Доповідь - руйнування озонового шару 2
Озон, що знаходиться на висоті близько 25 км від земної поверхні, перебуває в стані динамічної рівноваги. Він являє собою шар підвищеної концентрації товщиною близько 3 мм. Стратосферний озон поглинає жорстку ультрафіолетову радіацію Сонця і цим захищає все живе на Землі. Озон також поглинає інфрачервоне випромінювання Землі і є одним з обов'язкових умов збереження життя на нашій планеті.
XX століття принесло людству чимало благ, пов'язаних з бур-ним розвитком науково-технічного прогресу, і в той же час поставив життя на Землі на грань екологічної катастрофи. Зростання населення, інтенсифікація видобутку і викидів, забруднюючих-няющих Землю, приводять до корінних змін у природі і відображаються на самому існуванні людини. Частина з таких змін надзвичайно сильна і настільки широко поширенням країн, що виникають глобальні екологічні проблеми.
В результаті багатьох зовнішніх впливів озоновий шар починає стоншується в порівнянні зі своїм природним станом, а за деяких умов над певними територіями і зовсім зникати - з'являються озонові діри, чреваті незворотними наслідками. Спочатку вони спостерігалися ближче до південного полюса Землі, але недавно були помічені і над азіатської частьюУкаіни. Ослаблення озонового шару підсилює потік сонячної радіації на землю і викликає у людей зростання числа ракових утворень шкіри і ряд інших важких хвороб. Також від підвищеного рівня випромінювання страждають рослини і тварини.
Хоча людством були прийняті різні заходи по відновленню озонового шару (наприклад, під тиском екологічних організацій багато промислових підприємств пішли на додаткові витрати для установки різних фільтрів для зменшення шкідливих викидів в атмосферу), цей складний процес займе кілька десятиліть. Перш за все, це обумовлено величезним обсягом вже накопичених в атмосфері речовин, що сприяють його руйнуванню. Тому я вважаю, що проблема озонового шару залишається актуальною і в наш час.
Природа і значення озонового екрану.
Поряд з видимим світлом Сонце випромінює ультрафіолетові хвилі. Ультрафіолетове випромінювання схоже на світлове, але довжина його хвиль дещо коротший, ніж у фіолетових хвиль, самих короткохвильових з сприймаються оком людини. Хоча ультрафіолетові промені невидимі, вони мають більшу енергією, ніж видимі. Проникаючи крізь атмосферу і поглинаючись тканинами живих організмів, вони руйнують молекули білків і ДНК. Саме це відбувається, коли ви загоряєте. Якби все ультрафіолетове випромінювання, що потрапляє на верхні шари атмосфери, досягало поверхні Землі, то навряд чи на ній збереглася б життя. Навіть невелика, доступна нам частину цієї кількості (менше 1%) викликає засмагу і щорічно 200 000-600 000 випадків раку шкіри в США.
Ми захищені від агресивного впливу ультрафіолетового випромінювання, так як більша його частина (понад 99%) поглинається шаром озону в стратосфері на висоті близько 25 кілометрів від поверхні землі. Цей шар зазвичай називають озоновим екраном.
При поглинанні ультрафіолету в атмосфері утворюється свого роду суміш, в якій переважають вільні електрони, нейтральні атоми кисню, позитивні іони молекул кисню. При їх взаємодії і утворюється озон. Взаємодія ультрафіолетового випромінювання з киснем відбувається по всій висоті атмосфери - є відомості, що в мезосфері, на висоті від 50 до 80 кілометрів, вже спостерігається процес утворення озону, який триває в стратосфері (від 15 до 50 км) і в тропосфері (до 15 км ). Разом з тим верхні шари атмосфери, зокрема мезосфера, схильні до такого сильного впливу короткохвильового ультрафіолету, що іонізуются і розпадаються молекули всіх складових атмосферу газів. Не може не розкладатися і тільки що утворився там озон, тим більше, що для цього потрібно майже така ж енергія, як і для молекул кисню. І тим не менше руйнується він не повністю - частина озону, який в 1,62 рази важче повітря, опускається в нижні шари атмосфери до висоти 20-25 кілометрів, де щільність атмосфери дозволяє йому перебувати як би в стані рівноваги. Там молекули озону створюють шар підвищеної концентрації, тобто озоновий шар.
