Проблемы разрушения озонового слоя

                 Министерство образования и науки

                             Российской Федерации 

                              Федеральное агентство по образованию

  ГОУ ВПО «Ивановский Государственный Университет» 

                                            Физический факультет

                                               Предмет: Экология

               «Проблемы разрушения озонового слоя» 
 
 

                                                                                                          Реферат

                                                                                                          студента 1-го курса

                                                                                                          Ивонтьева К. Д.   

                                                  Иваново 2011

                                                         Содержание

Введение……………………….     ….3

Местоположение и  функции озонового слоя……………………..      ….3

Из истории……………………….     ….4

Озоновые дыры и  причины их возникновения……………………….     ….5

Источники разрушения озонового слоя……………………….     ….5

Озоновая дыра над  Антарктикой……………………….     ….7

Монреальский протокол о теоретической озоновой дыре……………………….     ….8

Что было сделано в  области защиты озонового слоя……………………….     ….9

Заключение……………………….     ….9 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                         Введение

Современная кислородная  атмосфера Земли - уникальное явление  среди планет Солнечной системы, и эта её особенность связана  с наличием на нашей планете жизни.

Проблема экологии для людей сейчас, несомненно, самая  главная. На реальность экологической  катастрофы указывает разрушение озонного слоя Земли. Озон - трехатомная форма  кислорода, образуется в верхних  слоях атмосферы под действием  жесткого (коротковолнового) ультрафиолетового  излучения Солнца.

Сегодня озон беспокоит  всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонного слоя в  атмосфере, а считал только, что запах  озона является признаком свежего  воздуха. (Недаром озон в переводе с греческого означает ''запах''.) Этот интерес понятен - речь идёт о будущем  всей биосферы Земли, в том числе  и самого человека. В настоящее  время назрела необходимость  принять определённые обязательные для всех решения, которые позволили  бы сохранить озонный слой. Но чтобы  эти решения были правильны, нужна  полная информация о тех факторах, которые изменяют количество озона  в атмосфере Земли, а также  о свойствах озона, о том, как  именно он реагирует на эти факторы.

                           Местоположение и функции озонового  слоя

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.

                                                    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 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 бывшего СССР, 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.

                             Озоновые дыры и причины их возникновения

Озоновый слой - это  широкий атмосферный пояс, простирающийся на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли. Химически озон - это молекула, состоящая из трех атомов кислорода  (молекула кислорода содержит два атома). Концентрация озона в атмосфере очень мала, и небольшие изменения количества озона приводят к серьезным изменениям интенсивности ультрафиолета, достигающего земной поверхности. В отличии от обычного кислорода озон неустойчив, он легко переходит в двухатомную, устойчивую форму кислорода. Озон - гораздо более сильный окислитель, чем кислород, и это делает его способным убивать бактерии, подавлять рост и развитие растений. Впрочем, из-за его низкой в обычных условиях концентрации в приземных слоях воздуха эти его особенности практически не влияют на состояние живых систем.

Гораздо важнее его  другое свойство, делающее этот газ  совершенно необходимым для всей жизни на суше. Это свойство - способность  озона поглощать жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. Кванты жесткого УФ обладают энергией, достаточной для разрыва некоторых  химических связей, поэтому его относят  к ионизирующим излучениям. Как и  другие излучения этого рода, рентгеновское  и гамма-излучение, оно вызывает многочисленные нарушения в клетках  живых организмов. Озон образуется под воздействием высокоэнергетичной солнечной радиации, стимулирующей  реакцию между О₂ и свободными атомами кислорода. Под воздействием умеренной радиации он распадается, абсорбируя энергию этой радиации. Таким образом, этот цикличный процесс "съедает" опасный ультрафиолет.

Молекулы озона, как  и кислорода, электрически нейтральные, т.е. не несут электрического заряда. Поэтому само по себе магнитное поле Земли не влияет на распределение  озона в атмосфере. Верхний слой атмосферы - ионосфера, практически  совпадает с озоновым слоем.

В полярных зонах, где  силовые линии магнитного поля Земли  замыкаются на ее поверхности, искажения  ионосферы весьма значительны. Количество ионов, в том числе и ионизированного  кислорода, в верхних слоях атмосферы  полярных зон снижено. Но главная  причина малого содержания озона  в области полюсов - малая интенсивность  солнечного облучения, падающего даже во время полярного дня под  малыми углами к горизонту, а во время  полярной ночи отсутствуют вовсе. Площадь  полярных «дыр» в озоновом слое - надежный показатель изменений общего содержания озона в атмосфере.

