекислый газ и пары воды. Именно они обеспечивают задержку в атмосфере большей части инфракрасного излучения. Однако существует так называемое окно прозрачности в полосе 8 – 13 мкм, где суммарное поглощение указанными двумя составляющими (CO2 и H2O) мало. В этой области в роли основного поглотителя выступает озон. Как отмечалось выше, озон имеет сильную полосу поглощения в области 9,6мкм, которая и обеспечивает захват уходящего инфракрасного излучения в середине окна. Отмечу, что у молекулы озона имеются и другие полосы поглощения в инфракрасной области (например, с длиной волны 13,8 и 14,4 мкм). Но там они накладываются на сильные полосы поглощения H2O и CO2.

     В последние два десятилетия человечество все больше беспокоит проблема усиления парникового эффекта из–за увеличения в атмосфере количества CO2. Факт монотонного роста концентрации двуокиси углерода в тропосфере в результате человеческой деятельности (уменьшение площади лесов, сжигании органического топлива, и другие промышленные процессы) установлен с высокой степенью достоверности. Этот рост за последние 20 лет составляет 0,3–0,4% в год.

Если  тенденция роста CO2 в последующие  десятилетия сохранится, то удвоение количества CO2 в атмосфере, которое существовало в доиндустриальную эру, должно произойти примерно в середине XXI в. Правда, наиболее оптимистические модели предсказывают такое удвоение лишь к 2100г. Конечно, реальная картина будет зависеть, прежде всего, от того, как быстро будет расти потребляемое человечеством количество энергии и насколько удастся заменить существующие сегодня источники энергии новыми, чистыми в экологическом отношении.

     При удвоении количества двуокиси углерода в атмосфере ожидаемое увеличение средней температуры нижней атмосферы составляет 2–3°С в средних и низких широтах и 5–6°С в полярных областях. При удвоении количества углекислого газа в стратосфере, должно произойти понижение температуры (на 10–15° С), поскольку молекулы CO2 принимают активное участие в процессах охлаждения стратосферного воздуха. Такое изменение климата Земли может иметь очень серьезные последствия для многих регионов земного шара. Именно поэтому в настоящее время идет активное обсуждение возможностей уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу и замедление роста количества CO2.

Но не только рост концентрации CO2 может привести к усилению парникового эффекта. Свой вклад вносит и рост концентрации озона в тропосфере, вызванный  антропогенным загрязнением атмосферы.

     Конечно, картина с озоном далеко не проста, как в случае CO2. Ведь молекулы O3 играют роль и в процессах нагрева атмосферного газа (за счет поглощения ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере и инфракрасного излучения поверхности в основном в тропосфере) и в процессах его охлаждения (за счет излучения молекулами O3 части поглощенной энергии). Значит можно ожидать уменьшение количества озона в стратосфере из антропогенных источников и увеличение его в тропосфере.

     Все эти сложности приводят к тому, что оценить суммарный эффект ожидаемого изменения количества озона не так просто. Тем не менее наиболее надежные, по моему мнению являются расчеты по математическим моделям, учитывающим как радиационные, так и конвективные эффекты, показывают, что при ожидаемом удвоении количества озона в тропосфере и уменьшении в двое в стратосфере климатический эффект должен быть в большей мере подобен эффекту от ожидаемого удвоения количества двуокиси углерода, но с меньшей амплитудой. Иначе говоря, если в случае удвоения CO2 вероятно увеличение температуры в среднем по Земле на 3–4°С, то в случае описанного изменения количества озона это увеличение составит около 1° С. Уменьшение вдвое количества стратосферного озона также должно вызвать эффект, подобный эффекту удвоения количества CO2,– охлаждение стратосферы на 15–20°С

     Следует отметить, что антропогенное увеличение количества озона в тропосфере, которое я рассматриваю, прежде всего, с точки зрения дополнительного вклада в парниковый эффект, неизбежно будет сопровождаться и другими отрицательными эффектами. Озон обладает токсическими свойствами, которые могут приводить к поражению легочных тканей человека (и животных), ставя таким образом под угрозу здоровье людей. Ожидается влияние обогащенного озоном воздуха на растения, а также на различные (особенно легкоокисляющиеся) материалы.

     Подводя итоги сказанного в этом пункте, следует подчеркнуть, что антропогенное увеличение количества озона в тропосфере предвещает нам также мало радостей, как и антропогенное разрушение стратосферного озона.

     1.4. Местоположение и функции озонового слоя

      Впервые мысль об опасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х годов, тогда считалось, что  основную опасность для атмосферного озона предоставляют выбросы водяного пара и оксидов азота  (NOx) из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов и ракет. Однако, сверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чем предполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только "Конкорд", совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой и Европой, из военных самолетов в стратосфере летают практически только сверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как B1-B или Ту-160 и разведывательные самолеты типа SR-71.

      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 представляет определенную опасность для озонного слоя, но оксиды азота нестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Запуски ракет также происходят не очень часто, впрочем, хлоратные твердые топлива используемые в современных космических системах, например в твердотопливных ускорителях "Спейс-Шаттл" или "Ариан", могут наносить серьезный локальный ущерб озонному слою в районе запуска.

     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.  

          II. РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ

          2.1. 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. Однако озоновый слой разрушает также реактивная авиация и некоторые пуски космических ракет.

       Предполагается множество причин ослабления озонового щита.

       Во-первых, – это запуски космических  ракет. Сгорающее топливо «выжигает» в озоновом слое большие дыры. Когда-то предполагалось, что эти «дыры» затягиваются. Оказалось, нет. Они существуют довольно долго.

       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 – окислы азота. Их выбрасывают  те же самолеты, но больше всего их выделяется с поверхности почвы, особенно при разложении азотных удобрений.

     В – четвертых, 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. 

     2.2. Озоновый щит против парникового эффекта

     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?

     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 странами, ратифицировала рамочную конвенцию об изменении климата, обязывающую снизить выбросы парниковых газов до уровня 1990 г.