Лекция №5. Озоновый слой Земли

Озон и сокращение озонового слоя

Озон (О₃) — агрессивный газ с сильным окислительным действием. В переводе с греческого ozon означает «пахнущий», так как он имеет острый резкий запах. Этот запах можно ощутить после грозы.

Озон образуется в атмосфере при действии на кислород высоких энергий коротковолновых УФ лучей и электрических разрядов. Высокая энергия расщепляет кислород на отдельные атомы, которые связываются с молекулярным кислородом, образуя озон:

 

УФ лучи

О—————>О + 0

О + О₂ ↔ О₃

 

Молекулы озона очень неустойчивы и легко разлагаются, поэтому эта реакция является обратимой.

Экологическая роль озона двояка.

1. Образуясь у поверхности Земли как компонент фотохимического смога, озон является чрезвычайно вредным, поскольку имеет сильные окислительные свойства и раздражает слизистую оболочку глаз и дыхательные пути.

У поверхности Земли озон образуется при грозовых разрядах и в результате фотохимических реакций между окислами азота (NO и NO₂) и летучими углеводородами, выделяющимися с выхлопными газами автомобилей.

2. Образуясь в верхних слоях стратосферы, озон формирует озоновый слой, который защищает организмы Земли от действия коротковолновых УФ лучей. На реакции синтеза озона расходуется до 98% энергии коротковолновых УФ лучей Солнца, благодаря чему они не достигают поверхности Земли и не оказывают губительного действия на организмы. За это озоновый слой называют «защитным экраном» Земли. Без него на поверхности Земли не могла бы существовать жизнь.

Образование озонового слоя стало возможным, когда концентрация кислорода в атмосфере достигла 1 % от современного уровня. Появление озонового слоя позволило жизни выйти на сушу, тогда как раньше жизнь могла существовать только в океане.

Наибольшие количества озона образуются на высоте 17— 48 км. Максимум его концентрации находится на высоте 20— 25км.

Как уже указывалось, реакция образования озона является обратимой и поэтому в атмосфере имеется определенный баланс содержания озона и кислорода. Концентрация озона в атмосфере определяется соотношением между скоростями его образования и разрушения.

При распаде озона выделяется тепло и поэтому в стратосфере наблюдается повышение температуры с высотой.

Озоновый слой отличается весьма высокой разреженностью — его плотность составляет всего 0,01—0,06 мг/мм³, и если было бы возможно сжать его давлением силой в 1 атм., то его толщина не превысила бы 3—5 мм. Но несмотря на это, озоновый слой выполняет в атмосфере две важнейшие функции:

- защищает организмы от вредного действия УФ лучей, которые коагулируют цитоплазму, вызывают солнечные ожоги, рак кожи, катаракту (помутнение хрусталика глаза), ослабление иммунитета и др.;

- формирует стратосферу — слой атмосферы, в котором температура нарастает с высотой, чем ограничивает процессы формирования погоды пределами тропосферы: верхние нагретые слои атмосферы препятствуют поднятию более холодного приземного воздуха. Если бы не озоновый слой, то температура атмосферы постепенно снижалась бы с высотой и температурный режим Земли был бы совсем иным.

Слой озона распределен над Землей неравномерно, его толщина меняется во времени: по сезонам года, зависит от 11-летних циклов солнечной активности.

 

Защитный озоновый слой

 

1)

Разрушение О3

↑

↑

Метилхлороформ (CH3CCl3)

Четыреххлористый углерод (CCl4)

Хлор и фторзамещенные углеводороды

Закись азота (N2O)

↑ ↑ ↑ ↑

Холодильные процессы

Холодильные и пенообразующие агенты

Сверхзвуковые реактивные самолеты в атмосфере

 

2)

Замедленное разрушение О3

↑

↑

Тропосфера, Нижняя стратосфера, Верхняя стратосфера

 

↑

Образование озона О3

↑

Двуокись углерода (CО2)

Метан (CН4)

Окислы азота (N2O)

↑ ↑ ↑ ↑

Ископаемое топливо

Обычные реактивные самолеты

 

Рисунок 5.1 Факторы, влияющие на состояние озонового слоя

 

Механизм образования озона был объяснен в 1930 г. американским химиком С.Чепменом, однако когда в 1950-е гг., были проведены измерения его содержания в стратосфере, выяснилось, что количество озона в ней является гораздо меньшим, чем прогнозировалось теоретически. Несколько позднее было высказано мнение, что в атмосфере имеются факторы, разру­шающие озон. В середине 1960-х гг. ученые пришли к выводу, что такими факторами являются свободные радикалы из водяного пара и окислы азота, выделяемые в стратосферу с выхлопами сверхзвуковых самолетов и поступающие из нижних слоев тропосферы (рисунок 5.1).

