Озоновый слой земли

Введение.

В отличие от других атмосферных  составляющих озон появился в атмосфере  исключительно химическим путём  и является самой молодой атмосферной  компонентой. С экологической точки зрения наиболее ценным свойством озона является его способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца, в то же время как химическое соединение озон является сильнейшим окислителем (попросту ядом), способным при непосредственном контакте отравить ту самую флору и фауну, которую он защищает в качестве стратосферного озонового слоя. Помимо этого озон является эффективным парниковым газом. И, наконец, Озон   оказывает заметное влияние На малые активные составляющие атмосферы, а через них - и на стабильные компоненты, которые, как и сам озон, поглощают и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Тем самым озон оказывает не только прямое, но и косвенное влияние на парниковый эффект и уровень ультрафиолетового (УФ) излучения на поверхности Земли. 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. Гипотезы о возможном разрушении стратосферного озона под действием выброса в атмосферу выхлопных газов от двигателей сверх звуковых самолетов, фреонов, использования удобрений, извержений вулканов и т. д. Неоднократно описывались в литературе. 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

3

озонового слоя. Возможно, что  антарктический озон является предвестником  глобальных изменений в озоносфере.

I.Озоновый слой.

В 20 - 50 километрах над поверхностью Земли в атмосфере находится  слой озона. Озон — это особая форма кислорода. Большинство молекул кислорода воздуха состоит из двух атомов. Молекула же озона состоит из трех атомов кислорода. Озон образуется под действием солнечного света. При столкновении фотонов ультрафиолетового света с молекулами кислорода от них отщепляется атом кислорода, который, присоединившись к другой молекуле 02, образует Оз (озон). Озоновый слой атмосферы очень тонок. Если всем имеющимся в наличии озоном атмосферы равномерно покрыть участок площадью в 45 квадратных километров, то получится слой толщиной в 0,3 сантиметра. Немного озона проникает с потоками воздуха в нижние слои атмосферы. Когда лучи света реагируют с веществами, содержащимися в выхлопных газах и промышленных дымах, тоже образуется озон.

Ученые подсчитали, что увеличение площади озоновой дыры на 1 процент  вызывает увеличение заболеваемости раком  кожи на 3 - 6 процентов.

Жарким туманным днем в загазованной местности уровень озона может  достигнуть угрожающих величин. Дыхание озоном очень опасно, так как этот газ (трехатомный кислород) разрушает легкие. Пешеходы, вдыхающие большое количество озона, начинают задыхаться и ощущать боль в груди. Деревья и кусты, обрамляющие загазованные магистрали, при высоких концентрациях озона в воздухе перестают нормально расти. Но если озон находится там, где ему положено быть — на большой высоте, то он очень даже полезен для здоровья. Озон поглощает ультрафиолетовые лучи. Это те самые лучи, от которых кожа становится загорелой. Но если на кожу падает избыток ультрафиолетового излучения, то можно получить солнечный ожог или заболеть раком кожи.

Об озоновом слое атмосферы ученые узнали в 70  годы. Было сделано открытие, что производные хлор фтор углерода (фреоны) — соединения, применяющиеся в холодильниках, кондиционерах и аэрозольных баллонах — уничтожают озон. Фреоны выделяются в атмосферу при каждом использовании баллончика с

4

 

дезодорантом или лаком для  волос. Поднимаясь в верхние слои атмосферы,

молекулы фреонов взаимодействуют  с молекулами озона. Под действием  солнечной радиации фреоны выделяют хлор, который расщепляет озон с  образованием обычного кислорода. В месте такого взаимодействия озоновый слой исчезает.

В 1978 году, основываясь на данных о  действии фреонов на озоновый слой атмосферы, правительство Соединенных  Штатов Америки (США) запретило производство и продажу аэрозолей, содержащих фреоны. Правда, производители аэрозолей, а вместе с ними и многие ученые, считают неубедительной теорию разрушения озонового слоя. В 1985 году английские ученые сделали поразительное открытие. Они обнаружили над Антарктидой огромную «дыру» в озоновом слое. Это отверстие площадью с США появляется ежегодно весной. Когда меняется направление господствующих ветров, озоновая дыра заполняется молекулами озона из рядом расположенных участков атмосферы, при этом количество озона в соседних участках снижается. Например, зимой 1992 года слой озона над Европой и Канадой стал на 20 процентов тоньше.

