Проблемы стратосферного озона

Министерство образования и науки Российской Федерации Волгоградский Государственный Университет Юридический ФакультетРеферат По дисциплине: Концепция современного естествознания Тема: Проблемы стратосферного озонаВолгоград 2009 Оглавление Введение 1. Атмосфера и ее строение 2. Химические и биологические особенности озона 3. Условия образования и защитная роль озонового слоя 4. Химические процессы в тропосфере 5. Причины образования “озоновой дыры” 6. Пути решения проблем Литература ВведениеС возникновением человеческой цивилизации появился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. наших современников оказывают на природу такое же по масштабам воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек. С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширялся объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Атмосфера в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает состояние воздушного пространства нашей планеты. В настоящее время существует 3 основные глобальные экологические проблемы атмосферы: глобальное потепление или "парниковый эффект", кислотные дожди и разрушение озонового слоя. Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты, а реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей. Целью настоящей работы явилось обобщение литературных данных о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр". 1. Атмосфера и ее строениеАтмосфе́ра (от. др. – греч. ἀτμός – пар и σφαῖρα – шар) – газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства. Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся один от другого по температурным и иным условиям. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около – 23° на северном полюсе. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0,6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности. Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера, характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы. Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом. Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше. С этой точки зрения она может быть названа озоносферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном. Над стратосферой лежит слой мезосферы, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов. Рис.1. Строение атмосферы На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха. Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть – экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен. Ионосфера, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км – порядка 1015-106 на кубический сантиметр. Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°. Атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием экзосферы (внешней атмосферы). Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше. С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности. Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц – протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия – порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации. 2. Химические и биологические особенности озонаОзон является аллотропной модификацией кислорода. Его молекула диамогнитна (в отличие от парамагнитной О2), имеет угловую форму, связь в молекулу является делокализованной трехцентровой, предполагается также донорно-акцепторный механизм образования химических связей в озоне. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 – >3О2) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH+ О3 RО2 +OHЭти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в атмосфере, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому, озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости. 3. Условия образования и защитная роль озонового слояИзвестно, что основная часть природного озона сосредоточена в стратосфере на высоте от 15 до 50 км над поверхностью Земли. Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода (О2 – > О3).Больше всего озона в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км, который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако общее его количество в стратосфере достигает очень внушительной цифры – более 3 млрд. тонн. Образование озона из обычного двухатомного кислорода требует довольно большой энергии – почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция – взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным: О2 + О=О3.Атомарный кислород – еще более насыщенное энергией вещество – образуется при электрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере появляется под действием постоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения Солнца: Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием, поэтому усредненная концентрация озона в течение длительного времени оставалась постоянной. Процесс образования и разложение озона называют циклом Чемпена. Результатом процессов в цикле является переход солнечной энергии в теплоту. Озоновый цикл ответственен за повышение температуры на высоте 15 км. Защитная роль озонового слоя. Озон поглощает часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200-300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение. 4. Химические процессы в тропосфереВ химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH – радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона: O3+h=O2+O O+H2O=OH+OH В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:NO2+ h (L<400нм) =NO+O O+O2=O3О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении: O3+NO=NO2+O2 O3+NO2=NO3+O2В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды: Н2 О+h=H+OH H2 O+O=2OHОпределённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения HNO2, HNO3, H2O2 HNO2+h (L<400нм) =NO+OH HNO3+h (L<330нм) =NO2+OH H2O2+h (L<330нм) =2OHВ тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:RH+OH=HOH+R R+O2=RO2 RO2+HOH=ROOH+OHНаиболее типичным и основным по массе органическим загрязнителем атмосферы является CH4. Окисление CH4 под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:ОН+СН4=Н2О +СН3 СН3+О2=СН3 О2 СН3 О2+NО=СН3 О+NО2 СН3 О+О2=СН2 О+НО2В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде:СН4+4О2=СН2 О+Н2 О+2О3т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О3, а рост утечки СН4 многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О3 по сравнению с переносом О3 из стратосферы. Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира. Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.ОН+СН2 О=Н2 О+НСО НСО+О2=НО2+СО 5. Причины образования “озоновой дыры”Летом и весной концентрация озона повышается; над полярными областями она всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980-х гг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получило название "озоновая дыра" (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не было) и стало внимательно исследоваться. Позднее, в 1990-е гг., такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. Феномен Антарктической “озоновой дыры” пока не понятен: то ли “дыра" возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс. Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что причина нежелательного явления – реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны – хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора. Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (в России их поэтому называют "хладонами"), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные – для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т. Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным "нарушителем порядка" в озоновом слое.CF2 Cl2=CF2 Cl+ClПоследующие реакции CF2 Cl с О2 и h приводят к отщеплению второго атома хлора. Хлор "съедает" и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:О3 + Сl = О2 + ClO СlO + O = Cl + O2Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой. Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%. Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ. Разрушающий потенциал (усл. ед) Продолжительность жизни (лет) CFCl 1 1.0 75 CFCl 2 1.0 111 CFCl 3 0.8 90 CCl 4 1.0 185 C2FCl 5 0.6 380 HCFCl 2 0.05 20 Метилхлороформ 0.10 6.5 Четырехлористый углерод 1.06 50 Венская конвенция. В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами. Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена: разрушение озонового слоя окисями азота – соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету;О3+NО NО3+О2воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон; разрушение озона соединениями хлора. В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем. Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии: Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды:2NО+О2 = 2NО2 О2+NО2 = NО3+О2 NО3+NО2 = N2 О5 N2 О5+Н2 О = 2НNО3Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N2+О2 2NО Источником NО в стратосфере служит также газ N2 О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения:N2 О+h (230нм) = N2+О N2 O+O = 2NOРазрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям:N2 О+h (250нм) = N2+О N2 O+O = N2+O2 6. Пути решения проблемЧтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся. Также мы – все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги. Для восстановления озонового слоя его нужно подпитывать. Сначала с этой целью предполагалось создать несколько наземных озоновых фабрик и на грузовых самолетах "забрасывать" озон в верхние слои атмосферы. Однако этот проект (вероятно, он был первым проектом "лечения" планеты) не осуществлен. Иной путь предлагает российский консорциум "Интерозон": производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой "Даза" планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода. Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции "Мир" и создать на высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта. У этого проекта был предшественник – американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для "звездных войн". Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете. Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо: расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя; провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами; создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами; провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей; организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях. Литература1. Глинка Н.Л. Общая химия. Издательство "химия". 1990г. 2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды, Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с. 3. Лавров С.Б. Глобальная проблема современности. Санкт-Петербург, 1995г. 4. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Мысль, 1985 г.