В 1973 г. американские химики Ф. Роуленд и М. Молина установили, что озон разрушают хлорфторуглеводороды (ХФУ), известные под коммерческим названием «фреоны» — СF₂Сl₃, СF₂С1₂ и др. За это открытие Ф. Роуленду и М. Молине в 1996 г. была присуждена Нобелевская премия.

ХФУ начали выпускать в промышленных масштабах с 1930-х гг., а к 1973 г. их ежегодное производство в мире достигло 1 млн. т. Широкое применение ХФУ в промышленности было обусловлено их уникальными свойствами: они не горючи, не образуют взрывоопасных смесей с воздухом, устойчивы к окислителям, кислотам, щелочам, не реагируют с большинством металлов.

ХФУ широко использовались в качестве:

- хладоносителей в холодильных установках, кондиционерах, системах теплоизоляции;

- вспенивателей пенопластов;

- органических растворителей в электронной промышленности;

- распылителей в аэрозольных баллончиках.

Близкие к ним по свойствам бромсодержащие соединения — галоны применялись как пенообразователи в огнетушителях.

Более 80% мирового производства ХФУ приходилось на индустриальные страны, в основном США и Японию. Главными источниками поступления ХФУ в атмосферу являлись аэрозольные баллончики, выброшенные холодильники и кондиционеры, сжигание поролона.

Сразу после опубликования в 1974 г. статьи Ф. Роуленда и М. Молины в журнале «Nature» началось подробное изучение влияния ХФУ на озон. Полученные данные подтвердили первоначальные опасения.

Оказалось, что действие ХФУ на озоновый слой связано с их чрезвычайной устойчивостью: попав в атмосферу, ХФУ не разрушаются, а подвергаются рассеиванию, поднимаются вверх и через 40—150 лет достигают стратосферы.

В стратосфере ХФУ разлагаются коротковолновыми УФ лучами Солнца с высвобождением хлора, который усиливает процесс естественного разрушения озона. Хлор вступает в реакцию с озоном с образованием диоксида хлора и кислорода:

 

О₃ + Сl→ О₂ + СlО

окись хлора

 

Окись хлора неустойчива, она также реагирует с озоном и атомы хлора высвобождаются и начинается новый цикл:

 

СlО + О₃ → Сl + 2О₂

 

Таким образом, расщепление ХФУ УФ лучами запускает цепную реакцию, в которой один атом хлора, подобно «ненасытному чудовищу», может разрушить до 100 тыс. молекул озона. Это продолжается до тех пор, пока он не встретит на своем пути соединения азота или водорода, связывающие его в неактивную форму.

При этом хлор превращается в НСl и СlONO₂ и прекращает свое действие на озон. Таким образом, эти соединения являются резервуарами хлора:

СlО + СН₄ → НС1 + СН₃

СlО + NО₂ → СlONO₂

 

В присутствии твердых частиц (кристаллов льда) или капель жидкости (кислот) происходит высвобождение хлора из резервуаров. Особенно быстро эти реакции идут при очень низких температурах.

В 1984 г. группа американских ученых под руководством Д. Фармана опубликовала данные исследований, проведенных в Антарктиде. Они показали, что в течение весны 1983 г. содержание озона над Антарктидой снизилось на 40%. По словам Д. Фармана, «небо над Антарктидой буквально пустело, и это было ужасно».

Снижение концентрации озона над Антарктидой назвали «озоновой дырой» В настоящее время размеры «дыры» почти равны площади этого материка.