Как выяснили ученые, в небе над  Антарктидой очень высока концентрация ангидрида хлорной кислоты —  соединения, образующегося в момент разрушения молекулы озона хлором. Открытие англичан подтверждает, что распространенное использование фреонов действительно создает проблему озоновых дыр. Ученые подсчитали, что уменьшение содержания озона в верхних слоях атмосферы на 1 процент вызывает увеличение заболеваемости раком кожи на 3- 6 процентов, так как на 2 процента увеличивается проницаемость атмосферы для ультрафиолетовых лучей. Ультрафиолетовые лучи, кроме того, оказывают повреждающее действие на иммунную систему организма, делая нас более восприимчивыми к инфекционным заболеваниям, например малярии. Ультрафиолетовые лучи разрушают и клетки растений — от деревьев до злаков.

Каждой весной над Антарктидой  в озоновом слое появляется «дыра» площадью с Соединенные Штаты Америки.

Еще более тревожит то, что истощение  озонового слоя может непредсказуемо изменить климат Земли. Озоновый слой задерживает тепло, рассеивающееся с поверхности Земли. По мере уменьшения количества озона в атмосфере температура воздуха снижается, изменяется направление господствующих ветров

5

 

и меняется погода. Результатом могут  стать засухи, неурожаи, нехватка

продовольствия и голод. Некоторые ученые подсчитали, что даже если будут приняты меры и прекратится всякая деятельность, разрушающая озоновый слой, то на восстановление его в полном объеме уйдет 100 лет. Озоновый слой играет в жизни нашей планеты исключительную роль. Достаточно сказать, что жизнь в наземных формах смогла появиться на Земле только после того, как в атмосфере накопилось количество кислорода, достаточное для образования озонового экрана, защитившего поверхность Земли от губительного ультрафиолета. Произошло это в конце силурийского периода, когда количество кислорода в атмосфере составляло примерно 10% от современного. Дело в том, что большая энергия позволяет ультрафиолету разрывать химические связи в нуклеиновых кислотах, нарушать тем самым генетический код и провоцировать мутации. Роль озонового слоя в жизни планеты определяется тем, что озон основной постоянный газовый компонент атмосферы, способный поглощать ультрафиолетовое излучение.  Образно говоря, озоновый слой играет роль не экрана, а одеяла, которое укутывает Землю и, с одной стороны, закрывает доступ на ее поверхность ультрафиолетовому и инфракрасному излучению Солнца, а с другой - удерживает земное тепло от ухода в космическое пространство. Если толщина озонового "одеяла" будет изменяться, а тем более в нем появятся дыры, это неизбежно приведет к аномальным изменениям энергетических потоков. Сказанное и определяет климатическую роль озонового слоя.

 

II. Озоновые дыры.

Озоновая дыра — это локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. 

Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 году в Южном полушарии над  Антарктидой группой британских ученых во главе с Джорджем Фарманом. Она появлялась каждый год в августе и прекращала свое существование в декабре—январе. В 2008 году размер озоновой дыры над Антарктикой достиг рекордных размеров в 27 млн. км². В 1992 году было обнаружено, что над Северным полушарием в Арктике также образовывалась озоновая дыра, но меньших размеров. 

Процесс образования озоновой дыры

 

6

Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при

атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды, которые появляются как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений.

Антропогенные загрязнения

NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самолетов приводит к разрушению озонового слоя. Источником NО в стратосфере служит также газ N₂О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого ультрафиолетового излучения.

Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в  атмосферу больших масс различных  химических соединений. Большинство  антропогенных источников сконцентрировано в городах, занимающих лишь небольшую  часть территории нашей планеты. В результате движения воздушных  масс с подветренной стороны больших  городов образуется многокилометровый  шлейф загрязнений. Общая загрязненность воздуха возрастает, источником которого является автомобильный транспорт. 

Вторым по мощности источником антропогенных  органических загрязнителей служит промышленное производство. В выбросах предприятий химической и нефтехимической  промышленности присутствует широкий  ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья, промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза. Так, в газовых выбросах заводов синтетических  моющих средств содержатся алканы, а также карбонильные соединения, эфиры, карбоновые кислоты. Заводы синтетического каучука загрязняют воздух исходными мономерами и растворителями. Предприятия лесохимической промышленности выделяют альдегиды, кетоны, спирты и карбоновые кислоты, множество терпенов (терпены-углеводороды, продукты жизнедеятельности растений, молекулы которых построены из изопреновых звеньев). Целлюлозно-бумажные комбинаты выбрасывают большие газообразных веществ (одорантов), таких, как метил- и диметилсульфиды, диметилдисульфиды, а также формальдегид, спирты и фенолы.

