Вплив транспорту на навколишнє середовище

Фізичні та хімічні процеси, під впливом яких утворюється  озон в атмосфері, мають складну  природу. Озон – модифікація кисню ( ), синій газ із різким запахом, сильний окисник, добре розчинний у воді, вибухонебезпечний і токсичний. У природі в стратосфері утворюється з кисню ( ) під час грозових розрядів та під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця. Озон в стратосфері утворюється, коли сонячне ультрафіолетове випромінювання бомбардує молекули кисню. Він є продуктом дії ультрафіолетових променів на молекули кисню (). Ще досить багато кисню в стратосфері, тому під дією сильного ультрафіолетового випромінювання Сонця кисень розбивається на окремі атоми (фотодисоціація):

→О+О

Однак активність атомарного кисню настільки велика, що він  відразу утворює озон чи триатомний кисень (хімічна реакція):

→

У стратосфері переважає  рівновага між процесами синтезу  та розпаду озону.

Поглинаючи у великій  кількості ультрафіолет, озон нагрівається, тому в цьому шарі атмосфери температура  підвищується. Так, якщо на нижній межі стратосфери над екватором весь рік вона дорівнює - 74° С, то на верхній межі температура дорівнює + 10° С. у зв’язку з цим холодне тропосферне повітря не піднімається в більш теплі шари стратосфери і не виносить туди вологу. [1]

Енергія ультрафіолетового  випромінювання витрачається на фотохімічну  реакцію утворення озону з  кисню, і тому до поверхні Землі воно не доходить; туди проникає лише істотно  ослаблений потік «м’якого» ультрафіолетового випромінювання. Від його негативної дії наш організм уміє захищатися, синтезуючи в шкірі шар темного пігменту – меланіну ( засмага ). [1]

 

3.2 Озонова «діра»

 

В атмосфері відбуваються одночасно процеси як утворення, так і руйнування озону. Під впливом  поглинання ультрафіолетової радіації відбувається розпад молекули кисню  на два атоми, які володіють великим  запасом енергії в порівнянні з нормальним станом. З цієї причини  молекула озону може утворитися лише при потрійному зіткненні молекули кисню (), збудженого атома кисню ( О´ ) та молекули азоту ( ) або будь-якого іншого газу ( М ), який поглинає надлишок енергії, що виділяється при утворенні молекули озону. Руйнується озон також внаслідок впливу на нього кванта сонячної енергії. При цьому швидкість руйнування озону істотно залежить від температури – чим вища температура, тим швидкість руйнування більша. Отже, рівноважна концентрація озону, тобто густина шару озону, що встановилася, виявляється при інших однакових умовах залежною від температури: чим нижче температура, тим вище рівноважна концентрація озону, і навпаки. З цієї причини у високих широтах восени та взимку через відсутність притоку сонячної радіації вміст озону малий, але повністю озон у полярних зонах не зникає, тому що має місце обмін повітрям між низькими та високими широтами. Навесні, коли тільки починає надходити в полярну область сонячна радіація, кількість озону при дуже низьких температурах, які затримують процес його розпаду, швидко зростає, але потім з підвищенням температури вміст озону починає зменшуватись. [8]

Великою несподіванкою на початку 80 – х років виявилось різке зменшення над Антарктидою густини озонового шару, у результаті чого в цьому регіоні сформувалась «озонова діра». Її площа в 1984 – 1985 р.р. становила кілька мільйонів квадратних кілометрів. В 2008 році розмір озонової «діри» над Антарктидою склав 27 млн квадратних кілометрів. Озонова «діра» - це локальна ділянка озоносфери, де концентрація озону ( густина озонового шару) істотно (до 40-50%) менша за звичайну. Так, у 1985 р. британські науковці під керівництвом Джорджа Фармана повідомили результати спостереження за атмосферою, згідно з якими за попередні вісім років весняний вміст озону над Північним і Південним полюсами зменшився на 40%.[8]

Існують різні причини  цього феномену:

1. Руйнування озонового шару оксидами нітрогену, що надходить із двигунів надзвукових транспортних літаків і ракет (оксид нітрогену антропогенного походження утворюється із нітрогену і кисню повітря при температурі більш 10000°С в присутності каталізатора, в якості яких виступають при згоранні палива ( чим вища температура процесу горіння, тим більше утворюється оксиду нітрогену N.)).
2. Особливості циркуляції атмосфери – повітряні потоки з нижніх шарів атмосфери під час руху вгору розштовхують озон.
3. Руйнування озону в атмосфері сполуками хлорфторвуглеводнями.
4. Природна причина – надходження в стратосферу атомарного хлору – хлор метану СІ – продукт життєдіяльності організмів в океані і лісних пожарів на суші; полярна зама ( відсутність сонячного випромінювання ); стійкий полярний вихор; утворення полярних стратосферних хмар, частинки яких каналізують реакції розпаду озону; під час великих вулканічних вивержень в атмосферу викидаються дуже багато хлору, який досягає стратосфери. Основною причиною змін в озоновому шарі є велика кількість пилу, який потрапляє під час виверження.