Шар озону дивно тонкий. Якби цей газ зосередити у поверхні Землі, то він утворив би плівку лише в 2-4 мм завтовшки (мінімум - в районі екватора, максимум - у полюсів). Однак і ця плівка надійно захищає нас, майже повністю поглинаючи небезпечні ультрафіолетові промені. Без неї життя збереглася б лише в глибинах вод (глибше 10 м) і в тих шарах грунту, куди не проникає сонячна радіація. Більш того, якщо б не озоновий шар, то життя не змогла б взагалі вибратися з океанів і високорозвинені форми життя типу ссавців, включаючи людину, не виникли би.Озон поглинає деяку частину інфрачервоного випромінювання Землі. Завдяки цьому він затримує близько 20% випромінювання Землі, підвищуючи отепляющее дію атмосфери.Озон, також, регулює жорсткість космічного випромінювання. Якщо цей газ хоча б частково знищується, то, природно жорсткість випромінювання різко зростає, а, отже, відбуваються реальні зміни рослинного і тваринного світу. На думку лікарів, кожен втрачений відсоток озону в масштабах планети викликає до 150 тисяч додаткових випадків сліпоти через катаракти, на 2,6 відсотка збільшується кількість ракових захворювань шкіри, значно зростає кількість хвороб, викликаних ослабленням імунної системи людини. Найбільшому ризику піддаються жителі північної півкулі зі світлою шкірою. Але страждають не тільки люди. УФ-В випромінювання, наприклад, вкрай шкідливо для планктону, мальків, креветок, крабів, водоростей, що мешкають на поверхні океану.
Формування і руйнування озонового шару.
Як вже було сказано, озон в стратосфері - це продукт впливу самого ультрафіолету (УФ) на молекули кисню (О2). В результаті деякі з них розпадаються на вільні атоми, а ті в свою чергу можуть приєднуватися до інших молекул кисню з утворенням озону (О3). Однак весь кисень не перетворюється в озон, так як вільні атоми О, реагуючи з молекулами озону, дають дві молекули О2. Таким чином, кількість озону в стратосфері не статично; воно являє собою результат рівноваги між цими двома реакціями. Руйнування озонового шару - це поділ молекул озону, яке викликають зустрічаються в стратосфері речовини, що руйнують озоновий шар (OSNV), що виникають в результаті природних процесів (наприклад, виверження вулканів) або емітовані (вивільнені) в результаті діяльності людини, і містять хлор (Cl) або бром (Br); а також метан або оксид азоту (I) - (N2O).
Найсуттєвіші етапи руйнування озонового шару:
1) Емісії: в результаті діяльності людини, а також в результаті природних процесів на Землі емітуються (вивільняються) гази, що містять галогени (бром і хлор), тобто речовини, що руйнують озоновий шар.
2) Акумулювання (емітовані гази, що містять галогени, акумулюються (накопичуються) в нижніх атмосферних шарах, і під впливом вітру, а також потоків повітря переміщаються в регіони, які не перебувають в прямій близькості з джерелами такої емісії газів).
3) Переміщення (акумульовані гази, що містять галогени, за допомогою потоків повітря переміщаються в стратосферу).
4) Перетворення (більша частина газів, що містять галогени, під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця в стратосфері перетворюється в легко реагують галогенні гази, в результаті чого в полярних регіонах Земної кулі руйнування озонового шару відбувається порівняно активніше).
5) Хімічні реакції (легко реагують галогенні гази викликають руйнування озону стратосфери; фактор, що сприяє реакціям - полярні стратосферні хмари).
6) Видалення (під впливом повітряних потоків легко реагують галогенні гази повертаються в тропосферу, де через присутню в хмарах вологості і дощів поділяються, і таким чином з атмосфери повністю видаляються).
Причини руйнування озонового шару.
У 1970-ті роки вчені припустили, що вільні атоми хлору каталізують процес поділу озону. А люди щорічно поповнюють склад атмосфери вільним хлором і іншими шкідливими речовинами. Причому відносно невелика їх кількість може завдавати значної шкоди озоновому екрану, причому цей вплив буде тривати невизначено довго, так як атоми хлору, наприклад, залишають стратосферу дуже повільно.
