Озоновые дыры и их предотвращение. Озоновые дыры: причины возникновения и последствия
Прежде всего следует уяснить: озоновая дыра, вопреки своему названию, — это не брешь в атмосфере. Молекула озона отличается от обычной молекулы кислорода тем, что состоит не из двух, а из трех атомов кислорода, соединенных друг с другом. В атмосфере озон сконцентрирован в так называемом озоновом слое , на высоте примерно 30 км в пределах стратосферы. В этом слое происходит поглощение ультрафиолетовых лучей, испускаемых Солнцем, — иначе солнечная радиация могла бы нанести большой вред жизни на поверхности Земли. Поэтому любая угроза озоновому слою заслуживает самого серьезного отношения. В 1985 году британские ученые, работавшие на Южном полюсе, обнаружили, что во время антарктической весны уровень озона в атмосфере там значительно ниже нормы. Ежегодно в одно и то же время количество озона уменьшалось — иногда в большей степени, иногда в меньшей. Подобные, но не столь ярко выраженные озоновые дыры появлялись также над Северным полюсом — во время арктической весны.
В последующие годы ученые выяснили, отчего появляется озоновая дыра. Когда солнце прячется и начинается долгая полярная ночь, происходит резкое падение температуры, и образуются высокие стратосферные облака, содержащие кристаллики льда. Появление этих кристалликов вызывает серию сложных химических реакций, приводящих к накоплению молекулярного хлора (молекула хлора состоит из двух соединенных атомов хлора). Когда появляется солнце и начинается антарктическая весна, под действием ультрафиолетовых лучей происходит разрыв внутримолекулярных связей, и в атмосферу устремляется поток атомов хлора. Эти атомы выступают в роли катализаторов реакций превращения озона в простой кислород, протекающих по следующей двойной схеме:
Cl + O 3 —> ClO + O 2 и ClO + O —> Cl + O 2
В результате этих реакций молекулы озона (O 3) превращаются в молекулы кислорода (O 2), причем исходные атомы хлора остаются в свободном состоянии и снова участвуют в этом процессе (каждая молекула хлора разрушает миллион молекул озона до того, как они удалятся из атмосферы под действием других химических реакций). Вследствие этой цепочки превращений озон начинает исчезать из атмосферы над Антарктидой, образуя озоновую дыру. Однако вскоре, с потеплением, антарктические вихри разрушаются, свежий воздух (содержащий новый озон) устремляется в этот район, и дыра исчезает.
В 1987 году в Монреале состоялась Международная конференция, посвященная угрозе озоновому слою, и промышленно развитые страны договорились о сокращении, а в конечном итоге и о прекращении производства хлорированных и фторированных углеводородов (хлорфторуглеродов, ХФУ) — химических веществ, разрушающих озоновый слой. К 1992 году замена этих веществ на безопасные проходила так успешно, что было принято решение о полном их уничтожении к 1996 году. Сегодня ученые верят, что лет через пятьдесят озоновый слой восстановится полностью.
Около сорока лет назад впервые было обнаружено, что слой озона в земной атмосфере стал истощаться. Первыми это заметили английские учёные, работавшие на исследовательской базе в Антарктиде. Они обнаружили, что над станцией Халли-Бей толщина озона уменьшилась почти в два раза! В то время возможные причины этого явления ещё не были изучены, поэтому всё, что оставалось делать учёным - наблюдать за развитием ситуации. И результаты их совсем не обрадовали - озоновые дыры не только не закрылись, но даже распространились далеко за пределы Южного полюса. Так появилась информация о новой глобальной катастрофе.
Чем же на самом деле являются озоновые дыры?
Озон - это газ, который вырабатывается из кислорода при ультрафиолетовом излучении, поступающем от Солнца. Он, в свою очередь, препятствует прохождению этого излучения, действие которого является губительным для всех живых организмов. Слой этого газа расположен на высоте около двадцати километров над поверхностью и защищает планету от негативного влияния солнечной энергии. Озоновые дыры - это места, в которых толщина газа по каким-либо причинам уменьшается. На данном этапе её ещё хватает для того, чтобы задерживать ультрафиолет, но если человечество ничего не предпримет для изменения ситуации, через некоторое время истощение озонового слоя приведёт к тому, что вредоносное излучение сможет беспрепятственно проникать в атмосферу, и тогда существование жизни на Земле станет попросту невозможным.