Установлено, що руйнування озонового шару сприяють також деякі  хімічні речовини ( зокрема оксиди азоту ): потрапляючи в стратосферу з висхідними повітряними течіями, вони вступають у реакцію з озоном і розкладають його на кисень.

На процес руйнування озону  впливає  виділення в атмосферу  закису азоту в результаті денітрифікації зв'язаного азоту ґрунтовими бактеріями. Надмірне і неконтрольоване внесення мінеральних добрив збільшує кількість  закису азоту. Частина закису азоту  під впливом бактерій розпадається до молекулярного азоту, а інша частина  в атмосфері перетворюється на окисли азоту, які й руйнують озон.

•(закис азоту) O + O → NO + NO

Вона може протікати тільки вдень, тільки за наявності Сонця. Потім NO вступає в реакцію з озоном, водночас руйнуючи його, що приводить  до утворення іншого оксиду азоту, N:

• + NO → N +

Ця реакція може протікати  і вночі, тому концентрація двоокису азоту росте в темний час доби, оскільки вдень вона перетворюється назад по реакціях:

• N + О → NO + О2

• N + hн → NO + О

Третій оксид азоту, вже  з трьома атомами кисню в молекулі, який знову таки реагує з озоном:

• N + → N + О2

Він перетворюється назад  в NO і N через фотоліз:

• N + hн → N + O

• N + hн → NO +

Тому знову таки його вночі  більше, ніж вдень. Таким чином, оксиди азоту реагуючи з озоном збільшують число атомів кисню в своїх  молекулах, а потім втрачають  їх в реакціях з атомарним киснем або при фотолізі. Сумарно це приводить  до загибелі озону. Процес цей ланцюговий і циклічний, оксиди азоту в ньому  можуть розглядатися як каталізатори.

 Проте вміст оксиду  азоту в повітрі невеликий,  вони нестійкі й суттєво не  впливають на кількість озону  в стратосфері. [5]

Процес руйнування озону  в атмосфері ініціюється різного  роду речовинами. Як вперше показали вчені  у 1974 році з Каліфорнійського університету в Ірвіне США М. Моліна та Ш Роуленд - це хлор- та фтор-,бромпохідіні, які широко використовує сучасна промисловість вже більше 60 років, так звані фреони - СРС1₃, СР₂С1Вг метил хлороформ С, чотирьох хлористий вуглець тощо – як холодоагенти в рефрижераторах і побутових холодильниках, кондиціонерах, як пропеленти для аерозольних сумішей в балончиках із фарбою, лаком, парфумами, для очищення напівпровідникових схем, для виробництва пінопластики, піноутворюючі агенти у вогнегасниках і т. п. ( 95% фреонів, як правило, попадає в повітряне середовище. З причини малої реакційної здатності вони практично не витрачаються в нижніх шарах атмосфери і мають термін життя в декілька років або навіть десятиріччя. Тому вони легко досягають верхніх шарів атмосфери). [6]

 Руйнування озонового шару відбувається так (рис. 1):

• активне функціонування хімічної промисловості, яка випускає речовини, що містять хлор і бром, спричинює нагромадження в атмосфері озоно-руйнівних газів (ОРГ);
• ОРГ піднімаються на висоту 20—50 км над поверхнею Землі, де розташований озоновий шар (особливо сприятливі умови для цього в приполярних районах);
• сонячні промені діють на техногенні гази, з яких виділяється хлор, бром (хлорбромвуглеводні дуже стійкі й неактивні, проте, коли вони піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони руйнуються під інтенсивним впливом ультрафіолетового проміння.);
• хлор руйнує озон, відбираючи один із трьох атомів кисню й перетворюючи його на 0₂; при цьому кожний атом хлору здатен відокремити атом кисню майже 100 тис. разів.( Один атом хлору здатен розкласти 100 тис. молекул озону),перш ніж він буде дезактивований або повернеться в нижні шари атмосфери.

Сl+O3=ClO+O2

ClO+O=O2+Cl

 

Рисунок .1 Руйнування озонового шару атмосфери

Зруйновані компоненти володіють  високою реакційною здатністю. При руйнуванні озону хлор діє подібно до каталізатора: в ході хімічного процесу кількість хлорфторвуглеводнів не зменшується. [1]

Щорічно в світі випускається кілька мільйонів тонн фреонів. Світове  виробництво фреонів на початок 90 – х років перевищило 1 млн. 360 тисяч тонн у рік ( 71% фреонів виробляють США та розвинуті країни Західної Європи ).

 Для людини пари  фреонів не шкідливі. Та вони  надзвичайно стійкі й можуть  зберігатися в атмосфері до 80 років. Вважається, що час життя  в атмосфері для двох розповсюджених хлорфторвуглеводнів – фреон – 11 і фреон – 12 становить 75 і 100 років відповідно.