Содержание озона  в атмосфере колеблется вследствие многих естественных причин. Периодические  колебания связаны с циклами  солнечной активности; многие компоненты вулканических газов способны разрушать  озон, поэтому повышение вулканической  активности ведет к снижению его  концентрации. Благодаря высоким, сверураганным  скоростям воздушных потоков  в стратосфере разрушающие озон вещества разносятся на большие площади. Переносятся не только разрушители  озона, но и он сам, поэтому нарушения  концентрации озона быстро разносятся на большие площади, а локальные  небольшие «дыры» в озоновом щите, вызванные, например, запуском ракеты, сравнительно быстро затягиваются. Только в полярных областях воздух малоподвижен, вследствие чего исчезновение там озона  не компенсируется его заносом из других широт, и полярные «озонные дыры», особенно на Южном полюсе, весьма устойчивы.

 Источники  разрушения озонового слоя

Среди разрушители  озонного слоя можно выделить:

1) Фреоны.

Озон разрушается  под воздействием соединений хлора, известных как фреоны, которые, также  разрушаясь под воздействием солнечной  радиации, освобождают хлор, «отрывающий» от молекул озона «третий» атом. Хлор в соединения не образовывает, но служит катализатором «разрыва». Таким образом, один атом хлора способен «погубить» много озона. Считается, что соединения хлора способны оставаться в атмосфере от 50 до 1500 лет (в зависимости  от состава вещества) Земли. Наблюдения за озоновым слоем планеты проводились  антарктическими экспедициями с  середины 50-х.

Озоновая дыра над  Антарктидой, увеличивающаяся по весне  и уменьшающаяся к осени, была обнаружена в 1985 году. Открытие метеорологов вызвало цепь последствий экономического характера. Дело в том, что в существовании  «дыры» была обвинена химическая промышленность, производящая вещества, содержащие фреоны, способствующие разрушению озона (от дезодорантов до холодильных установок).

В вопросе о том  насколько человек повинен в  образовании «озоновых дыр» - единого  мнения нет.

С одной стороны - да, безусловно повинен. Производство соединений, приводящих к разрушению озона, следует  свести к минимуму, а лучше и  вообще прекратить. То есть отказаться от целого сектора промышленности, с оборотом в многие миллиарды  долларов. А если не отказаться - то перевести ее на «безопасные» рельсы, что тоже стоит денег.

Точка зрения скептиков: человеческое влияние на атмосферные  процессы, при всей его разрушительности в локальном плане, в планетарном  масштабе - ничтожно. Антифреоновая  кампания «зеленых» имеет вполне прозрачную экономическую и политическую подоплеку: с ее помощью крупные  американские корпорации (Дюпон, например), душат своих зарубежных конкурентов, навязывая соглашения по "охране окружающей среды" на государственном  уровне и насильно вводя новый  технологический виток, который  более слабые в экономическом  отношении государства выдержать  не в состоянии.

2) Высотные самолёты.

Разрушению озонного слоя способствуют не только фреоны, выделяющиеся в атмосферу и попадающие в  стратосферу. К разрушению озонного слоя причастны и окислы азота, которые  образуются при ядерных взрывах. Но окислы азота образуются и в  камерах сгорания турбореактивных  двигателей высотных самолётов. Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скорость образования окислов азота тем  больше, чем выше температура, т. е. чем  больше мощность двигателя.

Важна не только мощность двигателя самолёта, но и высота, на которой он летает и выпускает  разрушающие озон окислы азота. Чем  выше образуется окись или закись азота, тем он губительнее для  озона.

Общее количество окиси  азота, которое выбрасывается в  атмосферу в год, оценивается  в 1 млрд. т. Примерно треть этого  количества выбрасывается самолётами выше среднего уровня тропопаузы (11 км). Что касается самолётов, то наиболее вредными являются выбросы военных  самолётов, количество которых исчисляется  десятками тысяч. Они летают преимущественно  на высотах озонного слоя.

3) Минеральные удобрения.

Озон в стратосфере  может уменьшаться и за счет 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 верхнем слое океанов и морей. Процесс денитрификации напрямую связан с количеством связанного азота в почве. Таким образом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почву минеральных удобрений будет в такой же мере увеличиваться и количество образованной закиси азота N₂O. Далее, из закиси азота образуются окислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.

4) Ядерные взрывы.