Почему возникают озоновые дыры?
Исследование космоса
И всё же, несмотря на большое разнообразие возможных версий, наиболее вероятной из них остаётся антропогенная. Ведь в середине прошлого века происходили многочисленные запуски космических ракет, каждая из которых, взлетая, оставляла «дыру» в атмосфере, прорывая слой озона. Всего за тридцать лет освоения космоса было уничтожено 30% защитного барьера Земли, который формировался на протяжении четырёх миллиардов лет!
Фреон
Губительным веществом для озона является фреон, который широко используется как в быту, так и в промышленности. Он содержался практически во всех газовых баллончиках прошлого века: в лаках для волос, духах, дезодорантах, огнетушителях. Он был даже в холодильниках и кондиционерах! Неудивительно, что с каждым днём появлялись всё новые и новые озоновые дыры, а защитный слой становился всё тоньше и тоньше.
Пути решения
На сегодняшний день проблема остаётся острой и актуальной. Приняты многочисленные соглашения, по которым вредные для озонового слоя вещества запрещены к использованию в производстве и промышленности. Но этого мало, ведь вопрос состоит не только в том, чтобы остановить разрушение озона, но и в том, чтобы восстановить его. А эта задача еще не решена.
Озоновой дырой считается локальное падение в озоновом слое Земли концентрации озона. Изначально специалисты предположили, что концентрация озона имеет свойство меняться из-за частиц, которые выбрасываются при любом атомном взрыве.
Виновниками появления озоновых дыр в атмосфере Земли длительное время считали высотные самолеты и полеты космических кораблей.
Однако в ходе многочисленных исследований и опытов было доказано, что содержание озона может качественно варьироваться из-за определенных естественных загрязнителей воздушной среды, содержащих азот.
Основные причины появления озоновых дыр
Давно уже установлено, что основное количество природного озона содержится на высоте от 15 до 50 километров над поверхностью Земли – в стратосфере. Наибольшую пользу озон приносит, поглощая значительное количество ультрафиолетового солнечного излучения, которое иначе оказалось бы губительным для живых организмов на нашей планете. Снижение концентрации озона в определенном месте может быть обусловлено загрязнениями воздушной среды двух типов. К ним можно отнести:
- Естественные процессы, при которых происходит загрязнение воздуха.
- Антропогенные загрязнения атмосферы Земли.
В мантии Земли постоянно осуществляются процессы дегазации, вследствие которых выделяются самые разные органические соединения. Порождать такие виды газов могут грязевые вулканы и гидротермальные источники.
Кроме того, в земной коре расположены определенные газы, находящиеся в свободном состоянии. Часть их способна достигать земной поверхности и через трещины земной коры диффундировать в атмосферу. Поэтому приземной воздух над нефтегазоносными бассейнами зачастую содержит повышенный уровень метана. Эти виды загрязнений можно отнести к естественным – происходящим в связи с природными явлениями.
Антропогенные загрязнения воздушной среды могут быть вызваны запусками космических ракет и полетами сверхзвуковых реактивных самолетов. Также большое количество самых разных химических соединений выделяется в атмосферу в процессе добычи и переработки многочисленных ископаемых из недр земли.
Немалую роль в загрязнении атмосферы играют и большие промышленные города, являющиеся своеобразными антропогенными источниками. Воздушные массы в подобных местностях загрязняются посредством обширного потока автомобильного транспорта, а также из-за выбросов разных промышленных предприятий.
История открытия озоновых дыр в атмосфере
Впервые озоновую дыру обнаружила в 1985 году группа ученых из Великобритании во главе с Джо Фарменом (Joe Farman). Диаметр дыры был более 1000 километров, а находилась она над Антарктидой – в Южном полушарии. Возникая ежегодно в августе, данная озоновая дыра исчезала в период с декабря по январь.
1992 год ознаменовался для ученых тем, что уже над Северным полушарием в Антарктике образовалась еще одна озоновая дыра, с гораздо меньшим диаметром. А в 2008 году диаметр первого обнаруженного в Антарктиде озонового явления достиг максимальных рекордных размеров – 27-ми миллионов квадратных километров.
