Проблемы озонового слоя и возможные методы его решения

Реферат:

“Проблема озонового слоя и возможные методы ее решения”

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ  ОЗОНА

2. СОСТОЯНИЕ ОЗОНОВОГО  СЛОЯ. ОБЩИЕ ТЕНДЕНЦИИ

3. ПРИЧИНЫ ИСТОЩЕНИЯ  ОЗОНОВОГО СЛОЯ

4. ОХРАНА ОЗОНОВОГО  СЛОЯ

5. ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Озон - трехатомный  кислород, бесцветный газ с характерным  и острым запахом. Он присутствует во всей толще атмосферы с максимумом содержания на высотах 20-25 км. Общее  содержание озона (ОСО) - это условная толщина слоя в сантиметрах, который  образовал бы весь озон атмосферы, собранный  отдельно и приведенный к стандартному давлению 1013 мб. и температуре воздуха 0.С. В этом случае толщина слоя озона  составила бы 0,3-0,4 см. ОСО - очень  изменчивая величина, зависящая от географической широты, сезонов года, атмосферных процессов и др.

В атмосфере Земли  озон образует защитную оболочку, охраняющую живую природу от губительного воздействия  коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца.

Озона, газа, которым  так замечательно пахнет во время  грозы, в атмосфере совсем немного - одна молекула на 3-4 млн молекул  компонентов воздуха. Однако для  флоры и фауны планеты его  присутствие необычайно важно. Ведь зародившаяся в океанских пучинах  жизнь и смогла-то "выползти" на сушу только после того, как 600-800 млн. лет назад сформировался  озоновый щит. Поглощая биологически активное солнечное ультрафиолетовое излучение, он обеспечил его безопасный уровень на поверхности планеты.

Атмосферный озон сосредоточен в двух областях - стратосфере  и тропосфере. Причем в первой находится 90% от общего количества. Что касается распределенного на высоте от 0 до 10 км. слоя тропосферного озона, то его-то как раз благодаря неконтролируемым промышленным выбросам становится все больше.

Будучи химически  активным, он легко вступает в реакции  и способен не только заметно снизить  урожайность сельскохозяйственных культур, но и нанести вред здоровью человека. А надежды на то, что "плохой" тропосферный озон компенсирует убыль "хорошего" стратосферного, напрасны. Все из-за той же высокой активности его молекул, не позволяющей им "дотянуть" до стратосферы. К тому же, даже в грязном городском смоге концентрация озона все равно ниже, чем на заоблачных высотах.

Состояние озонового  слоя ученые оценивают по-разному. В 1980-е 1990-е годы отмечалось уменьшение его толщины. Причиной уменьшения количества озона в стратосфере традиционно  считают фреоны, которые используются в морозильных камерах и другом оборудовании. Восстановление озонового  слоя является одной из важных задач. Опасность жесткого ультрафиолетового  излучения для человека многими  недооценивается и сейчас: эксперты Всемирной организации здравоохранения  приводят данные, что от рака кожи и  других болезней, связанных с излучением солнца, каждый год умирает 60 тысяч  человек. Дальнейшее уменьшение толщины  озонового слоя приведет к необратимым  последствиям для биосферы.

Однако ученые дают достаточно оптимистичные прогнозы на будущее. По данным испанских ученых, принятые международным сообществом  на сегодняшний день меры уже дали свой результат, в том числе в  рамках Монреальского протокола: за последние пять лет в атмосфере  сократилось количество хлора, оказывающего влияние на озоносферу.

Уточненные данные Всемирной Метеорологической организации  свидетельствуют о том, что началось восстановление озонового слоя, которое  идет медленнее, чем предполагалось ранее, так как количество фреона, использующегося в различном  оборудовании, еще достаточно велико. В средних широтах восстановление произойдет к 2049 году, а озоновая дыра в Антарктике исчезнет только к 2065 году: по новым данным, образование озона  в высоких широтах идет значительно  медленнее.

1. История изучения озона

История изучения атмосферного озона была историей взлетов  и падений интереса к этой малой, но, тем не менее, важной составляющей воздуха.

Первые наблюдения за озоном относятся к 1840 г., но бурное развитие проблема озона получила в 20-е годы прошлого столетия, когда  в Англии и Швейцарии появляются специальные наземные станции.

Международный геофизический  год 1957-1958 г. дал энергичный толчок развитию сети наблюдений озона. В СССР был  сконструирован упрощенный новый озонометр, позволивший организовать наблюдения во многих пунктах страны. С 1960 г. при  содействии Всемирной метеорологической  организации (ВМО) и Канадской метеорологической  службы началась регулярная публикация данных всей мировой озонометрической сети об общем содержании озона.