При ядерных взрывах  выделяется очень много энергии  в виде тепла. Температура, равная 6000⁰ К устанавливается уже через несколько секунд после ядерного взрыва. Это энергия огненного шара. В сильно нагретой атмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие при нормальных или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона, его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этих преобразованиях окислы азота. Так, за период с 1952 по 1971 г. в результате ядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 млн т. окислов азота. Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадают на разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химические реакции с участием озона, приводя к его разрушению.

5) Сжигание топлива.

Закись азота обнаруживается и в дымовых газах электростанций. Собственно, о том, что окись и  двуокись азота присутствуют в продуктах  сгорания, было известно давно. Но эти  высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно, загрязняют атмосферу, способствуют образованию  в ней смога, но довольно быстро удаляются  из тропосферы. Закись же азота, как  уже говорилось, опасна для озона. При низких температурах она образуется в таких реакциях:

N₂ + O + M = N₂O + M,

2NH₃ + 2O₂ =N₂O = 3H₂.

Масштаб этого явления  очень значителен. Таким путём  в атмосфере ежегодно образуется примерно 3 млн т. закиси азота! Эта  цифра говорит о том, что этот источник разрушения озона существенный.

                                         Озоновая дыра над Антарктикой

О значительном уменьшении общего содержания озона над Антарктикой  впервые было сообщено в 1985 г. Британской антарктической службой на основании  анализа данных озонометрической станции  Хэлли-Бей (76 гр. ю. ш.). Уменьшение озона  наблюдалось этой службой и на Аргентинских островах (65 гр. ю. ш.).

С 28 августа по 29 сентября 1987 г. было выполнено 13 полётов самолёта-лаборатории  над Антарктикой. Эксперимент позволил зарегистрировать зарождение озонной  дыры. Были получены её размеры. Исследования показали, что наибольшее уменьшение количества озона имело место  на высотах 14 - 19 км. Здесь же приборы  зарегистрировали наибольшее количество аэрозолей (аэрозольные слои). Оказалось, что, чем больше имеется аэрозолей  на данной высоте, тем меньше там  озона. Самолёт - лаборатория зарегистрировал  уменьшение озона, равное 50%. Ниже 14 км. изменений озона было несущественным.

Уже к началу октября 1985 г. озонная дыра (минимум количества озона) охватывает уровни с давлением  от 100 до 25 гПа, а в декабре диапазон высот, на которых она наблюдается, расширяется.

Во многих экспериментах  измерялось не только количество озона  и других малых составляющих атмосферы, но и температуры. Была установлена  самая тесная связь между количеством  озона в стратосфере и температурой воздуха там же. Оказалось, что  характер изменения количества озона  тесно связан с тепловым режимом  стратосферы над Антарктидой.

Образование и развитие озонной дыры в Антарктиде наблюдали  английские учёные и в 1987 г. Весной общее  содержание озона уменьшилось на 25%.

Американские исследователи  проводили измерения в Антарктике зимой и ранней весной 1987 г. озона  и других малых составляющих атмосферы (HC_l, HF, NO, NO₂, HNO₃, ClONO₂, N₂O, CH₄) c помощью специального спектрометра. Данные этих измерений позволили очертить область вокруг Южного полюса, в которой количество озона уменьшено. Оказалось, что эта область совпадает практически в точности с крайним полярным стратосферным вихрем. При переходе через край вихря резко менялось количество не только озона, но и других малых составляющих, оказывающих влияние на разрушение озона. В пределах озонной дыры (или, другими словами, полярного стратосферного вихря) концентрация HC_l, NO₂ и азотной кислоты была значительно меньше, чем за пределами вихря. Это имеет место потому, что хлорины в продолжении холодной полярной ночи разрушают озон в соответствующих реакциях, выступая в них как катализаторы. Именно в каталитическом цикле с участием хлора происходит основное уменьшение концентрации озона (по крайней мере 80% этого уменьшения).

Эти реакции протекают  на поверхности частиц, составляющих полярные стратосферные облака. Значит, чем больше площадь этой поверхности, т. е. чем больше частиц стратосферных  облаков, а значит, и самих облаков, тем быстрее в конце концов распадается озон, а значит, тем  эффективнее образуется озонная  дыра

                   Монреальский протокол о теоретической озоновой дыре

Основной тезой  Монреальского протокола явилась  приведенная выше версия о том, что  озоновый слой разрушается слоя под  влиянием газов техногенного характера, а именно фреонов, применяемых в  виде пропеллентов и хладагентов. Эта  версия получила название техногенно-фреоновая  ТФГ, тем самым подчеркнув факт того, что данный вид фреонов способен попадать в атмосферу и при  природных процессах. С помощью  небывалых усилий СМИ, ТФГ получила статус главенствующей как в науке, так и в сознании общественности. 