Возможные последствия расширения озоновых дыр
Так как озоновый слой призван защищать поверхность нашей планеты от переизбытка ультрафиолетового солнечного излучения, то озоновые дыры можно считать реально опасным для живых организмов явлением. Снижение озонового слоя значительно увеличивает поток солнечной радиации, что может влиять на резкий рост числа раковых кожных заболеваний. Не менее губительно появление озоновых дыр для растений и животных на Земле.
Благодаря вниманию общественности, в 1985 году приняли Венскую конвенцию об охране озонового слоя. Затем имел место так называемый Монреальский протокол , принятый в 1987 году и определяющий список самых опасных хлорфторуглеродов. Тогда же страны-производители указанных загрязнителей атмосферы обязались ограничить их выпуск, а к 2000 году – прекратить совсем.
Гипотезы о естественном происхождении озоновой дыры
А вот российские ученые опубликовали подтверждение гипотезы о естественном происхождении антарктической озоновой дыры. В 1999 году в МГУ НПО «Тайфун» опубликовал научную работу, в которой, согласно расчетам геофизиков А.П. Капицы и А.А. Гаврилова, Антарктическая озоновая дыра существовала до того, как ее обнаружили прямыми экспериментальными методами в 1982 году, что, по мнению русских ученых, подтверждает гипотезу естественного происхождения озоновой дыры над Антарктидой.
Авторами этой научной работы являлись А.П.Капица (член-корреспондент РАН) b А.А.Гаврилов (Московский Государственный Университет). Этим двум ученым удалось установить, что количество фактов, противоречащих антропогенной гипотезе происхождения Антарктической озоновой дыры, постоянно растет, а после доказательства, что данные аномально низких значений общего содержания озона в Антарктиде в 1957-1959 годах верны, стала очевидно, что причина озоновых дыр отлична от антропогенной.
Результаты исследований Капицы и Гаврилова были опубликованы в Докладах Академии наук, 1999, том 366, № 4, с. 543-546
Казанский национальный исследовательский технологический университет
Реферат Разрушение озонового слоя
Выполнил: студент гр.5111-41 Гарифуллин И.И. Проверила: Фатыхова Л.А.
Казань 2015
1.Введение
2.Основная часть:
а)Определение озона
б)Причины возникновения «озоновых дыр»
в)Основные гипотезы разрушения озонового слоя
г) Экологические и медико-биологические последствия разрушения озонового слоя
3.Заключение
4.Список использованной литературы
Введение.
В ХХI в. среди многих глобальных экологических проблем биосферы остается весьма актуальной проблема разрушения озонового слоя и связанного с этим усиления биологически опасной ультрафиолетовой радиации на земной поверхности. Это в дальнейшем может перерасти в необратимую, губительную для человечества катастрофу. В последние десятилетия многочисленными исследованиями установлена устойчивая тенденция к уменьшению содержания озона в атмосфере. По данным Всемирной организации здравоохранения(ВОЗ),каждое уменьшение содержания в атмосфере озона на 1%(и соответственно рост УФ-излучения на 2%) приводит к 5%-ному увеличению числа онкологических заболеваний.
Современная кислородная атмосфера Земли – уникальное явление среди планет Солнечной системы, и эта её особенность связана с наличием на нашей планете жизни.
Проблема экологии для людей сейчас, несомненно, самая главная. На реальность экологической катастрофы указывает разрушение озонного слоя Земли. Озон - трехатомная форма кислорода, образуется в верхних слоях атмосферы под действием жесткого (коротковолнового) ультрафиолетового излучения Солнца.
Сегодня озон беспокоит всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонного слоя в атмосфере, а считал только, что запах озона является признаком свежего воздуха. (Недаром озон в переводе с греческого означает ""запах"".) Этот интерес понятен – речь идёт о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. В настоящее время назрела необходимость принять определённые обязательные для всех решения, которые позволили бы сохранить озонный слой. Но чтобы эти решения были правильны, нужна полная информация о тех факторах, которые изменяют количество озона в атмосфере Земли, а также о свойствах озона, о том, как именно он реагирует на эти факторы. Поэтому выбранную мною тему считаю актуальной и необходимой для рассмотрения.