Велика частина хлору, використовувана на землі, наприклад, для очищення води, представлена його розчинними у воді сполуками іонами. Отже, ні вимиваються з атмосфери опадами задовго до того, як потрапити в стратосферу. Хлорфторвуглеці (ХФВ) дуже летючі і нерозчинні у воді. Отже, вони не вимиваються з атмосфери і, продовжуючи поширюватися в ній, досягають стратосфери. Там вони можуть розкладатися, вивільняючи атомарний хлор, який власне і руйнує озон. Таким чином, ХФУ завдають шкоди, виступаючи в ролі переносників атомів хлору в стратосферу.
Хлорфторвуглеці щодо інертні хімічно, негорючі і отруйні. Більш того, будучи газами при кімнатній температурі, вони ожігающіх при невеликому тиску в виділенням тепла, а випаровуючись, знову його поглинають і охолоджуються. Ці властивості дозволили застосовувати їх в таких цілях.
1) Хлорфторвуглероди використовуються практично у всіх холодильниках, кондиціонерах повітря і теплових насосах як хлорагенти. Оскільки ці пристосування рано чи пізно ламаються і викидаються, що містяться в них ХФУ зазвичай потрапляють в атмосферу.
2) Друге найважливіше область їх застосування - виробництво пористих пластмас. ХФУ підмішують в рідкі пластмаси при підвищеному тиску (вони розчиняються в органічних речовинах). Коли тиск знижують, вони вспенивают пластмасу, як вуглекислий газ спінює содову воду. І при цьому випаровуються в атмосферу.
3) Третя основна область їх застосування - електронна промисловість, а саме очищення комп'ютерних мікросхем, яка повинна бути досить ретельної. І знову ж таки, хлорфторвуглеці потрапляють в атмосферу. Нарешті, в більшості країн, крім США їх, до сих пір використовують як носії в аерозольних балончиках, які розпилюють їх в повітрі.
Ряд промислових країн (наприклад, Японія) вже оголосили про відмову від використання довгоживучих фреонів і переході на короткоживучі, час життя яких істотно менше року. Однак в країнах, що розвиваються такий перехід (що вимагає поновлення ряду галузей промисловості і господарства) зустрічає зрозумілі труднощі, тому реально навряд чи можна очікувати повного припинення в доступні для огляду десятиліття викиду довгоживучих фреонів, а значить, і проблема збереження озонового шару буде стояти дуже гостро.
В.Л.Сивороткін розробив альтернативну гіпотезу, згідно з якою озоновий шар зменшується з природних причин. Відомо, що цикл руйнування озону хлором не єдиний. Існують також азотний і водневий цикли руйнування озону. Саме водень - «головний газ Землі». Основні його запаси зосереджені в ядрі планети і через систему глибинних розломів (Рифт) надходять в атмосферу. За приблизними оцінками, природного водню в десятки тисяч разів більше, ніж хлору в техногенних фреонах. Однак вирішальним фактором на користь водневої гіпотези Сивороткін В.Л. вважає те, що осередки озонових аномалій завжди розташовуються над центрами водневої дегазації Землі.
Руйнування озону відбувається також через вплив ультрафіолетової радіації, космічних променів, сполук азоту, брому. Діяльність людини, яка веде до руйнування озонового шару, викликає найбільшу тривогу. Тому багато країн підписали міжнародну угоду, що передбачає скорочення виробництва озоноруйнуючих речовин. Однак озоновий шар руйнує також реактивна авіація і деякі пуски космічних ракет.Предполагается безліч інших причин ослаблення озонового щита. По-перше, - це запуски космічних ракет. Згоряє паливо «випалює» в озоновому шарі більші діри. Колись передбачалося, що ці «діри» затягуються. Виявилося, немає. Вони існують досить довго. По-друге, літаки, що летять на висотах в 12-15 км. Викиди ними пар та інші речовини руйнують озон. Але, в той же час літаки, що літають нижче 12 км, дають надбавку озону. У містах він - один зі складових фотохімічного смогу. По-третє - оксиди азоту. Їх викидають ті ж літаки, але найбільше їх виділяється з поверхні ґрунту, особливо при розкладанні азотних добрив.
Дуже важливу роль в руйнуванні озону грає пар. Ця роль реалізується через молекули гідроксилу OH, які народжуються з молекул води і в кінці перетворюються в них. Тому від кількості пари в стратосфері залежить швидкість руйнування озону.
