Озоновый слой -щит Земли

Озоновый слой - щит Земли

Автор: учитель МОУБ СОШ №4 г.Ессентуки Щербакова Г.А.

Беспокойство за судьбу озонового слоя не

утихает в мире вот

уже более трех

десятилетий. Столь

огромный интерес к

озону, составляющему лишь несколько десятимиллионных долей от объема земной атмосферы, вполне оправдан. Озоновый слой практически полностью принимает на

себя, поглощает опасное для всего живого жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца . Благодаря этому слою оно не доходит до поверхности Земли, и поэтому на нашей планете вот уже сотни миллионов лет существуют благоприятные условия для развития жизни.

Озон (О 3 ) – это аллотропное видоизменение кислорода, слегка голубоватый газ, с характерным запахом, нестойкий, токсичный. Озон образуется в результате процесса фотодиссоциации кислорода, когда молекула кислорода распадается на атомы под воздействием солнечного УФ излучения (УФИ).

O 2 + hv = O + O

Атомы кислорода вступают в связь с молекулами кислорода с образованием озона: О + О 2 = О 3

Озоновый слой расположен в стратосфере на высоте 20-30 км. Общее количество озона в атмосфере – 3,3 млрд.т. Если весь озон «пригнать» к поверхности к Земли при н.у., то получится газовый слой толщиной всего 3 мм .

Область максимальной концентрации озона получила название озонового слоя или озонового экрана.

Озоновый слой полностью поглощает поток УФ лучей с длиной волны 200-280 нм и около 90% с длиной волны 280-320 нм – диапазона, обладающего наибольшей биологической активностью. Молекула озона существует недолго, происходит обратная реакция фоторазложения озона:

O 3 + hv = O 2 +O

O + O 3 = 2O 2

Следовательно, в стратосфере в норме существует цикл озона – сбалансированное образование и разложение (цикл Чэпмена, 1930 год).

Проблема, связанная с озоном состоит из двух аспектов:

1. Озон – фактор, обеспечивающий биологически безопасный уровень УФИ у поверхности Земли (свыше 99% УФИ поглощается слоем озона); поддерживающий в стабильном состоянии климат планеты; контролирующий содержание некоторых загрязнителей в атмосфере.

2. Содержание озона в озоновом слое уменьшается под действием антропогенных загрязнителей.

Разрушение озонового слоя - международная проблема

Трансграничный характер загрязнения атмосферы поллютантами (выбрасываемые вещества), в частности озоноразрушающими веществами (ОРВ), требует международного сотрудничества в решении проблемы сохранения озонового слоя Земли.

• 1974 год – при ООН создается международная организация – Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП), которая занялась координацией международных действий по решению глобальных экологических проблем, в том числе проблемы защиты озонового слоя Земли.
• 1985 год – Венская конвенция (ВК) об охране озонового слоя.
• 1987год – Монреальский протокол (МП) по веществам, разрушающим озоновый слой.
• С 1991 года Госкомэкологии РФ составляет ежегодные государственные доклады «О состоянии окружающей природной среды РФ.»
• 1993 год – ратификация МП и ВК Российской федерацией.
• 1995 год – по инициативе ЮНЕП 16 сентября объявлен ООН Международным днем защиты озонового слоя.

«…высший смысл и главная цель Венско-Монреальского процесса – не просто сохранение и восстановление озонового слоя как такового, а обеспечение безопасного и комфортного существования человечества в полноценной окружающей среде.» (профессор А.Соловьянов)

Важнейшие открытия в области химии атмосферы

Пауль Крутцен (р.1933 г.) – нидерландский химик, метеоролог, установил механизм разрушения озона оксидами азота, попадающими в атмосферу в результате естественных процессов (1970 г.). Открытый им азотный цикл разрушения озона состоит из реакций:

NO 2 +hv = NO + O

NO 2 + O = NO + O 2

NO + O 3 = NO 2 + O 2

Одновременно Крутцен указал на возможный антропогенный источник увеличения количества оксидов азота в стратосфере .

