Загрязнение озонового слоя фторхлоруглеродами

 

Введение

     Атмосфера – наиболее ранимая часть биосферы, так как в ней химические превращения не «забуферены» непосредственным воздействием живого вещества, как в водоемах и верхних слоях литосферы – почвах. В то же время состояние атмосферы теснейшим образом связано с энергетикой, транспортом, промышленностью и химической работой живых организмов.

     Озон, находящийся на высоте около 25 км от земной поверхности, пребывает в состоянии динамического равновесия. Он представляет собой слой повышенной концентрации толщиной около 3 мм. Стратосферный озон поглощает жесткую ультрафиолетовую радиацию Солнца и этим защищает все живое на Земле. Озон также поглощает инфракрасное излучение Земли и является одним из обязательных условий сохранения жизни на нашей планете.

     XX век принес человечеству немало благ, связанных с бурным развитием научно-технического прогресса, и в то же время поставил жизнь на Земле на грань экологической катастрофы. Рост населения, интенсификация добычи и выбросов, загрязняющих Землю, приводят к коренным изменениям в природе и отражаются на самом существовании человека. Часть из таких изменений чрезвычайно сильна и настолько широко распространена, что возникают глобальные экологические проблемы.

     В результате многих внешних воздействий озоновый слой начинает истончаться по сравнению со своим естественным состоянием, а при некоторых условиях над определенными территориями и вовсе исчезать – появляются озоновые дыры, чреватые необратимыми последствиями. Сначала они наблюдались ближе к южному полюсу Земли, но недавно были замечены и над азиатской частью России. Ослабление озонового слоя усиливает поток солнечной радиации на землю и вызывает у людей рост числа раковых образований кожи и ряд других тяжёлых болезней. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.

     В 1970-е годы учёные предположили, что свободные атомы хлора катализируют процесс разделения озона. А люди ежегодно пополняют состав атмосферы свободным хлором и прочими вредными веществами. Причём относительно небольшое их количество может наносить значительный ущерб озоновому экрану, причём это влияние буде продолжаться неопределённо долго, так как атомы хлора, например, покидают стратосферу очень медленно.

      Большая часть хлора, используемая на земле, например, для очистки воды, представлена его растворимыми в воде соединениями ионами. Следовательно, ни вымываются из атмосферы осадками задолго до того, как попасть в стратосферу. Хлорфторуглероды (ХФУ) очень летучи и нерастворимы в воде. Следовательно, они не вымываются из атмосферы и, продолжая распространяться в ней, достигают стратосферы. Там они могут разлагаться, высвобождая атомарный хлор, который собственно и разрушает озон. Таким образом, ХФУ наносят ущерб, выступая в роли переносчиков атомов хлора в стратосферу.

     Хлорфторуглероды относительно инертны химически, негорючи и ядовиты. Более того, будучи газами при комнатной температуре, они ожигаются при небольшом давлении в выделением тепла, а испаряясь, вновь его поглощают и охлаждаются. Эти свойства позволили применять их в следующих целях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Озоновый  экран

     Живые организмы на Земле защищены от коротковолнового ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, которое губительно для всего живого, озоновым экраном (озоновым слоем).

     Озоновый экран — это воздушный слой в верхних слоях атмосферы (стратосфере), состоящий из особой формы кислорода — озона.

     Толщина озонового слоя в масштабе атмосферы — не больше листа бумаги в объеме домашней библиотеки.

    Озон имеет существенное эколого-биологическое значение и является важнейшим компонентом атмосферы, несмотря на то, что процентное содержание его невелико — менее 0,0001 %. Связано это с тем, что именно озон активно поглощает УФ-излучение.

     Озон — форма молекулярного кислорода (0₃). Основное его количество сосредоточено в стратосфере на высоте 15-25 км (верхняя граница — 45-50 км). Парадокс, но те же самые молекулы озона в тропосфере (нижний слой атмосферы) представляют собой опасные элементы, разрушающие живую ткань, включая легкие человека. Однако здесь озона весьма мало, и образуется он лишь во время грозовых разрядов.

