Причины и последствия разрушения озонового слоя

Экология и здоровье

Причины и последствия разрушения озонового слоя

Автор: Редактор

Важнейшей составной частью атмосферы, влияющей на климат и защищает все живое на Земле от излучения Солнца, является озоносфера. Основная масса озона находится на высотах от 10 до50 км, А его максимум - на 18 -26 км. Всего в стратосфере содержится 3,3 триллиона тон озона. В слое озоносферы озон находится в очень разреженном состоянии.

Роль озона в сохранении биологической жизни на Земле исключительно велика. Молекулы озона поглощают жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца именно в той спектральной области, является наиболее разрушительной для биологических систем. Органические молекулы разрушаются ультрафиолетовым (УФ) излучением. Это касается также и молекул ДНК, отвечающие, как известно, за передачу наследственных признаков. Озоновый слой, как щит, не только предохраняет живом веществе от прямого разрушения, но и обеспечивает ход эволюции.

Рис. 1 Озон в атмосфере Земли

Если толщина озона уменьшилось, это нанесло бы непоправимый вред всем живым организмам. Твердый ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляет большую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон, обитающий в приповерхностном слое, при увеличении интенсивности жесткого УФ может серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится в основании пищевых цепей практически всех морских экосистем, поэтому без преувеличения можно сказать, что практически всю жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жесткому УФ, но при увеличении дозы могут пострадать и они. Полное исчезновение озонового слоя, несомненно, означало бы и исчезновение высших форм жизни. Что касается людей, то сейчас подсчитано, что даже незначительное снижение толщины слоя озона может увеличить заболеваемость раком кожи. Однако человечество легко найдет способ защититься от жесткого УФ-излучения но при этом рискует умереть от голода. Другое распределение озона по высоте существенно повлияет и на климат, так как изменится характер поглощения УФ-излучения озоном, а следовательно, и температура стратосферы.

Проблема озона, как одного из малых газовых компонентов атмосферы, ранее представляла интерес только для небольшого круга ученых, в настоящее время приобрела глобальное значение. Такая резкая перемена объясняется открытием того факта, что нормальный содержимое озона в атмосфере находится под угрозой в результате хозяйственной деятельности человека.

Если бы все количество озона собрать при нормальном давлении 760 ммрт. ст. и температуры 273,15 К, то толщина этого слоя составила бы всего 2,5 -3 мм. Озон представляет собой едкий , немного голубоватый газ. Его молекула состоит из трех атомов кислорода (O 3 ), так что озон является «химическим родственником» более стабильной и богатой в атмосфере вещества,необходимого для дыхания человека, что составляет ться из двух атомов кислорода (О 2 ).

Свойства озона:

- Способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца.

- Озон - сильнейший окислитель (попросту говоря - яд), поэтому приземный озон опасен.

- Поглощение инфракрасное излучение земной поверхности.

- Способность прямым и косвенным образом влиять на химический состав атмосферы.

Поскольку механизм создания молекул озона находится в балансе с механизмом их разрушения, то средняя количество озона в стратосфере ученые считают величиной сравнительно постоянной с момента образования современной атмосферы Земли.

В отличие от других атмосферных составляющих озон появился в атмосфере исключительно химическим путем и является самым молодым атмосферным компонентом. С экологической точки зрения, ценной свойством озона является его способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца; в то время как химическая соединение озон является сильнейшим окислителем (попросту ядом), способным при непосредственном контакте отравить ту же флору и фауну, что он защищает в качестве стратосферного озонового слоя . Кроме этого, озон является эффективным парниковым газом. И, наконец, озон влияет на малые активные составляющие атмосферы, а через них - и на стабильные компоненты, которые, как и сам озон поглощают и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Тем самым озон делает не только прямой , но и косвенное влияние на парниковый эффект и уровень ультрафиолетового излучения на поверхности Земли.

Практически единственным источником озона в атмосфере является фотодиссоциация молекулярного кислорода на атомы с последующим быстрым усыпления атома к молекуле O 2 с образованием молекулы озона:

O 2 + H N = O + O (1)

O + O 2 + M = O 3 + M (2)

(Здесь М - любая молекула воздуха).

Этот процесс на высотах более 30 км, Поскольку ниже этой высоты коротковолновое солнечное излучение не проникает. В результате довольно высоко в атмосфере появляются молекулы озона и атомы кислорода.

Гибель атмосферного озона происходит в результате следующих процессов:

O 3 + H N = O + O 2 (3)

O + O 3 = O 2 + O 2 (4)

Таким образом, атомы, образовавшиеся когда-то с молекул кислорода, вновь соединяются в молекулу. Отметим только, что, для того чтобы «развалить» молекулу озона, коротковолновое излучение не требуется. Связь атома О с молекулой О 2 в озоне очень слабый, поэтому даже при облучении видимым светом молекула озона будет фотодисоциюваты на исходные составляющие.

Отмечу также, что реакция (3) является основным поставщиком атомов кислорода; ее скорость на всех высотах тропосферы и стратосферы на три и более порядка выше скорости реакции (1).

Приведенный выше механизм был предложен в начале 1930-х годов английским геофизиком Чепменом и явился первой попыткой объяснить образование озонового слоя в атмосфере.