Марио Молина (р.1943 г.) и Шервуд Роуленд (р.1927 г.) – американские ученые в 1974 году предложили хлорный цикл разрушения озона:

С l + O 3 = ClO + O 2

С lO + O 3 = Cl О + 2 O 2

Пауль Крутцен, Марио Молина и Шервуд Роуленд были удостоены Нобелевской премии по химии за 1995 год за работы по изучению образования и разрушения озона, а так же антропогенных источников озоноразрушающих веществ .

ХФУ и озон стратосферы

Свойства хлорфторуглеродов (ХФУ): сравнительно недороги, высокоэффективны, стабильны в атмосфере (время их жизни может составлять 75-100 лет), не токсичны для человека, - способствовали широкому распространению ХФУ (фреонов или хладонов) в различных областях современного производства.

Области применения ХФУ:

• Хладагенты в холодильниках, кондиционерах, тепловых насосах.
• производство пористых пластмасс - пенопластов, паралона - для изготовления матрасов и автомобильных сидений, в мебельном производстве.
• электронная промышленность: очистка компьютерных микросхем.
• аэрозольные баллончики – фреоны исполь зовались в качестве веществ, способствующих распылен ию содержимого.
• производство растворителей (дифтордихло рметан , четыреххлористый углерод и др.).
• использование в качестве пенообразующего с р едства для тушения пожаров в огнетушителях (галоны).
• химическая чистка одежды.

Механизм воздействия ХФУ на озоновый слой

Химическая инертность ХФУ по мере их накопления в атмосфере обернулась злом: попадая беспрепятственно, без изменений в стратосферу и подвергаясь там УФ-облучению, они распадаются с освобождением атомов хлора .

Образовавшиеся атомы хлора и разрушают молекулы озона, выполняя роль катализатора реакции

С l + O 3 = ClO + O 2

С lO + O = Cl + O 2

В результате атом хлора остается «цел и невредим», как и положено катализатору. А озон исчезает.

О 3 + О = 2О 2

Один атом хлора уничтожает до 10 000 молекул озона.

Аэрокосмические разрушители озона

Одним из браконьеров озонового слоя называют высотную авиацию , работы по созданию которой активно велись в 70-е годы странами, передовыми в авиастроении (англо-французский «Конкорд», отечественный ТУ-144 и др.) В выхлопных газах сверхзвуковых самолетов содержится 0,1% оксидов азота NO и NO 2 . Под действием мягкого УФИ, которое в стратосфере озоном почти не задерживается, дополнительно образуется NO :

NO 2 +hv =NO + O

Затем активные молекулы NO играют нехорошую роль соучастников реакций, уничтожающих озон:

NO + O 3 = NO 2 + O 2

NO 2 + O 3 = NO + 2O 2

NO 2 + O = NO + O 2

O +O 3 = 2O 2

До момента исчезновения каждая молекула оксида азота уничтожает не менее 10 молекул озона.

Но бурного развития стратосферной авиации не произошло, а браконьерами озонового слоя оказались, прежде всего не пассажирские сверхзвуковые самолеты, а боевые самолеты . Многие из боевых самолетов летают на высоте 20 - 30 км., в слое с максимальным содержанием озона. Это наши МИГи и Су, английские «Винер» и «Эвон», французские «Тридан II » и «Мираж III ».

Большое количество оксидов азота попадает в стратосферу после ядерных взрывов , при которых образуется от 1 до 10 килотонн NO х на 1Мт мощности ядерного заряда.

Следующие разрушители озонового слоя – ракеты-носители . Стартующие вертикально ракеты доставляют вредные для озона вещества (в виде выхлопных газов) именно в атмосферу.

