Озоновый слой и его роль в атмосфере
Содержание:
Введение…………………………………………………………
1. Что такое озон и его роль в атмосфере……………………………….........
2. Природа и значение озонового экрана…...……………………………………..5
3. Источники разрушения озонового экрана…………………………………..….7
4. «Озоновые дыры» и их влияние…………………………….……………….….
5. Способы восстановления озонового слоя…………………….………………..14
6. Меры по защите озонового
слоя………………………………………………..17
Заключение……………………………………………………
Список использованной литературы……………………………………….…….
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.
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
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).
Из трех стихий, окружающих человека –
твердой оболочки, 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.
Что такое озон и
его роль в атмосфере.
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. Открывателями
озонового слоя были французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон.
В 1913 году им удалось с
помощью спектроскопических измерений
ультрафиолетового излучения доказать
существование озона в отдалённых от Земли
слоях атмосферы. Озоновый слой в стратосфере
важен тем, что он поглощает определённый
диапазон солнечного излучения. Сама земля
тоже испускает излучение в инфракрасном
спектре. Так вот часть этого излучения
тоже задерживается озоном, тем самым,
предохраняя планету от охлаждения. Главной
функцией озона является защита человека
и всей биосферы планеты от жёсткого ультрафиолетового
излучения с длинами волн от 250 до 320 нм.
2. Природа и значение
озонового экрана.
Наиболее вредным последствием выброса
парниковых газов в атмосферу
является разрушение ими озонового
слоя – своеобразного щита от «жёстких»
солнечных лучей. Дело в том, что
наряду с видимым светом Солнце излучает
ультрафиолетовые волны. Хотя ультрафиолетовые
лучи невидимы, они обладают большей энергией,
чем видимые. Проникая сквозь атмосферу
и поглощаясь тканями живых организмов,
они разрушают молекулы белков и ДНК. Именно
это происходит, когда мы загораем.
При поглощении ультрафиолета в атмосфере образуется своего рода смесь, в которой преобладают свободные электроны, нейтральные атомы кислорода, положительные ионы молекул кислорода. При их взаимодействии и образуется озон. Взаимодействие ультрафиолетового излучения с кислородом происходит по всей высоте атмосферы - есть сведения, что в мезосфере, на высоте от 50 до 80 километров, уже наблюдается процесс образования озона, который продолжается в стратосфере (от 10 до 50 км) и в тропосфере (до 10 км) (рис. 1). Вместе с тем верхние слои атмосферы, в частности мезосфера, подвержены такому сильному воздействию коротковолнового ультрафиолета, что ионизуются и распадаются молекулы всех составляющих атмосферу газов. Не может не разлагаться и только что образовавшийся там озон, тем более что для этого требуется почти такая же энергия, как и для молекул кислорода. И, тем не менее, разрушается он не полностью - часть озона, который в 1,62 раза тяжелей воздуха, опускается в нижние слои атмосферы до высоты 20-25 километров, где плотность атмосферы позволяет ему находиться как бы в равновесном состоянии. Там молекулы озона создают слой повышенной концентрации, то есть озоновый слой.
Рис.1
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. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы.
- Источники разрушения озонового слоя.
До самого последнего периода истории
Земли живые системы планеты
эволюционировали почти в полной
гармонии с атмосферой, литосферой
и гидросферой, не испытывая влияния
человеческой деятельности. Но по мере
развития сельского хозяйства и
промышленности воздействие человека
на среду стало заметнее. Повсеместная
индустриализация, особенно развернувшаяся
за последние два столетия, привела
к потенциально опасным уровням
загрязнения среды. Можно сказать,
что загрязнения – это
К разрушению озонового слоя приводят многочисленные факторы. Рассмотрим самые главные из них.
- Техногенные вещества. В 1974 г. ученые установили, что вызывать разрушение озонового экрана могут хлорфторуглероды (ХФУ) (рис. 2). Начиная с этого времени так называемая «хлорфторуглеродная проблема» стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы. К хлорфторуглеродам относятся, в частности, фреоны. Фреоны – это собирательное название целой группы химических веществ появившихся на свет ещё в 20-е годы прошлого столетия. Они уже более 60 лет используются как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей (в бытовых аэрозольных баллончиках), ионообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, при химической чистке одежды, при производстве пенопластиков.