Основная часть: Определение озона
Известно,озон (Oз)- модификация кислорода- обладает большой химической реактивностью и токсичностью. Озон образуется в атмосфере из кислорода при электрических разрядах во время грозы и под действием ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере. Озоновый слой (озоновый экран, озоносфера) располагается в атмосфере на высоте 10-15км с максимумом концетрации озона на высоте 20-25км. Озоновый экран задерживает проникновение к земной поверхности наиболее жестокого УФ-излучения(длина волны 200-320нм), губительного для всего живого. Однако в результате антропогенных воздействий озоновый "зонтик" прохудился и в нем стали появляться озоновые дыры с заметно пониженным (до 50% и более) содержанием озона.
Причины возникновения «озоновых дыр»
Озоновые (озонные) дыры являются лишь частью сложной экологической проблемы истощения озонового слоя Земли. В начале 1980-х гг. было отмечено снижение общего содержания озона в атмосфере над районом научных станций в Антарктиде. Так, в октябре 1985г. появились сообщения о том, что концентрация озона в стратосфере над английской станцией Халли-Бей уменьшилась на 40% от ее минимальных значений, а над японской - почти в 2 раза. Это явление и получило нащивание "озоновой дыры". Значительных размеров озоновые дыры над Антарктидой возникали весной 1987,1992,1997 гг., когда фиксировалось снижение общего содержания стратосферного озона (ОСО) на 40 - 60%. Весной 1998 г. озоновая дыра над Антарктидой достигла рекордной площади - 26 млн кв. км (в 3 раза больше территории Австралии). А на высоте 14 - 25 км в атмосфере произошло почти полное разрушение озона.
Аналогичные явления отмечались и в Арктике (особенно с весны 1986г.),но размеры озоновой дыры здесь были почти в 2 раза меньше,чем над Антарктикой. В марте 1995г. озоновый слой Арктики был истощен примерно на 50%,причем сформировались "мини-дыры" над северными районами Канады и Скандинавским полуостровом, Шотландскими островами (Великобритания).
В настоящее время в мире имеются около 120 озонометрических станций, в том числе 40 появились с 60-х гг. ХХ в. на территории России. Данные наблюдений наземных станций свидетельствуют, что в 1997 г. практически над всей контролируемой территорией России отмечалось спокойное состояние общего содержания озона.
Для выяснения причин возникновения мощных озоновых дыр именно в околополюсных пространствах в конце ХХ в. были проведены исследования (с применением летающих самолетов-лабораторий) озонового слоя над Антарктидой и Арктикой. Установлено, что, помимо антропогенных факторов(выбросов в атмосферу фреонов, оксидов азота, метилбромида и др.), значительную роль играют природные воздействия. Так, весной 1997 г. в некоторых районах Арктики фиксировалось падение содержания озона в атмосфере до 60%. Причем на протяжении ряда лет темпы истощения озоносферы над Арктикой нарастали даже в условиях, когда концентрация хлорфторуглеродов (ХФУ), или фреонов, в ней оставалось постоянной. По данным норвежского ученого К.Хенриксена , в течение последнего десятилетия в нижних слоях арктической стратосферы формировалась все расширяющаяся воронка холодного воздуха. Она создавала идеальные условия для разрушения молекул озона, которое происходит в основном при весьма низкой температуре (около -80*С). Аналогичная воронка над Антарктидой - причина возникновения озоновых дыр. Таким образом, причиной озоноразрушительного процесса в высоких широтах (Арктика, Антарктида) могут служить в большей степени именно природные воздействия.
Озо́новая дыра́ - локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя.
Озон является аллотропной модификацией кислорода. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О 3 → 3О 2) и высокую окислительную способность. Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH + О 3 → RО 2 . + OH.
Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в среде, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,1 мг/м 3 .
Озона, которым так замечательно пахнет во время грозы, в атмосфере совсем немного - 3-4 ppm (промилле) - (3-4)*10 -4 %. 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. Жизнь на Земле немыслима без озонового слоя, предохраняющего все живое от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям – вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира. Поэтому так важно понять причины возникновения озоновой «дыры» над Антарктикой и уменьшения содержания озона в Северном полушарии.