Ученые создали математическую модель разрушения озонового слоя ракетоносителями

наименование носителя

хлористый водород

"Шаттл"

"Энергия"

оксиды азота

187

7

оксиды углерода

0

вода, водород

378

0

740

346+166

оксиды алюминия

177

750

0

среднего, мелкого («Шаттл») и сверхтяжелого класса («Энергия»), что позволило рассчитать массу выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу на высоте до 50 км и массу разрушаемого озона при запуске ракет. Был сделан вывод о том, что при одинаковых топливах ракеты мелкого и среднего класса приносят больше вреда, чем ракеты-носители сверхтяжелого класса, т.е. с увеличением мощности ракет-носителей возрастает экологическая чистота. Иначе говоря, для сохранения озонового слоя целесообразно сразу несколько полезных грузов выводить на орбиту одной сверхтяжелой ракетой-носителем.

Наименование носителя

Общая масса разрушаемого озона, т

"Шаттл"

Масса выводимого полезного груза,т

"Энергия"

10 000 000

Масса разрушаемого озона (в пересчете на 1т полезного груза)

29,5

1 500

300 000

100

15

С.П. Королев: «Все проблемы со схемами и топливом решать, не забывая и об экологии»

Азотные удобрения –

их влияние на озоновый слой

Сельскохозяйственная деятельность человека также приводит к увеличению содержания NO в атмосфере. На почвах, обработанных нитратными удобрениями, анаэробные бактерии восстанавливают нитрат-ионы до молекулярного азота и оксида N 2 O в качестве побочного продукта. Ежегодно в атмосферу поступает около 10 мегатонн N 2 О, что составляет 25 – 40% его естественного поступления. Культивируемые земли как бы «дышат» этим оксидом, который, уходя в стратосферу, реагирует там с атомами кислорода :

N 2 O + O 2NO

Далее происходит уже известный азотный цикл разрушения озона.

Вулканы – естественные разрушители озонового слоя

ХФУ или фреоны считают главными разрушителями озонового слоя. Но схожие вещества порождает и сама планета. В состав вулканических газов Курило-Камчатского региона входят соединения типа фреонов – хлор- и фторпроизводные метана. Они практически непрерывно выделяются в атмосферу. Пепло-газовый столб из жерла вулкана поднимается на высоту до 50 км., прорезая озоновый слой.

На Камчатке 28 действующих вулканов. Процесс выброса вулканами фторхлорметанов – естественный, и природа сама восстанавливает баланс в атмосфере, но человек в результате деятельности может легко нарушить зыбкое равновесие.

Четко ограниченные области пониженного, по сравнению с нормой, содержания озона получили образное название озоновых дыр , т.е. под «дырой» не следует понимать, что в данной области совсем нет озона. Происходит лишь сильное утончение его слоя, и защитный эффект поглощения УФИ ослабевает .

Английский ученый Дж. Фарман, работавший на антарктической станции Хелли-Бей, весной 1984 года обнаружил резкое уменьшение содержания озона над Антарктидой - более чем на 40%. Образование озоновых дыр над Антарктидой было зафиксировано и амер. спутником «Нимбус-7», данные которого показали, что площадь поверхности озоновой дыры соизмерима с площадью Западной Европы.

Наблюдения показали, что резкое понижение содержания озона над Антарктидой происходит ежегодно в конце южнополярной ночи. Но почему именно над Антарктидой, над материком, столь удаленном от индустриальных районов планеты?

Здесь нет ничего удивительного. ХФУ, выброшенные в атмосферу в каком бы то ни было регионе Земли, разносится по всей атмосфере, а над Антарктидой они попадают в особые условия, в тот самый изолированный полярный вихрь, по существу, в закрытый котел, где в течение всей южнополярной зимы и начала весны не происходит обмена воздушными массами. Процесс катастрофического разрушения озона идет беспрепятственно. Озоновая дыра устойчиво держится. Лишь к середине весны полярный вихрь распадается – и дыра начинает затягиваться.