Почти весь производимый в мире фреон (или фторорганические соединения) в конечном счете, поднимается в верхние слои атмосферы и разлагается там под влиянием ультрафиолетовых лучей, которые разрушают устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ. Последние распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомный хлор. В ходе фотохимического разложения фреона в стратосфере ион хлора выступает как агент разрушения озона. Таким образом, ХФУ переносят хлор с поверхности Земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Осколки фреоновых молекул разрушительно действуют на слой атмосферного озона. ХФУ уже разрушили от 3 до 5 % озонового слоя атмосферы.
Рис. 2. Схема разрушения озонового экрана
Приводят к уменьшению озонового слоя также высотные самолеты и запуски космических кораблей. Высокая температура в камерах сгорания реактивных двигателей, приводит к образованию окислов азота из находящихся там азота и кислорода. Очень много хлора и окислов азота выделяют твердотопливные ракетные двигатели. Например, при каждом запуске космического челнока системы «Шаттл» его твердотопливные ускорители на высотах до 50 км, то есть в самом озоновом слое, выбрасывают 187 тонн хлора и хлористого водорода и 7 тонн окислов азота. Этого количества хватает на то, чтобы уничтожить 10 миллионов тонн озона, или 0,3% его общего содержания в атмосфере.
Ядерные взрывы тоже способствуют истощению озонового слоя. При сильном нагреве, а температура ядерного взрыва около 6000°С, происходят такие преобразования химических веществ, которые при нормальных условиях протекают вяло или вообще не протекают. Излучение при взрыве приводит к образованию окиси азота, а происходит это, 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.
2) Биогенные вещества. Минеральные удобрения также оказывают разрушающее действие на озоновый слой. Озон может уменьшаться за счёт того, что в стратосферу попадает закись азота N2O, 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.
3) Эндогенные вещества. Естественные колебания содержания озона вызваны циклическими изменениями активности Солнца и выбросами вулканических газов при извержениях. В.Л.Сывороткин разработал альтернативную гипотезу, согласно которой озоновый слой уменьшается за счет дегазации недр. Известно, что цикл разрушения озона хлором не единственный. Существуют также азотный и водородный циклы разрушения озона. Именно водород - "главный газ Земли". Основные его запасы сосредоточены в ядре планеты и через систему глубинных разломов (рифтов) поступают в атмосферу. По примерным оценкам, природного водорода в десятки тысяч раз больше, чем хлора в техногенных фреонах. Однако решающим фактором в пользу водородной гипотезы Сывороткин В.Л. считает то, что очаги озоновых аномалий всегда располагаются над центрами водородной дегазации Земли.
Ну и конечно же, за последнее десятилетие снижение содержания озона на 5% связано почти целиком с загрязнением атмосферного воздуха выбросами промышленности и транспорта.
- «Озоновые дыры» и их влияние.
Озоновая дыра — локальное падение концентрации
озона в озоновом слое Земли. До недавнего времени состояние
слоя озона не внушало опасений. Концентрация
стратосферного озона стала предметом
серьезного изучения лишь в 70–80-х годах
прошлого столетия. Вред, который наносит
озоновому слою, утечка в атмосферу таких веществ,
как хлорфторуглероды (ХФУ) и гидрохлорфторуглероды
(ГХФУ), был обнаружен почти случайно.
В 1974 году химики из Калифорнийского университета Марио Молина и Фрэнк Шервуд Роланд предположили, что долгоживущие галогеносодержащие соединения, такие, как повсеместно использовавшиеся в то время хлорфторуглероды (ХФУ), попадая в атмосферу, могут разрушать стратосферный озон. Незадолго до этого с похожей гипотезой, касающейся, правда, другого вещества – закиси азота – выступил голландский физик Пол Крутцен.
К тому времени были накоплены данные,
согласно которым количество поступающего
на Землю ультрафиолетового
Однако связь этих воздействий с разрушением озона вследствие человеческой деятельности казалась неочевидной. Более того, производители хладагентов и часть ученых выступили с жесткой критикой гипотезы, предполагавшей такую связь, отрицая само существование проблемы озоновых дыр.