     Начало образования озона в стратосфере связано с реакцией расщепления молекулярного кислорода коротковолновым (X < 242 нм) УФ-излучением Солнца.

     Далее происходит взаимодействие атомов кислорода с его же молекулами. В результате образуется молекула озона.

     Специалисты по исследованию атмосферы из Британской Антарктической службы в 1985 г. сообщили о неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось с 1977 по 1984 г. на 40 %! Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, также показавшие, 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. Фактически это означает, что в полярной атмосфере имеется озоновая «дыра». В начале 80-х гг. XX в. спутник «Нимбус-7» обнаружил аналогичную дыру в Арктике, правда, она охватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не так велико — около 9 %. В среднем с 1979 по 1990 г. содержание озона снизилось на 5 %.

     Так что же представляет собой слой озона в атмосфере? Теоретически, если весь озон «сжать» до плотности воды и разместить на поверхности Земли, то он образовал бы пленку всего 2-4 мм толщиной, причем минимум пришелся бы на экватор, а максимум оказался бы у полюсов. Высотное же распределение озона таково, что максимум концентрации отмечается на высоте 25 км. Но она повышается также и на высоте 70 км. Большая часть озона находится в стратосфере, и этот слой в Арктике обычно расположен низко, тогда как в тропической зоне — высоко. Что касается тропосферы, то здесь озона меньше, к тому же он в большей мере подвержен как сезонным, так и другим изменениям, в частности вызванным загрязнениями.

     Утончение слоя озона может привести к серьезным последствиям для человечества. Уменьшение концентрации озона на 1 % вызывает увеличение интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности Земли в среднем на 2 %. По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако из-за большей, чем у у-излучения, длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул.

Жесткие ультрафиолетовые лучи способны вызвать у человека рак кожи, в  частности быстротекущую злокачественную меланому, а также катаракту и иммунную недостаточность, не говоря уже об обычных ожогах кожи и роговицы. Они наносят вред животным и растениям, в частности морским экосистемам, поскольку плохо поглощаются водой.

     Впервые мысль об опасности разрушения озонового слоя была высказана в конце 1960-х гг. Большую тревогу со стороны экологов вызвало негативное влияние водяного пара и оксидов азота (NO_x), которые выбрасываются реактивными двигателями сверхзвуковых самолетов и ракет на высоте 20-25 км. Именно на этой высоте находится защитный слой озона, задерживающий жесткое ультрафиолетовое излучение космоса. Такие опасения основаны на свойстве оксида азота разрушать озон.

     Человек воздействует на озоновый слой различными способами – проявлениями его хозяйственной деятельности: проведением ядерных взрывов, полетами высотных самолетов и космических аппаратов, производством и функционированием холодильных агрегатов и бытовых аэрозолей. Наиболее опасными загрязнителями атмосферы являются промышленные выбросы (ежегодно в атмосферу выбрасывается более 300 млн. т окиси и двуокиси серы, 50 млн. т окиси азота, 300 тыс. т свинца); к ним присоединяются продукты сгорания топлива на транспорте: каждый автомобиль выбрасывает за год 1 кг свинца, воздушный лайнер за 7 часов полета сжигает 35 т кислорода, необходимого для образования озона.

     В результате этих причин озоновый слой начинает истончаться по сравнению со своим естественным состоянием, а при некоторых условиях над определенными территориями и вовсе исчезать – появляются озоновые дыры, чреватые необратимыми последствиями. Сначала они наблюдались ближе к южному полюсу Земли, но недавно были замечены и над азиатской частью России.

     К разрушению озонового слоя приводят и такие химические вещества, как фреоны, использующиеся в холодильной промышленности и в аэрозолях. Окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах и в камерах сгорания реактивных самолётов и ракет. Причём последнее особенно вредно, так как на больших высотах окислы азота живут очень долго. Применение большого количества минеральных удобрений тоже вредит озоновому слою. Дымовые газы электростанций вырабатывают миллионы тонн закиси азота в год.

     Таким образом, большая часть воздействия на озоновый слой планеты связана с хозяйственной деятельностью человечества. Поэтому быстрого изменения ситуации ждать не стоит. Ведь человечество не может взять и отказаться от использования минеральных удобрений или быстро перейти на новые технологии производства холодильных установок.