В другой полярной области Земли – Арктике – значительных и устойчивых озоновых дыр не зафиксировано, что связано с географическим положением, циркуляцией ветров, более высокой температурой атмосферы. Однако временное понижение количества озона в стратосфере происходит и над Арктикой – обнаружены локальные мини-дыры (1985 год), которые меньше по размерам, понижение озона в них не столь существенно (на 5-15 % ниже нормы). Тем не менее основания для беспокойства имеются, т.к., в отличие от безлюдной Антарктиды, эти области заселены человеком.

Аномалии в озоновом слое на территории России наблюдают с 90-х гг. В 1995 году подвижные дыры длительное время висели над севером европейской части и Поволжьем (дефицит озона достигал 40%). Сейчас дыры сползли к экватору, что связывают с общим изменением климата.

Последствия разрушения озонового слоя

Разрушение озонового слоя позволит большому количеству солнечной радиации достигнуть поверхности Земли. Каждый потерянный процент содержания озона в стратосфере приводит к увеличению интенсивности воздействия УФ радиации на 1,5-2%,что прежде всего опасно для кожи и глаз человека. Радиация с длинной волн в спектре от 280 до 320 нанометров – УФ лучи, которые частично блокируются озоном – могут вызвать преждевременное старение и рост числа раковых заболеваний кожи, а также поражение растений и животных.

• В случае разрушения озонового слоя увеличится частота трех видов рака кожи: базальноклеточный рак, плоскоклеточный рак и наиболее опасная форма – саркома (ежегодно отмечается около 25000 случаев этого заболевания. В 5 тысячах случаях саркома приводит к летальному исходу, что составляет 65% всех смертей, вызванных всеми видами рака). Согласно данным Совета безопасности РФ число заболевших будет удваиваться каждые 8 лет.
• УФ радиация ослабляет способность иммунной системы противостоять заболеваниям.
• УФ радиация повреждает роговую и соединительную оболочку глаза, хрусталик и сетчатку глаза, что приводит к увеличению числа людей с катарактой и может вызвать слепоту.

Разрушение озонового слоя: влияние на растения и морские организмы

Уф радиация вредно сказывается на росте растений, уменьшая размер листьев и, тем самым, сокращая полезную площадь для улавливания энергии. Растения останавливаются в развитии, и отмечается уменьшение их массы. Сокращение озона на 25%, согласно исследованиям, приводит к существенному сокращению урожаев.

Фитопланктон и зоопланктон играют ключевую роль в сложных пищевых цепях морских экосистем. УфИ поглощается лишь поверхностными слоями клеток, поэтому крупные биологические системы защищены лучше, чем мелкие, и одноклеточные водные организмы оказались наиболее уязвимыми. Разрушение озона скорее всего повлечет изменение видового состава, проживающего в поверхностном слое океана, чем вызовет сокращение общей его массы .

Ограничение антропогенного воздействия на

озоновый слой.

Для спасения озонового щита человечеству необходимо срочно решить, по крайней мере, три проблемы:

1. Ограничение использования ХФУ или поиск экологически безопасных их заменителей. Россия неуклонно снижает объемы производства ОРВ, а ряд крупнейших предприятий – потребителей ОРВ – перешли на использование альтернативных озонобезопасных веществ. 80% предприятий в мире используют в производстве аэрозолей вместо ХФУ углеводородные пропелленты (УВП). В холодильной технике производители перешли на хладагент ХФУ-134а с озоноразрушающим потенциалом равным 0 (США, Япония, Россия и др.), на изобутан (Швейцария, Италия, Германия), на пропан-бутановые смеси (Англия).

2. Сокращение числа полетов сверхзвуковых транспортных самолетов или замена этих самолетов на другие, летающие на более низких высотах. Запрещение запусков мелких и средних ракет с переходом на ракеты-носители сверхтяжелого класса. Строгий контроль за ядерными испытаниями и сокращение их количества.

3. Ограничение использования азотных удобрений и введение более прогрессивных способов возделывания сельскохозяйственных и окультуриваемых земель.

Планета Земля – это не наша собственность, с которой можно делать все, что угодно. Нам доверено лишь управлять её богатствами. Это налагает ответственность за её благополучие на каждого члена человеческой семьи.