Доказательства правоты
Анализ данных, собранных в рамках
программы Антарктического
Результаты исследований,
говорящие о существовании
Рис. 4. Среднегодовая площадь озоновой дыры по результатам измерений с использованием спектрометрической аппаратуры
В последнее время появление
озоновых дыр наблюдается периодически
Учеными ведутся поиски путей восстановления озонового слоя. Вначале для этой цели предлагалось создание фабрик по производству озона, после чего доставлять оный на самолетах в атмосферу. Другим вариантом является создание аэростатов оснащенных лазерами, имеющих питание от солнечных батарей, которые будут использовать кислород для создания озона. Наиболее же реальным выходом из этой ситуации является сокращение вырубки лесов, и увеличением зеленых насаждений.
5. Способы восстановления озонового слоя
Нельзя сказать, что человечество
не озабочено озоновой проблемой. Ряд
мероприятий, связанных с прекращением
загрязнения атмосферы
Но упомянутые меры абсолютно недостаточны.
Это связано с тем, что по подсчетам
ученых, в атмосфере Земли уже
находится столько вредных
В последнее время все чаще появляются предложения, как предотвратить нависшую над биосферой Земли опасность. Эти предложения можно разделить условно на две группы. В первую входят предложения, которые направлены на очищение атмосферы Земли от тех вредных веществ, которые в нее уже выброшены. Во вторую группу те из них, которые направлены на выработку дополнительного количества озона, компенсирующего его убыль.
Процесс очищения предлагается осуществлять несколькими способами. Например, выбрасывая с самолетов и ракет на высотах примерно в 15 км этан (С2Н6) или пропан (С3Н8). В реакции с этими веществами свободный хлор связывается в пассивный к озону хлористый водород. Как показало численное моделирование, положительный эффект может быть достигнут только при определенных сценариях воздействия. Связано это с возможностью появления вторичных реакций, в результате которых снова образуется хлор или содержащие хлор вещества, выделяющие под действием солнечного излучения свободный хлор. Исследования показали также, что рассматриваемый метод может привести к усилению парникового эффекта. В результате его осуществления образуются вещества, попадание которых в тропосферу и на поверхность Земли нежелательно, а влияние на всю совокупность химических процессов в атмосфере экологически небезопасно. Согласно расчетам авторов химического метода защиты озонового слоя, необходимо привнести в стратосферу около 50 000 тонн этана или пропана. Оценки показывают, что стоимость этого процесса составляет около 500 миллиардов долларов.
Наряду с химическим воздействием на атмосферу предложены также физико-химические методы, основанные на использовании электромагнитного излучения. Облучая атмосферу на высоте 10 км излучением СО2-лазера, можно возбуждать молекулярные колебания фреонов. При достаточной интенсивности лазерного облучения молекулы фреонов расщепляются, выделяя атом хлора, который, соединяясь с водородосодержащими молекулами, превращается в хлористый водород, а соединяясь с кислородосодержащими молекулами, образует окись или двуокись хлора. Продукты этих реакций в конечном итоге выпадают на поверхность Земли в виде кислотных дождей. Поэтому для практического использования физико-химических методов и обеспечения их достаточной эффективности необходима строгая оптимизация режимов воздействия, которая авторами метода не проводилась. О том, что данный метод экологически небезопасен, было упомянуто.
В основе следующего метода очистки атмосферы от фреонов лежит микроволновое излучение, возбуждающее в определенной пространственной области разряд (СВЧ-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 доокисляются до устойчивых соединений и также выводятся с дождями. Следует отметить, что наличие большого количества быстрых электронов в зоне СВЧ-разряда может привести к инициированию целого комплекса плазмохимических реакций, в результате которых образуются, например, оксиды азота, участвующие в уничтожении озона, и другие экологически вредные вещества, которые до этого в тропосфере отсутствовали.
Теперь рассмотрим вторую группу предложений,
которые направлены на выработку
дополнительного озона, компенсирующего
его убыль. Давно известно, что
одним из источников озона является
электрический заряд, широко используемый
для этой цели в технологических
процессах и в быту. Производительность
этого способа может достигать
200 г озона на кВт час затраченной
энергии, то есть примерно 5,5 г/МДж. Для
его практического
Есть предложение вырабатывать озон за счет облучения воздуха лазером с длиной волны около 200 нм. Это излучение хорошо поглощается атмосферным кислородом, а продуктами реакции фотодиссоциации являются атомы кислорода, которые, вступая в реакцию с атомарным кислородом, образуют озон. Основным недостатком этого способа является его низкая эффективность (примерно 30 г/кВт ч). Для компенсации годовой убыли озона таким способом необходимо количество энергии, равное 1012 кВт*ч (3,6*1018 Дж). Такие затраты непосильны для современной цивилизации.