     О нарушении озонового слоя свидетельствовали озоновые дыры появлявшиеся весной над Антарктикой. Там благодаря особой циркуляции воздуха в атмосфере в зимние и весенние месяцы, присутствующие в стратосфере химические вещества, такие как хлор, фтор, азот, метан и др., преобразуются в активные, которые быстро разрушают озон. Измерения показали, что в такие периоды концентрация окиси хлора в 100-500 раз больше чем в средних широтах. То есть вредные вещества, которые попадают в атмосферу переносятся движением воздуха на все широты, но только в Антарктике в конце зимы и весной, благодаря особым природным условиям они эффективно разрушают стратосферный озон. Но это не значит что проблема озоновой дыры в Антарктике региональная, а не глобальная.

     Весь озон на планете находится как бы в сообщающихся сосудах, в одних районах он образуется регулярно, а в других плохо, где-то он живёт годы, а где-то секунды. Соответственно если он исчезнет без компенсации в одном месте, то общий объём озона в мире уменьшится. Но в нашем техногенном мире, перекись азота, поступающая в приземной воздух больших городов в составе автомобильных выхлопных газов реагирует при ультрафиолетовом облучении с ненасыщенным углеводородом, тем самым, формируя в больших городах озоновый смог. В приземном слое воздуха озон не только образуется, но и разлагается. Разложение происходит за счёт растений, животных и промышленных выбросов.

     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. Закись азота обнаруживается также и в дымовых газах электростанций. Это очень сильный источник влияния на атмосферу.

     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

     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;

- воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон;

- соединения хлора в атмосфере разрушают озон.

     Ученые пришли к заключению, что соединения хлора, называемые хлорфторуглеродами (ХФУ), которые широко использовались в промышленности и в быту, несут ответственность за разрушение озонового слоя земли. Некоторые виды хлорфторуглеродов использовались в качестве охладителей в холодильных установках и кондиционерах. Другие ХФУ применялись для производства поролонов и пенопластов – материалов, широко используемых во многих потребительских товарах, начиная от одноразовой пенопластовой посуды и заканчивая изоляционными материалами. Хлорфторуглероды нашли широкое применение в баллонах для распыления аэрозолей и в качестве веществ для промывания электрооборудования.

 

 

2. Факторы  разрушения озонового слоя

     Нарастание концентрации хлорфторуглеродов (фреонов), диоксидов азота, метана и других углеводородов, поступающих в дополнение к естественным составляющим атмосферы из техногенных источников, при сжигании углеводородного сырья на транспорте способно уменьшить концентрацию озона.

     Главную опасность для атмосферного озона составляет группа химических веществ, объединенных термином «хлорфторуглероды» (ХФУ), называемых также фреонами, которые впервые были получены в 1928 г. В течение полувека эти вещества считались чудо-веществами. Они нетоксичны, инертны, чрезвычайно стабильны, не горят, не растворяются в воде, удобны в производстве и хранении. И поэтому сфера применения ХФУ динамично расширялась. В массовых масштабах их начали использовать в качестве хладагентов при изготовлении холодильников. Затем они стали применяться в системах кондиционирования воздуха, а с началом всемирного аэрозольного бума получили самое широкое распространение. Фреоны оказались очень эффективны при промывке деталей в электронной промышленности, а также нашли широкое применение в производстве пенополиуретанов. Пик их мирового производства пришелся на конец 80-х гг. и составил около 1,2–1,4 млн. т в год, из которых на долю США приходилось около 35 %.

     Предполагают, что попадая в верхние слои атмосферы, эти инертные у поверхности Земли вещества становятся активными. Под воздействием ультрафиолетового излучения химические связи в их молекулах нарушаются. В результате выделяется хлор, который при столкновении с молекулой озона превращает его в кислород. Хлор же, соединившись временно с кислородом, опять оказывается свободным и способным к новым химическим реакциям. Его активности и агрессивности хватает на то, чтобы разрушить десятки тысяч молекул озона.