Министерство образования и науки Российской Федерации
Волгоградский Государственный Университет
Юридический Факультет
Реферат
По дисциплине: Концепция современного естествознания
Тема: Проблемы стратосферного озона
Волгоград 2009
Оглавление
Введение
1. Атмосфера и ее строение
2. Химические и биологические особенности озона
3. Условия образования и защитная роль озонового слоя
4. Химические процессы в тропосфере
5. Причины образования “озоновой дыры”
6. Пути решения проблем
Литература
Введение
С возникновением человеческой цивилизации появился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. наших современников оказывают на природу такое же по масштабам воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек.
С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширялся объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.
Атмосфера в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает состояние воздушного пространства нашей планеты. В настоящее время существует 3 основные глобальные экологические проблемы атмосферы: глобальное потепление или "парниковый эффект", кислотные дожди и разрушение озонового слоя.
Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты, а реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.
Целью настоящей работы явилось обобщение литературных данных о причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр".
1. Атмосфера и ее строение
Атмосфе́ра
(от. др. - греч. ἀτμός - пар и σφαῖρα - шар) - газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.
Атмосфера состоит из нескольких концентрических слоев, отличающихся один от другого по температурным и иным условиям. Нижняя часть атмосферы, до высоты 10-15 км, в которой сосредоточено 4/5 всей массы атмосферного воздуха, носит название тропосферы
. Средняя годовая температура воздуха у земной поверхности около +26° на экваторе и около - 23° на северном полюсе. Для нее характерно, что температура здесь с высотой падает в среднем на 0,6°/100 м (в отдельных случаях распределение температуры по вертикали варьирует в широких пределах). В тропосфере содержится почти весь водяной пар атмосферы и возникают почти все облака. Сильно развита здесь и турбулентность, особенно вблизи земной поверхности, а также в так называемых струйных течениях в верхней части тропосферы. Давление воздуха на верхней границе тропосферы соответственно ее высоте в 5-8 раз меньше, чем у земной поверхности. Следовательно, основная масса атмосферного воздуха находится именно в тропосфере. Процессы, происходящие в тропосфере, имеют непосредственное и решающее значение для погоды и климата у земной поверхности.
Над тропосферой до высоты 50-55 км лежит стратосфера,
характеризующаяся тем, что температура в ней в среднем растет с высотой. Переходный слой между тропосферой и стратосферой (толщиной 1-2 км) носит название тропопаузы.
Выше были приведены данные о температуре на верхней границе тропосферы. Эти температуры характерны и для нижней стратосферы. Таким образом, температура воздуха в нижней стратосфере над экватором всегда очень низкая; притом летом много ниже, чем над полюсом.
Водяного пара в стратосфере ничтожно мало. Однако на высотах 20-25 км наблюдаются иногда в высоких широтах очень тонкие, так называемые перламутровые облака. Днем они не видны, а ночью кажутся светящимися, так как освещаются солнцем, находящимся под горизонтом. Эти облака состоят из переохлажденных водяных капелек. Стратосфера характеризуется еще тем, что преимущественно в ней содержится атмосферный озон, о чем было сказано выше. С этой точки зрения она может быть названа озоносферой. Рост температуры с высотой в стратосфере объясняется именно поглощением солнечной радиации озоном.
Над стратосферой лежит слой мезосферы
, примерно до 80 км. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высотах, близких к верхней границе мезосферы (75-90 км), наблюдаются еще особого рода облака, также освещаемые солнцем в ночные часы, так называемые серебристые. Наиболее вероятно, что они состоят из ледяных кристаллов.
Рис.1. Строение атмосферы
На верхней границе мезосферы давление воздуха раз в 200 меньше, чем у земной поверхности. Таким образом, в тропосфере, стратосфере и мезосфере вместе, до высоты 80 км, заключается больше чем 99,5% всей массы атмосферы. На вышележащие слои приходится ничтожное количество воздуха.
Верхняя часть атмосферы, над мезосферой, характеризуется очень высокими температурами и потому носит название термосферы
. В ней различаются, однако, две части: ионосфера, простирающаяся от мезосферы до высот порядка тысячи километров, и лежащая над нею внешняя часть - экзосфера, переходящая в земную корону. Воздух в ионосфере чрезвычайно разрежен.
Ионосфера
, как говорит само название, характеризуется очень сильной степенью ионизации воздуха. содержание ионов здесь во много раз больше, чем в нижележащих слоях, несмотря на сильную общую разреженность воздуха. Эти ионы представляют собой в основном заряженные атомы кислорода, заряженные молекулы окиси азота и свободные электроны. Их содержание на высотах 100-400 км - порядка 1015
-106
на кубический сантиметр.
Температура в ионосфере растет с высотой до очень больших значений. На высотах около 800 км она достигает 1000°.
Атмосферные слои выше 800-1000 км выделяются под названием экзосферы
(внешней атмосферы). Недавно предполагалось, что экзосфера, и с нею вообще земная атмосфера, кончается на высотах порядка 2000-3000 км. Но из наблюдений с помощью ракет и спутников создалось представление, что водород, ускользающий из экзосферы, образует вокруг Земли так называемую земную корону, простирающуюся более чем до 20 000 км. Конечно, плотность газа в земной короне ничтожно мала. На каждый кубический сантиметр здесь приходится в среднем всего около тысячи частиц. Но в межпланетном пространстве концентрация частиц (преимущественно протонов и электронов) по крайней мере в десять раз меньше.
С помощью спутников и геофизических ракет установлено существование в верхней части атмосферы и в околоземном космическом пространстве радиационного пояса Земли, начинающегося на высоте нескольких сотен километров и простирающегося на десятки тысяч километров от земной поверхности.