Озон в стратосфере постоянно рождается и погибает, следовательно, его слой состоит из равновесного количества. А поскольку это равновесие подвижная, то толщина озонового слоя может меняться. Наблюдаются суточные, сезонные колебания содержания озона, а также циклы, связанные с многолетними изменениями солнечной активности. Наибольшее количество озона (46%) образуется в стратосфере тропического пояса, там максимум его плотности находится примерно на высоте26 кмот поверхности. В средних широтах он располагается ниже: зимой - на высоте22 км, А летом - 24 км. В полярных районах высота максимума составляет всего 13 -18 км, И здесь озон наиболее интенсивно переносится в нижние слои атмосферы.

Существует большое количество причин ослабления озонового щита, вызванного антропогенной деятельностью. В целом их можно объединить в две группы.

1. Выбросы высотных самолетов и ракет

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

Во-вторых, - самолеты. Особенно те, что летят на высотах в 12 -15 км. Пара, выбрасываемой ими и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время самолеты, летающие ниже12 км, Дают увеличение озона. В городах он - один из составляющих фотохимического смога.

В-третьих, - окиси азота. Их выбрасывают те же самолеты, но больше всего их выделяется с поверхности почвы, особенно при разложении азотных удобрений.

Поскольку на сегодня полеты на сверхзвуковых самолетах осуществляются не очень часто, они не наносят существенного вреда озоновому слою. Запуски ракет происходят также не слишком часто, но они могут наносить очень серьезный ущерб озоновому слою. Так, при общей массе орбитального корабля «Спейс Шаттл» сто сорок три с половиной тонны в процессе подъема до высоты50 кмтвердотопливная ракетная система выбрасывает 187 тонн Cl 2 и его соединений, 7 тонн оксидов азота и уничтожает за полет 10 миллионов тонн озона. Это очень много, потому что в земной атмосфере содержится всего 3000 000 000 тонн озона.

Оксиды азота играют важную роль в формировании и разрушении озона, причем в стратосфере происходит каталитическое разрушение озона в тропосфере - каталитическое формирования.

2. Хлорофторовуглеци (ХФУ), или фреоны

Когда-то фреоны рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества, поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. Как это ни парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, простирающийся от поверхности земли до высоты10 км), Как это происходит, например, с большей частью окислов азота, и в конце концов проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно25 км, Где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения (рис. 2), не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы фреонов, распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способности, в частности, атомный хлор. Таким образом, ХФУ переносит хлор с поверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс фреонов в атмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическом случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие фреонов, которые уже попали в атмосферу, будет продолжаться несколько десятилетий . Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых ХФУ: фреон-11 (CFCl 3 ) и фреон-12 (CF 2 Cl 2 ) составляет 75 и 100 лет соответственно.

Рис. 2 Разрушение озонового слоя Земли фреонамиОдин из самых впечатляющих доказательств того, что хлор действительно является агентом, ответственным за появление озоновой дыры, появился в сентябре 1987 г., когда ученые пролетели на самолете из Южной Америки прямо к Южному полюсу, в зону озоновой дыры. Увеличение и уменьшение концентрации озона почти точным зеркальным отражением уменьшения и увеличения концентрации ClО. Более того, концентрация Cl в самой озоновой дыре в сотни раз превышает любой уровень, который можно было бы объяснить с точки зрения атмосферной химии. Это явление часто называют «дымовой ружьем». Даже производители ХФУ убедились в том, что озоновая дыра нельзя считать нормальным явлением. Это свидетельство глубоких изменений в атмосфере, вызванных искусственными хлорсодержащими загрязнителями.

Ученым потребовалось несколько лет, чтобы найти объяснение появлению озоновой дыры. Вкратце это такое.

Поскольку Антарктида окружена океаном, ветры могут непрерывно циркулировать вокруг континента, на котором нет горных цепей. При южной зимы они образуют вокруг полюсный вихрь, воронку из ветров, что собирает воздух над Антарктидой и удерживает его, не позволяя смешиваться с другой атмосферой. Этот вихрь служит изолированным «реакционным котлом» для полярных атмосферных химических соединений (он значительно сильнее того, что образуется над Северным полюсом, поэтому северная озоновая дыра проявляется значительно слабее).

Рис. 3 Озоновая дыра над АнтарктидойПод давлением аргументов, приведенных выше, многие страны начали принимать меры, направленные на сокращение производства и использования фреонов. С 1978 г. в США было запрещено использование фреонов в аэрозолях. К сожалению, использование фреонов в других отраслях ограничено не было. В сентябре 1987 23 ведущие страны мира подписали в Монреале протокол, обязывающую их снизить потребление ХФУ. Сегодня под ним подписались около 150 стран.

К тому, в 1985 г. было подписано Венскую конвенцию об охране озонового слоя, в которой развитые страны признавали факт проблемы разрушения озонового слоя.

Согласно достигнутой договоренности в Монреале развитые страны должны были до 1999 г. снизить потребление хлорофторовуглецив до половины уровня 1986 Для использования в качестве пропеллента (т.е. инертной химического вещества, с помощью которой создается избыточное давление) в аэрозолях уже найден неплохой заменитель фреонов - пропан -бутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Однако, такие аэрозоли уже производятся во многих странах. Сложнее 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. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает фреонам 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.

Хочется надеяться, что проблема озонового слоя научит с большим вниманием и опаской относиться ко всем веществам, попадающим в атмосферу в результате антропогенной деятельности.

 

Оставить комментарий