Озоновый слой

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 планеты – находится  и проблема разрушения озонового  слоя. Возможно, что антарктический  озон является предвестником  глобальных изменений в озоносфере1.

 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.2 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)3.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Что такое озон и его роль в атмосфере

 

Озон — неустойчивый газ, кроме того, это сильный окислитель. Он появляется под влиянием грозовых разрядов, окисления некоторых органических веществ, в более высоких слоях — под действием ультрафиолетовой радиации Солнца. Содержание озона больше в атмосфере полярных широт, чем экваториальных; весной оно увеличивается, так как грозы связаны с атмосферными фронтами, осенью уменьшается.4

Два века назад, в 1785 г. голландский врач и естествоиспытатель Ван Марум сообщил, что вблизи действующей электростатической машины всегда возникает резкий запах неизвестного газа. Природу образующейся примеси выяснил позднее швейцарский химик Шенбейн, который в 1838 г. доказал, что запах, ощущаемый при электрических разрядах, принадлежит особому веществу, названному им «озоном». Во Франции в 1865 г. Сорэ доказал окончательно, что озон — это трехатомный кислород, а в 1873г. его обнаружили в приземной атмосфере. Спустя 8 лет английский химик Гартли обнаружил озон в верхних слоях атмосферы5. 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. Ультрафиолетовое излучение похоже на световое, но длина его волн несколько короче, чем у фиолетовых волн, самых коротковолновых из воспринимаемых глазом человека. Хотя ультрафиолетовые лучи невидимы, они обладают большей энергией, чем видимые. Проникая сквозь атмосферу и поглощаясь тканями живых организмов, они разрушают молекулы белков и ДНК.6 Именно это происходит, когда мы загораем. Если бы всё ультрафиолетовое излучение, попадающее на верхние слои атмосферы, достигало поверхности Земли, то вряд ли на ней сохранилась бы жизнь; все растения и животные просто «зажарились» бы. Даже небольшая, доступная нам часть этого количества (менее 1%) вызывает загар и ежегодно 200 – 600 тыс. случаев рака кожи в США7.

Мы защищены от агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения, так как большая его часть (свыше 99%) поглощается слоем озона в стратосфере на высоте около 25 километров от поверхности земли. Этот слой обычно называют озоновым экраном. Необходимость его сохранения не требует доказательств. Однако некоторые антропогенные вещества, в частности парниковые газы, его разрушают.

 

 

 

3. 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 поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей среде. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, в той или иной степени влияет на все параметры среды – антропогенные и природные, физические и биотические. Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы – это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ.8

  К разрушению озонового слоя приводят многочисленные факторы (рассматриваются самые главные). В первую очередь это, конечно же, фреоны. Фреоны – это собирательное название целой группы химических веществ появившихся на свет ещё в 20 годы прошлого столетия. В основном они использовались в холодильниках в качестве хладагентов. Ещё одна область применения фреонов это использование их в аэрозольных упаковках в качестве распылителя. Так как большая часть производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно сказать, что выпуск фреонов почти полностью работает на сокращение озонового слоя. Фреоны достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу. В стратосфере под действием ультрафиолетового излучения они достаточно быстро разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и участвуют в разложении озона.9

Ещё один фактор, приводящий к уменьшению озонового слоя - это высотные самолёты и запуски космических кораблей. Высокая температура в камерах сгорания реактивных двигателей, приводит к образованию окислов азота из находящихся там азота и кислорода. Причём скорость образования азота на прямую зависит от температуры, то есть мощности двигателя. Но ещё и очень важно, на какой высоте находится двигатель и выпускает в атмосферу разрушающие озон окислы азота. Чем выше, тем хуже для озона.

Теперь рассмотрим действие минеральных удобрений на разрушение озонового слоя. 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.10

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.11

Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона.12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Озоновая антарктическая аномалия

 

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической Службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный Самолетный Антарктический Озонный Эксперимент. В его ходе ученые из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озонная "дыра". В начале 80-х по измерениям со спутника "Нимбус-7" аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико - около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.13

Если нарисовать изменение общего количества озона в течение года (сезонный ход) над какой-нибудь точкой в Антарктике (для определенности буду считать этой точкой Южный географический полюс), то можно увидеть, что до появления “дыры” оно было таким, как показано на рисунке 4. В течение весенних месяцев (сентябрь–ноябрь) наблюдались значения N(O3) около 300–320 е.Д. Хотя эта величина и менялась от года к году, изменения были относительно невелики (в пределах ± 30 е.Д.).

Антарктической весной 1987г., когда эффект весеннего понижения N(O3) был наибольшим из пока наблюдавшихся, сезонный ход уже совсем иначе (пунктирная кривая на рисунке). В течение всего года величина N(O3) была такой же, как и во все предыдущие годы (с возможными отклонениями ± 30 е.Д.), однако в начале сентября она начала довольно быстро уменьшаться и уже к середине месяца упала до 150 е.Д. (следует помнить, что все цифры я даю лишь ориентировочно, чтобы проиллюстрировать сам характер и примерную амплитуду изменения). В течение последующих весенних месяцев (октябрь и ноябрь) общее количество озона оставалось низким и восстановилось до нормального уровня лишь в декабре.

Принципиально такая же картина получится, если построить сезонный ход над другими точками Антарктики. Различно будет лишь наименьшее значение, до которого падало N(O3) весной 1987г.

В 1987г. территория, где N(O3) уменьшилось до 200 е.Д., составляла около 40 миллионов квадратных километров, а её граница практически совпадала с кругом 60° ю. ш.14

По сегодняшним представлениям причина образования “озоновой дыры” связана прежде всего с систематическим увеличением в стратосфере Земли количества хлора и других галогенов благодаря все возрастающему выбросу в атмосферу галогеносодержащих соединений (в первую очередь фреонов). Но к столь драматическим изменениям N ( O3 ) (в несколько раз) при сегодняшнем уровне загрязнения воздуха приводит специфика метеорологической обстановки в антарктической стратосфере зимой и весной.15

Зимой в полярной стратосфере южного полушария существует устойчивый циклон – так называемый циркумполярный. Воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям, не выходя за его границы. При этом в Антарктике зимой практически не происходит обмена воздухом между полярной и среднеширотной атмосферой. К конце зимы воздух внутри вихря сильно охлаждается (до –70ј –80° C), и в стратосфере появляются полярные облака, состоящие из кристалликов льда и капель переохлажденной жидкости.

Частицы полярных облаков связывают азотные соединения (прежде всего NO2) и дают простор действию хлорного цикла разрушения озона. По мере нагревания антарктической стратосферы циркумполярный вихрь разрушается, при этом восстанавливается обмен воздухом с богатыми озоном средними широтами, стратосферные облака исчезают, освободившиеся молекулы NO2 связывают молекулы окиси хлора, разрушительное действие хлорного цикла ослабевает, и количество последнего восстанавливается до невозмущенных значений.16