Предлагаются и другие способы, являющиеся разновидностями перечисленных выше. Например, вместо электрического разряда использовать высокоэнергетические электроны, выбрасываемые в стратосферу ускорителями, расположенные на борту летательного аппарата. Рассматривается возможность газоразрядной и оптической генерации озона, в частности, при помощи СВЧ-разряда.
Из приведенного краткого перечисления и анализа способов спасения озонового слоя Земли можно сделать вывод, что они либо экологически небезопасны, либо энергетически нереализуемые.
6. Меры по защите озонового слоя
Поскольку наиболее активный разрушитель
озонового слоя Земли - хлор, основные
меры, разрабатываемые для
Другая задача, практически уже решенная в ракетоносителе «Энергия», заключается в переводе ракетной техники и высотной реактивной авиации на экологически безопасные виды топлива и двигатели.
Выброс оксидов азота
Из приведенных способов восстановления
озонового слоя, сделали вывод, что
они либо экологически небезопасны,
либо энергетически нереализуемые.
Этих недостатков лишен способ, запатентованный
в 1992 году группой российских ученых.
Суть его состоит в том, что
для образования озона
Последовательное рациональное решение проблемы сохранения озонового слоя - один из характерных примеров научного подхода в анализе реального состояния атмосферы и поиске путей предотвращения потенциальной угрозы окружающей среде без введения необдуманных запретительных мер.
Заключение.
Краткий обзор некоторых факторов воздействия
на природную среду показывает, что до
сих пор не установлено значение многих
химических и биохимических последствий
этого воздействия. С другой стороны, уже
сегодня можно оценить все угрожающее
многообразие антропогенного вмешательства
и наносимого им ущерба окружающей среде.
Источниками вмешательства являются:
1. Постоянное стремление
к росту производства и
2. Постоянный рост численности
населения, который приводит к
тому, что даже незначительная
нагрузка на природу в каждом
отдельном случае в целом
3. Односторонний подход
к техническому прогрессу,
Во все звенья природной системы проникли несовместимые с ней чужеродные вещества, угрожающие во многих случаях самому существованию экосистемы. Возникла необходимость принятия срочных мер, чтобы спасти природу, т.е. резко сократить истощение естественных природных ресурсов и ограничить применение вредных для природы веществ. Но это не означает, что техника, химия, хозяйственная деятельность и экономика должны вернуться к каменному веку; наоборот, это означает необходимость продвижения к новым научным достижениям, опирающимся на познание, когда возникает общность с природой, в которой человек обретет долголетие. Человечество должно сознавать, что мы только гости природы.
Список использованной литературы
1. Розанов С.И. «Общая экология».
2. Озоновый щит Земли и его изменения/
Э. П. Александров , Ю. А. Израэль, И. Л. Кароль
и др.- СПб.: Гидрометиоиздательство, 1992.-211с.
3. Ортенберг Ф. С. Озон: взгляд из космоса/
Ф. С. Ортенберг, Ю. М. Трифонов-. М.: Знание,
1990.-433с.
4. Стрижевский А. Д. Свет: Природа и человек/
А. Д. Стрижевский// Природный мир, 1992.-апр.-с.34.
5. Фелленберг Г. Загрязнение природной
среды: Учеб. Пособие/ Г. Фелленберг.- М.:
“Мир”, 1997.- 528с.
6. Дыры в озоновом
слое Земли – суть проблемы и методы ее
разрешения: [сайт]. URL:
http://www.ozoneprogram.ru/ ozon_sloi/ozon_dira/
7. Сывороткин В.Л.: экологические
аспекты дегазации Земли: [сайт]. URL: http://old.ecoteco.ru/index. php?id=869

- Озоновый слой и его формирование
- Озоновый слой как объект охраны окружающей среды
- Озоновый слой как объект охраны окружающей среды (1)
- Озоновый слой – как щит Земли
- Озоновый слой - проблема XXI века
- Озоновый слой: проблема XXI века
- Озоновый щит планеты
- Озоновый слой
- Озоновый слой
- Озоновый слой, его формирование и значение для жизни на Земле
- Озоновый слой, его формирование и значение для жизни на Земле
- Озоновый слой земли
- Озоновый слой Земли
- Озоновый слой и его разрушение