Этот пояс состоит из электрически заряженных частиц - протонов и электронов, захваченных магнитным полем Земли и движущихся с очень большими скоростями. Их энергия - порядка сотен тысяч электрон-вольт. Радиационный пояс постоянно теряет частицы в земной атмосфере и пополняется потоками солнечной корпускулярной радиации.
2. Химические и биологические особенности озона
Озон является аллотропной модификацией кислорода. Его молекула диамогнитна (в отличие от парамагнитной О2)
, имеет угловую форму, связь в молекулу является делокализованной трехцентровой, предполагается также донорно-акцепторный механизм образования химических связей в озоне. Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3
- >3О2
) и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов:
RH+ О3
RО2
+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 атмосфере, 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 - 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
3. Условия образования и защитная роль озонового слоя
Известно, что основная часть природного озона сосредоточена в стратосфере на высоте от 15 до 50 км над поверхностью Земли. Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода
(О2
- > О3
).
Больше всего озона в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км, который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако общее его количество в стратосфере достигает очень внушительной цифры - более 3 млрд. тонн. Образование озона из обычного двухатомного кислорода требует довольно большой энергии - почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция - взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:
О2
+ О=О3
.
Атомарный кислород - еще более насыщенное энергией вещество - образуется при электрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере появляется под действием постоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения Солнца:
Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием, поэтому усредненная концентрация озона в течение длительного времени оставалась постоянной. Процесс образования и разложение озона называют циклом Чемпена. Результатом процессов в цикле является переход солнечной энергии в теплоту. Озоновый цикл ответственен за повышение температуры на высоте 15 км.
Защитная роль озонового слоя.
Озон поглощает часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200-300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.
4. Химические процессы в тропосфере
В химических превращениях различных загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH- радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона:
O3
+h=O2
+O
O+H2
O
=OH+OH
В образован
NO2
+ h (L<400нм) =NO+O
O+O2
=O3
О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении:
O3
+NO=NO2
+O2
O3
+NO2
=NO3
+O2
В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды:
Н2
О+h=H+OH
H2
O+O=2OH
Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения
HNO2
, HNO3
, H2
O2
HNO2
+h (L<400нм) =NO+OH
HNO3
+h (L<330нм) =NO2
+OH
H2
O2
+h (L<330нм) =2OH
В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в окислении углеводородов:
RH+OH=HOH+R
R+O2
=RO2
RO2
+HOH=ROOH+OH
Наиболее типичным и основным по массе органическим загрязнителем атмосферы является CH4
. Окисление CH4
под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:
ОН+СН4
=Н2
О +СН3
СН3
+О2
=СН3
О2
СН3
О2
+NО=СН3
О+NО2
СН3
О+О2
=СН2
О+НО2
В результате реакция окисления СН4
в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде:
СН4
+4О2
=СН2
О+Н2
О+2О3
т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О3
, а рост утечки СН4
многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О3
по сравнению с переносом О3
из стратосферы.
Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.
Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.
ОН+СН2
О=Н2
О+НСО
НСО+О2
=НО2
+СО
5. Причины образования “озоновой дыры”
Летом и весной концентрация озона повышается; над полярными областями она всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980-х гг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получило название "озоновая дыра" (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не было) и стало внимательно исследоваться.
Позднее, в 1990-е гг., такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. Феномен Антарктической “озоновой дыры” пока не понятен: то ли “дыра" возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс.
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 причина нежелательного явления - реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны - хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора.
Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (в России их поэтому называют "хладонами"), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные - для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн. т.
Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным "нарушителем порядка" в озоновом слое.
CF2
Cl2
=CF2
Cl+Cl
Последующие реакции CF2
Cl с О2
и hприводят к отщеплению второго атома хлора.
Хлор "съедает" и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:
О3
+ Сl = О2
+ ClO
СlO + O = Cl + O2
Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.
Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась на 10%.
Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ.
| Разрушающий потенциал (усл. ед)
|
Продолжительность жизни (лет)
|
|
| CFCl 1 | 1.0 | 75 |
| CFCl 2 | 1.0 | 111 |
| CFCl 3 | 0.8 | 90 |
| CCl 4 | 1.0 | 185 |
| C2FCl 5 | 0.6 | 380 |
| HCFCl 2 | 0.05 | 20 |
| Метилхлороформ | 0.10 | 6.5 |
| Четырехлористый углерод | 1.06 | 50 |
Венская конвенция. 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;
О3
+NО NО3
+О2
воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон;
разрушение озона соединениями хлора.
В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.
Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии:
Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие загрязнители воздушной среды:
2NО+О2
= 2NО2
О2
+NО2
= NО3
+О2
NО3
+NО2
= N2
О5
N2
О5
+Н2
О = 2НNО3
Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так, NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N2
+О2
2NО
Источником NО в стратосфере служит также газ N2
О, который устойчив в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием жесткого УФ-излучения:
N2
О+h (230нм) = N2+О
N2
O+O= 2NO
Разрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям:
N2
О+h (250нм) = N2
+О
N2
O+O= N2
+O2
6. Пути решения проблем
Чтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся.
Также мы - все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги.
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.
У этого проекта был предшественник - американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для "звездных войн".
Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете.
Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо:
расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя;
провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами;
создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами;
провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей;
организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях.
Литература
1. Глинка Н.Л. Общая химия. Издательство "химия". 1990г.
2. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды, Ростов-на-Дону: Феникс, 2004, 192 с.
3. Лавров С.Б. Глобальная проблема современности. Санкт-Петербург, 1995г.
4. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорология и климатология. М.: Мысль, 1985 г.