Дополнительный  путь для изучения связей переноса озона и стратификации атмосферы  открыли самолетные зондирования озона  атмосферы и выпуски озонных  зондов.

Новая эпоха отмечена появлением в США и в СССР искусственных  спутников Земли, наблюдающих атмосферный  озон и дающих обширный объем информации.

Развитие творческой мысли на основе накопленных наблюдений позволило сделать выводы об истощении  озонового слоя Земли, связанного с  возрастанием концентрации загрязняющих озоноразрушающих веществ (хлорфторуглеродов) в атмосфере. В 1976 г. Всемирная метеорологическая  организация выступила с проектом «Глобального исследования и мониторинга озона» и рекомендовала странам-членам ВМО вести регулярные наблюдения за озоном для определения трендов и оценки возможного влияния изменений ОСО на климат.

С этого времени  проблема озона вышла на межправительственный уровень. В 1985 г. представителями 44 государств была принята Венская «Конвенция об охране озонового слоя». Государства.участники  конференции обязались вести  систематические наблюдения за количеством  озона и изучать как процессы, приводящие к его изменению, так  и возможные биологические последствия  таких изменений.

В 1986 году был подписан Монреальский протокол по ограничению  производства и потребления озоноразрушающих веществ, разрушающим озоновый слой, участницей которого является и Россия. На сегодняшний день к Монреальскому  протоколу присоединились 189 стран. Протокол предусматривал, например, полное прекращение производства пяти основных хлорфторуглеродов (ХФУ) в 1996 всеми  промышленно развитыми странами (ПРС) и в 2010 г. развивающимися странами (РС). Установлены сроки прекращения  производства и других озоноразрушающих веществ. По модельным прогнозам (при  соблюдении Протокола) уровень хлора  в атмосфере снизится к 2050 г. до уровня 1980 г., что может привести к исчезновению антарктической «озоновой дыры».

2. Состояние озонового слоя. Общие  тенденции

Анализ данных общего содержания озона (ОСО) подтвердил тенденцию  уменьшения атмосферного озона, отмеченную в обзорах ВМО еще в 1995 г. С 1979 года по настоящее время годовое  содержание озона понизилось на 4-5% глобально и ~ на 7% в средних широтах  обоих полушарий.

В последние десятилетия  значительное уменьшение ОСО, ранее  наблюдавшиеся в основном над  Антарктидой, стало заметно проявляться  в районах Арктики и в прилегающих  к ним районах Северного полушария.

Исследовательские работы, проведенные Центральной  аэрологической обсерваторией (ЦАО) и  Главной геофизической обсерваторией (ГГО), установили, что если в период 1979-1993 г.г. происходило уменьшение среднегодового ОСО, то в дальнейшем ситуация стабилизировалась.

С увеличением объема наблюдений, позволяющих все более  подробно количественно описывать  эволюцию озонового слоя, появляются новые свидетельства того, что  происходящие изменения связаны  не только с антропогенными воздействиями, а и в значительной степени  с изменениями циркуляции атмосферы.

Мониторинг состояния  озонового слоя над Россией обеспечивается измерениями ОСО на 30 станциях Росгидромета, 16 российских станций расположены  в широтной зоне 60-85.с.ш., что весьма повышает ценность полученной на них  информации. В зоне ответственности  Северного УГМС работают 3 станции: Архангельск, Диксон, Печора. Наблюдения на них проводятся под методическим руководством ГГО с помощью фильтровых озонометров М-124 более 30 лет. В настоящее  время на одной станции проходит испытания установка, с помощью  которой появится возможность производить  прямые измерения УФ - радиации Солнца, проникающей к поверхности Земли.

УФ излучение  в умеренных дозах имеет профилактическое и терапевтическое значение, оказывая общее благотворное действие на организм человека. Наиболее сильное воздействие на человека и биосферу оказывает УФ-В излучение (длина волны от 280 до 315 нм). Передозировка естественного УФ-В излучения опасна для здоровья человека, вызывая у людей ожог кожного покрова, в некоторых случаях злокачественную меланому с большой наклонностью к метастазированию, а также катаракту и иммунодефицит.

3. Причины истощения озонового  слоя

В 1974 году в июньском номере журнала Nature была опубликована статья американских химиков Марио  Молины и Шерри Роуланда (J.M.Molina, F.S.Rowland), о возможном воздействии на озоновый слой антропогенных хлорфторуглеродов (ХФУ).

Молина и Роуланд  исходили из того, что:

1) фреоны химически  и физическинеобычайно устойчивы  и способны без потерь добраться  до стратосферы (т.е. до озона);

2) фреоны содержат  атомы хлора, которые на высотах  стратосферы могут быть освобождены  из молекулы ультрафиолетовым  солнечным излучением;

3) каждый атом  хлора в стратосфере способен  уничтожить до миллиона молекул  озона цепным путём;

4) атмосферное содержание  хлорных соединений в атмосфере  относительно невелико и при  росте производства фреонов антропогенный  вклад может превзойти природный  уровень.