Таким чином, причин руйнування озонового шару чимало, і не дивлячись на всю його важливість, більшість їх - це результат людської діяльності.
Озонові діри і їх вплив.
Озонова діра - локальне падіння концентрації озону в озоновому шарі Землі.До недавнього часу стан шару озону не вселяло побоювання. Тривожні сигнали почали надходити 20 років тому. З початком космічних досліджень атмосфери Землі восени 1985 годаобнаружено порушення озонового шару над Антарктидою. Виявилося, що під час антарктичної весни рівень озону в атмосфері там значно нижче норми. Щорічно в один і той же час кількість озону зменшувалося - іноді більшою мірою, іноді в меншій.
У наступні роки вчені з'ясували, чому з'являється озонова діра. Коли сонце ховається і починається довга полярна ніч, відбувається різке падіння температури, і утворюються високі стратосферні хмари, які містять кристалики льоду. Поява цих кристаликів викликає серію складних хімічних реакцій, що призводять до накопичення молекулярного хлору (молекула хлору складається з двох з'єднаних атомів хлору). Коли з'являється сонце і починається антарктична весна, під дією ультрафіолетових променів відбувається розрив внутрішньо молекулярних зв'язків, і в атмосферу потрапляє потік атомів хлору. Ці атоми виступають в ролі каталізаторів реакцій перетворення озону в простий кисень. В результаті цих реакцій молекули озону (O3) перетворюються в молекули кисню (O2), причому вихідні атоми хлору залишаються у вільному стані і знову беруть участь в цьому процесі (кожна молекула хлору руйнує мільйон молекул озону до того, як вони втечуть з атмосфери під дією інших хімічних реакцій). Внаслідок цього ланцюжка перетворень озон починає зникати з атмосфери над Антарктидою, утворюючи озонову діру. Однак незабаром, з потеплінням, антарктичні вихори руйнуються, свіже повітря (що містить новий озон) спрямовується в цей район, і діра зникає.
Однак, існує й інша точка зору. Звідки озонові діри далеко від техногенних регіонів, наприклад, в Якутії, Тибеті і над безлюдними територіями Сибіру? Існує думка, що зміни циркуляції атмосфери викликані стаціонарними планетарними хвилями, які проникають в стратосферу в зимово-весняний період, сильно впливаючи на розподіл озону та інших її складових в середніх і високих широтах. Одне з джерел цих хвиль - різні температури над поверхнями континентів і океанів, тому зміни температури океанської поверхні позначаються на хвильової активності. При тривалому ж ослабленні хвильової активності посилюються західні вітри в стратосфері, охолоджується її нижня частина, формуються полярні стратосферні хмари і, тим самим, умови для руйнування озону. Циркуляція в стратосфері за останні 20 років могла сильно змінитися. Так що основною причиною озонової «діри» в Антарктиці цілком може бути тривале ослаблення хвильової активності стратосфери, пов'язане з дуже повільними процесами в Світовому океані.
Останнім часом поява озонових дір спостерігається періодично і над всією поверхнею землі. Крім того, стоншується сам озоновий шар Землі. Для людини це загрожує підвищенням ракових утворень шкіри. Але якщо людина може захистити себе від ультрафіолетового випромінювання, то тваринний і рослинний світ залишається перед ним беззахисним.
Вченими ведуться пошуки шляхів відновлення озонового шару. Спочатку для цієї мети пропонувалося створення фабрик по виробництву озону, після чого доставляти покоління було на літаках в атмосферу. Іншим варіантом є створення аеростатів оснащених лазерами, що мають живлення від сонячних батарей, які будуть використовувати кисень для створення озону. Найбільш же реальним виходом з цієї ситуації є скорочення вирубки лісів, і збільшенням зелених насаджень.
Для подальшого успіху необхідні наступні заходи:
1) Продовжувати спостереження за озоновим шаром, щоб оперативно відстежувати непередбачені зміни; забезпечити виконання країнами прийнятих угод;
2) Продовжувати роботу по визначенню причин змін озонового шару і оцінювати шкідливі властивості нових хімікатів щодо руйнування озону і впливу на зміну клімату в цілому;
3) Продовжувати надавати інформацію про технології та заміщають з'єднаннях, що дозволяє використовувати холодильну техніку, кондиціювання повітря і теплоізоляційні піноматеріали, не завдаючи шкоди озоновому шару.