 У руйнуванні озону  стратосфери певний внесок має  космічна та ракетна техніка  завдяки викидам продуктів згоряння  їхнього палива. Найбільш шкідливі  ракети, що працюють на твердому  паливі. За ступенем шкідливості  різні типи ракет розподіляються  таким чином. На першому місці  стоять американські ракети, на  другому місці французькі, на  третьому радянські. Під час кожного запуску ракети в Космос в озоновому шарі «пропалюється» величезна «діра», яка «затягується» лише за кілька годин. Забруднюють високі шари окислами азоту і сучасні надзвукові літаки, ядерні викиди. Підраховано, що в результаті 100 запусків поспіль космічного корабля « Спейс Шаттл» майже вщент зруйнувався б захисний озоновий шар Землі. Розклад мінеральних добрив, які супроводжуються виділенням азоту і його окислів, сприяють цьому негативному процесу. [3]

Тепловий удар при під  час вибуху викликає реакцію між  атмосферним азотом і озоном з  утворенням оксиду азоту.

Для виявлення озонових аномалій аналізується відхилення значень загального вмісту озону в одиницях стандартного відхилення. Якщо відхилення становлять від -2,0 до -2,5, то це свідчить про критичну ситуацію, а коли перевищує значення -2,5, то констатується озонова аномалія («діра»).

 

3. Наслідки від руйнування озонового шару

 

Дослідження озонового шару у верхніх шарах атмосфери  почалися з 1930 року. Згодом вони були розширені, і для ведення спостереження  була створена спеціальна мережа станцій ( «мережа Добсона»). Виміри кількості  стратосферного озону в період з 1980 до 1991 року з канадського супутника  «Німбус 7» показали, що швидкість руйнування озону складає 0,224% на рік. За оцінками НАСА (США), в період 3 1978 до 1990 року кількість озону в озоновому екрані скоротилася на 45%.

Зменшення товщі озонового  екрану та розриви в ньому ведуть до зростання ультрафіолетового  випромінювання, що досягає поверхні Землі. Відповідно до супутникових даних  за останні 10 років ультрафіолетове  випромінювання зросло на 10%,а в Антарктиді, де стійко зберігається «озонова діра», на 40%,

Головна функція озону  полягає в захисті людини та всієї  біосфери Землі від жорсткого  ультрафіолетового випромінювання з довжинами хвиль від 250 до 320 нм. Це якраз те випромінювання (нижче 280 нм), яке здатне ефективно поглинатися нуклеїновими кислотами. Якщо б це випромінювання не затримувалося озоновим екраном і досягало поверхні Землі, то основа життя - нуклеїнові кислоти - під його впливом руйнувалася. Саме цим озоновий шар захищає білки, які поглинають приблизно те саме випромінювання, включаючи трохи більші довжини хвиль, що й озон. [3]

За даними «Грінпіс», зменшення  товщі озонового шару на кожні 10% веде до збільшення числа випадків захворювання раком шкіри на 300 тисяч чоловік. Ультрафіолетове випромінювання руйнує морські водорості, які виробляють приблизно 50% кисню для дихання гетеротрофів Землі. (Жорсткий ультрафіолет погано поглинається водою і тому небезпечний для морських екосистем. Дослідження показали, що планктон, який живе в приповерхневому шарі, при збільшенні інтенсивності жорсткого ультрафіолету може серйозно постраждати чи навіть загинути повністю. Планктон знаходиться в основі харчових ланцюгів практично всіх морських екосистем.) [3]

За своїм впливом на живі організми жорсткий ультрафіолет наближується до іонізуючого випромінювання, проте через більшу, ніж у випромінювання, довжину хвилі він не здатний  проникати глибоко в тканини, саме чому й уражує лише поверхневі органи. Жорсткий ультрафіолет може викликати  рак шкіри, особливо злоякісну меланому, катаракту та імунодефіцит, збільшити частоту інфекційного захворювання. Жорсткий ультрафіолет викликає звичайні опіки шкіри (зниження концентрації озону в повітрі на 2-5% викликає рак основних клітин шкіри, на 5-10%- рак клітин чешуйчатого прошарку) та роговиці ока. Вже зараз у світі помітне збільшення кількості захворювань на рак шкіри (якщо озоновий шар зменшиться на 10%, то це спричинить розвиток раку шкіри у 300 тис. чоловік, катаракти – у 1 млн 750 тис.чоловік). [1]

У 70-ті роки американські військові розсіяли в стратосфері над одним із безлюдних атолів у Тихому океані спеціальні хімічні речовини, внаслідок чого в озоновому шарі над цим острівцем утворилася «діра», яка затягнулася тільки через багато годин. У результаті на атолі загинула майже вся наземна біота: пальми та інші рослини, тварини, мікроорганізми; з хребетних тварин  залишилося кілька великих черепах (їх урятував товстий кістяний панцир), але вони осліпли — сітківка їхніх очей була спалена ультрафіолетом. [3]