Создатели и приверженцы  ТФГ создали внутренне непротиворечивую и вполне логичную модель действия хлорного цикла в особенных условиях стратосферы антарктической природы. По их мнению, именно тут в условиях отрицательных температур появляются стратосферные облака. Так на поверхности  льдинок в облаках случаются  гетерогенные реакции, которые приводят к выделению хлора с дальнейшим замерзанием на ледяные частички. В весенний период, с появлением солнечного тепла лет оттаивает, хлор испаряется, при этом слишком  активно протекают фотохимические реакции, которые своими действиями разрушают озоновый слой.  

1995 год принес создателям  техногенно-фреоновой версии награду  в виде Нобелевкой премии. Отметим,  что вручение премии каким-то  образом совпало с началом  действия 1 января 1996-го санкций,  согласно Монреальскому протоколу,  по отношению к России, являющейся  на тот момент самым крупным  конкурентом для западных фирм  по выпуску фреона. 

Непосредственно перед  вручением Нобелевской премии становится очевидны факт того, что модельные  показатели, сделанные на основе ТФГ, идут в разрез с показаниями наблюдений. Некоторые специалисты пришли к  выводу, что эта версия не предусматривала  факты, а сама все время под  них подстраивалась. Например, разложение под влиянием солнечного света в  стратосфере фреонов было заменено определением – гетерогенные реакции  в облаках стратосферы в экстремальных  антарктических условиях. Но, озоновые дыры возникли и в Северном полушарии, хотя там метеоусловия абсолютно  отличаются от антарктических условий.  

Достаточно затруднительной  для основной гипотезы оказалась  ситуация, после того как были обнаружены озоновые отклонения в зоне Экватора. На этой территории метеоусловия совсем не похожи на антарктические. И окончательный  удар получает гипотеза в результате факта, который показывает что на Экваторе, в Северном полушарии, а  также в Антарктиде озоновый слой разрушается одновременно, с одинаковой силой, что можно увидеть на спутниковых  картах. Как видно, в конце осени  – начале зимы – это происходит чаще всего. Всеобщую синхронность в  разрушении озонового слоя, нобелевская  гипотеза, основанная на антарктических условиях, не поясняет вообще.

                          Что было сделано в области защиты озонового слоя

Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать  меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в  США было запрещено использование  ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. Повторю, что в  сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали в Монреале конвенцию, обязывающую их снизить потребление  ХФУ. Согласно достигнутой договоренности развитые страны должны к 1999 г. снизить  потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ - пропан-бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее, такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками - вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах (см. «Причины ослабления озонового щита»). Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена.

Использование фреонов  продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга  изменений климата, в фоновых  условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных  районов - концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере  фотохимически активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.

                                                       Заключение

Все глобальные экологические  проблемы взаимосвязаны, и ни одна из них не должна рассматриваться в  изоляции от других.

Казалось бы, количество озона в атмосфере очень велико - около 3 миллиардов тонн. Это, однако, ничтожная доля от всей атмосферы. Если бы весь озон атмосферы находился  в приземном слое воздуха, то при  «нормальных условиях» (давления 1 атмосфера  и температура 25 градусов Цельсия) толщина  озонового экрана, защищающего Землю  от жесткого УФ-излучения Солнца, составляла бы всего около 3мм. Вместе с тем  эффективность озонового слоя очень  велика. В частности, специалистами  рассчитано, что снижение содержания озона на 1% ведет к такому повышению  интенсивности УФ-облучения поверхности, в результате которого количество смертей  от рака кожи возрастет на 6-7 тысяч  человек в год.

Необходимо срочно принимать меры к охране озонового  слоя: разрабатывать безвредные хладагенты, способные заменить фреоны в промышленности и быту, экологически безопасные двигатели  самолетов и космических ракетных систем, разрабатывать технологии, уменьшающие выбросы окислов  азота в промышленности и на транспорте. Существующие международные соглашения по озону, Венская международная  конвенция по охране озонового слоя и Монреальский протокол, обязывающий  подписавшие его государства  вести работу в конкретных направлениях, пока недостаточно эффективны. Еще  недостаточно осознана людьми опасность, еще мало талантливых исследователей и инженеров работают в этой области. А время не ждет.