После появления  гипотезы Молины и Роуланда интерес  к атмосферному озону необычайно усилился и были проведены разнообразные  и многочисленные исследования, полностью  подтвердившие справедливость этой идеи. Именно эти аргументы стали  основой международных соглашений по ограничению производства ХФУ. “Экспериментальное”  доказательство правоты Молины и  Роуланда было получено с помощью  данных мониторинга озона. Таких  данных очень много, но мы приведём самый длинный временной ряд  таких наблюдений, показанный на рис.1.

Рис. 1. Среднегодовые данные общего содержания озона в Ароза (Швейцария) с 1926 по 1993 год. Общее содержание озона по оси ординат выражено в единицах Добсона

Как это следует  из данных рис.1, средний за 10 лет  тренд озона с 1926 по 1973 год составил +0,1% в декаду, а в период с 1973 года по 1993 год тренд сменил знак и  вырос до -2,9% за декаду. Подчеркнём, что в эти последние 20 лет происходило  накопление хлорных компонент в  атмосфере за счёт выброса фреонов  и к середине 1990-х антропогенный  уровень превысил природный в  три раза (!).

Сравнивая эти данные с эффектами естественных факторов, можно заключить, что только антропогенный  источник хлорных соединений мог  обеспечить истощение озона в 6% за двадцать лет, о чём свидетельствуют  данные, приведенные на рис.1.

Ещё более убедительные доказательства роли антропогенных  факторов в истощении озонового  слоя были получены после открытия Антарктической весенней озоновой дыры в 1985 году. Подчеркнём, что к этому  времени антропогенная добавка  хлорных соединений в стратосфере  была в два раза больше природного уровня.

Было обнаружено, что весной содержание озона над  Антарктидой уменьшается более  чем на 30%, а далее было показано, что на высотах 15-20 км озон полностью  исчезает (см. рис.2).

Рис. 2. Высотный профиль озона Антарктической весной 1997 года

Ничего подобного  ранее (т.е. с середины 1950-х годов) в Антарктиде не наблюдалось. Появление  дыры стало возможным только при  накоплении достаточного количества хлорных  компонент за счёт антропогенных  источников, что подтверждается данными  наблюдений и механизмом явления, который  приводится на рис.3.

Рис. 3. Механизм разрушения озона в Антарктической весенней дыре

Механизм образования  Антарктической весенней озоновой дыры заключается в следующем. В течение  холодной антарктической зимы, когда  температура нижней стратосферы  опускается до -80 градусов Цельсия, холодный воздух начинает опускаться вниз, в  результате чего под действием сил  Корриолиса на высотах 15-20 км образуется полярный вихрь, изолирующий воздух внутри вихря от остального пространства. В этих условиях образуются стратосферные  полярные облака, частицы которых  включают молекулы воды, серной и азотной  кислоты. На поверхности этих частиц протекают реакции, следствием которых  является образование из малоактивных, достаточно устойчивых соединений хлора  малоустойчивых молекул Cl2 и HOCl.

Эти процессы идут в течение всей зимы, в результате чего к её концу в полярном вихре  весь запас хлора превращается в  эти слабосвязанные хлорные компоненты. С восходом солнца в начале весны (т.е. в начале сентября) эти молекулы легко разрушаются солнечным  светом, в результате чего образуются активные хлорныечастицы, начинающие разрушать озон цепным путём. В этот момент концентрация в вихре частиц СlO, ведущих цепь, в 100 раз больше, чем вне вихря. Поскольку вихрь  ещё существует и обмен с соседними, богатыми озоном областями стратосферы, отсутствует, содержание озона внутри вихря быстро уменьшается и на высотах 15-20 км озон полностью исчезает. Далее происходит разогрев воздуха, распад вихря и расползание остатков дыры по Южному полушарию.

Математическое  моделирование процессов гибели озона в дыре позволило согласовать  данные измерений с теорией и, в частности, тот факт, что образование  дыры оказалось возможным только при накоплении в атмосфере достаточного количества хлора, которое в последней  четверти XX столетия непрерывно увеличивалось  за счёт антропогенных источников. Изучение механизма гетерогенной гибели озона и данных мониторинга озона  в средних широтах позволило  также установить решающую роль этих процессов в истощении озонового  слоя и в среднеширотной стратосфере. Изучение влияния естественных факторов на озоновый слой показало, что оно  имеет либо циклический, либо эпизодический  характер, с наибольшей продолжительностью фазы одного знака, не превышающей 5-6 лет  по времени и 1% по величине вызываемого  изменения озона.