Озон образуется в верхней стратосфере (40-50 км) при фотохимических реакциях с участием кислорода, азота, водорода и хлора. Атмосферный озон сосредоточен в двух областях – стратосфере (до 90 %) и тропосфере. 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. В нижней стратосфере (10-25 км), где озона больше всего, главную роль в сезонных и более длительных изменениях его концентрации играют процессы переноса воздушных масс.
Толщина озонового слоя над Европой сокращается стремительными темпами, что не может не волновать умы ученых. За прошлый год толщина озонового «покрытия» сократилась на 30%, а скорость ухудшения естественной защитной оболочки достигла самой высокой отметки за последние 50 лет. Установлено, что химические реакции, разрушающие озон, происходят на поверхности ледяных кристаллов и любых иных частиц, попавших в высокие стратосферные слои над полярными районами. Какую опасность это представляет для человека?
Тонкий озоновый слой (2-3 мм при распределении вокруг Земного шара) не в силах препятствовать проникновению коротковолновых ультрафиолетовых лучей, которые вызывают рак кожи и опасны для растений. Поэтому сегодня из-за высокой активности солнца загорать стало менее полезно. Вообще-то центры экологии должны давать рекомендации населению, как действовать в зависимости от активности солнца, но в нашей стране такого центра нет.
С уменьшением озонового слоя связаны климатические изменения. Понятно, что изменения будут происходить не только на той территории, над которой «растянулась» озоновая дыра. Цепная реакция повлечет за собой изменения во многих глубинных процессах нашей планеты. Это не значит, что везде начнется стремительное глобальное потепление, как нас пугают в фильмах ужасов. Все-таки это слишком сложный и длительный процесс. Но могут возникнуть другие катаклизмы, к примеру, увеличится число тайфунов, смерчей, ураганов.
Установлено, что «дыры» в озоновом слое возникают над Арктикой и Антарктидой. Это объясняется тем, что на полюсах образуются кислотные облака, разрушающие озоновый слой. Получается, что озоновые дыры возникают не от активности солнца, как принято считать, а от повседневно деятельности всех жителей планеты, в том числе и нас с вами. Потом «кислотные бреши» смещаются, причем чаще всего в Сибирь.
С использованием новой математической модели удалось связать воедино данные наземных, спутниковых и авиационных наблюдений с уровнями вероятных будущих выбросов в атмосферу озонразрушающих соединений, временем их переноса в Антарктику и погодой в южных широтах. При помощи модели был получен прогноз, согласно которому озоновый слой над Антарктикой восстановится в 2068 году, а не в 2050 году, как считалось.
Известно, что в настоящее время уровень озона в стратосфере над территориями, удаленными от полюсов, ниже нормы примерно на 6%. В тоже время, в весенний период содержание озона над Антарктикой может снижаться на 70% относительно среднегодовой величины. Новая модель позволяет более точно прогнозировать уровни содержания озонразрушающих газов над Антарктикой и их временную динамику, определяющую величину озоновой «дыры».
Использование веществ, разрушающих озон, ограничено Монреальским протоколом. Считалось, что это приведет к быстрому «затягиванию» озоновой дыры. Однако новые исследования показали, что в действительности темпы ее уменьшения станут заметными только с 2018 года.
Чтобы начать глобальное восстановление, нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся. Люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, в частности нужны новые посадки лесов.
Для восстановления озонового слоя его нужно подпитывать. Сначала с этой целью предполагалось создать несколько наземных озоновых фабрик и на грузовых самолетах «забрасывать» озон в верхние слои атмосферы. Однако этот проект (вероятно, он был первым проектом «лечения» планеты) не осуществлен. Иной путь предлагает российский консорциум «Интерозон»: производить озон непосредственно в атмосфере. Уже в ближайшее время совместно с немецкой фирмой «Даза» планируется поднять на высоту 15 км аэростаты с инфракрасными лазерами, с помощью которых получать озон из двухатомного кислорода. Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции «Мир» и создать на высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта.
Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время.
Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, представляется необходимым:
ü расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;
ü создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;
ü организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.