Заметным источником органических загрязнителей атмосферы становится

 

7

коммунальное хозяйство городов (жилые и общественные здания, предприятия 

тепло- и водоснабжения, химчистки, свалки). Хотя вклад этого источника  в суммарную антропогенную эмиссию  невелика, отсюда поступают основные количества опасных долгоживущих загрязнителей (например, диоксидов), поэтому они участвуют в формировании глобального фона некоторых органических экотоксикантов.

Озоновая дыра представляет опасность  для живых организмов, поскольку  озоновый слой защищает поверхность  Земли от чрезмерных доз ультрафиолетового  излучения Солнца. Ослабление озонового  слоя усиливает поток солнечной  радиации на землю и вызывает у  людей рост числа раковых образований  кожи. Также от повышенного уровня излучения страдают растения и животные.  

 

III. Естественные процессы разрушения озонового слоя.

 
Процессы дегазации мантии Земли  сопровождаются выделением широкого спектра  органических соединений. Так, в пробах газов вулканов острова Кунашир  и Камчатки идентифицировано около 100 органических соединений с длиной цепи до 12 углеродных атомов. Источников богатых углеводородами газов являются грязевые вулканы, чаще всего встречающиеся  в нефтеносных областях. 

Земная кора содержит различные  газы в свободном состоянии, сорбированные  разными породами и растворённые в воде. Часть этих газов по глубинным  разломам и трещинам достигают поверхности  Земли и диффундирует в атмосферу. О существовании углеводородного дыхания земной коры говорит повышенное, по сравнению с глобальным фоном, содержание метана в приземном слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами.  

Проведенные исследования показали, что в газах вулканов Никарагуа  содержится заметное количество фторуглеводорода. Анализ проб воздуха, отобранных из кратера вулкана Масайя, также показали наличие в них фреонов наряду с другими органическими соединениями. Присутствуют галогенуглеводороды и в газах гидротермальных источниках. Эти данные потребовали доказательств того, что обнаруженные фторуглеводороды не имеют антропогенного происхождения.

 

8

Исследуя это явление совместно  с австралийскими коллегами, одна из его первооткрывателей С.Соломон установила, что химические реакции, разрушающие озон, происходят на поверхности ледяных кристаллов и любых иных частиц, попавших в высокие стратосферные слои над полярными районами. 

Так, до сих пор способствуют образованию  озонных дыр твердые частицы, попавшие в стратосферу еще в 1991 году при извержении вулкана Пинатубо на Филиппинских островах. Эти частицы вулканического происхождения придают хлору, поступающему в атмосферу с аэрозолями хлорфторуглеводородов, большую эффективность в процессах разрушения ими озоносферы.  

Химические реакции с участием сульфатных частиц, извергнутых вулканом, значительно ускоряют истощение  озона над Южным полушарием Земли: согласно наблюдениям, реакции ускорялись почти на 3%, и только теперь данный эффект начал исчезать.

Самые существенные этапы разрушения озонового слоя: 
1)Эмиссии: в результате деятельности человека, а также в результате природных процессов на Земле эмитируются (высвобождаются) газы, содержащие галогены (бром и хлор), т.е.вещества, разрушающие озоновый слой.  
2)Аккумулирование (эмитированные газы, содержащие галогены, аккумулируются (накапливаются) в нижних атмосферных слоях, и под воздействием ветра, а также потоков воздуха перемещаются в регионы, которые не находятся в прямой близости с источниками такой эмиссии газов) 
3)Перемещение (аккумулированные газы, содержащие галогены, с помощью потоков воздуха перемещаются в стратосферу).  
4)Преобразование (бóльшая часть газов, содержащих галогены, под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере преобразуется в легко реагирующие галогенные газы, в результате чего в полярных регионах Земного шара разрушение озонового слоя происходит сравнительно активнее).  
5)Химические реакции (легко реагирующие галогенные газы вызывают разрушение озона стратосферы; фактор, способствующий реакциям – полярные стратосферные облака).  
6)Удаление (под воздействием воздушных потоков легко реагирующие галогенные газы возвращаются в тропосферу, где из-за присутствующей в облаках влажности и дождей разделяются, и таким образом из атмосферы