Резкое снижение концентрации озона над Антарктидой объясняют несколькими причинами:

- образование озона возможно только при наличии УФ лучей, оно не идет во время полярной ночи;

- низкие температуры способствуют образованию над Антарктидой ледяных стратосферных облаков, на частицах которых ускоряются реакции разрушения озона;

- циркуляция воздушных масс над Антарктидой имеет некоторые особенности: весной над ней формируются восходящие вихревые потоки, засасывающие к эту область воздух из тропосферы с низким содержанием озона и препятствующие притоку богатого озоном воздуха из средних широт.

Главная причина снижения концентрации озона над Антарктидой — образование над ней ледяных стратосферных облаков, на частицах которых активизируются процессы разрушения озона хлором. На частицах идут реакции высвобождения хлора из резервуаров и, таким образом, процесс разрушения озона хлором запускается вновь.

Существуют два вида стратосферных облаков: водно-ледовые и облака из тригидрата азотной кислоты (НNO₃•ЗН₂О). В обоих случаях ядрами их конденсации являются капли серной кислоты. Для образования этих облаков нужны очень низкие температуры — менее -80° С и поэтому они образуются преимущественно над Антарктидой и в меньшей степени над Арктикой, поскольку там нет таких мощных и постоянных вихревых потоков.

После открытия «озоновой дыры» над Антарктидой были проведены научные исследования по изучению влияния снижения концентрации озона в атмосфере на биологические объекты. Было установлено, что при снижении концентрации озона на 1% степень проникновения в атмосферу УФ лучей возрастает на 1,5—2%. Это способствует повышению частоты возникновения рака кожи, катаракты, снижению иммунитета организмов и др.

Ученые пришли к выводу о том, что повышенные дозы УФ излучения снижают качество семян, устойчивость растений к засухе, заболеваниям, уменьшают продукцию антарктического фитопланктона и выживаемость мальков рыб, что может катастрофически повлиять на мировое рыболовство. При снижении содержания озона в атмосфере на 25% продукция фитопланктона могла бы уменьшиться на 35%.

Кроме того, оказалось, что ХФУ обладают «парниковым эффектом», а при возрастании интенсивности УФ излучения в городах в них растет риск образования фотохимического смога.

Было установлено также, что аналогичными с ХФУ свойствами обладают и другие галогенсодержащие вещества — четыреххлористый углерод (ССl₄), метилхлороформ (СН₃ССl₃) и другие, широко применявшиеся как органические растворители.

В 1989 г. ХФУ были обнаружены над Северным полюсом, но там уменьшение слоя озона было менее значительным — до 6%.

Поскольку производство ХФУ началось в 1930-е гг., а его максимум пришелся на 1980-е гг., то в настоящее время полный ущерб озоновому слою еще не стал очевиден, поскольку для поднятия ХФУ в стратосферу нужно не менее 40—150 лет. В зависимости от вида ХФУ срок их пребывания в атмосфере составляет 20—210 лет. Таким образом, уже внесенные в атмо­сферу загрязнения проявят себя только в будущем.

Оценив объемы производства ХФУ и их поступления в атмосферу, ученые пришли к выводу, что это ведет к неизбежному разрушению озонового слоя.

По вопросам снижения выбросов ХФУ в атмосферу проведены международные совещания и подписан ряд соглашений. В 1989 г. на Международной конференции в Хельсинки 81 страной была достигнута договоренность о прекращении производства всех видов ХФУ к 2000 г. Более поздние соглашения способствовали сокращению производства также четыреххлористого углерода и хлороформа и обезвреживанию ХФУ из закончивших свое действие приборов.

В настоящее время озоновый слой истощается со скоростью 0,5-0,7% в год.

Мерами по уменьшению разрушения озонового слоя являются:

- глобальное запрещение использования ХФУ в тех сферах, где возможна их замена другими веществами;

- утилизация ХФУ из отработавших свой срок холодильни­ков и кондиционеров;

- полное запрещение производства ХФУ, галонов, хлороформа и четыреххлористого углерода.

К 1996г. многие развитые страны полностью прекратили производство стойких ХФУ, разрушающих озон. Они были заменены на другие вещества. Многие страны получили материальную помощь для технического перевооружения своих производств. Благодаря этим мерам мировое производство озоноразрушающих веществ сократилось в несколько раз.

Но если бы даже было возможно полностью прекратить производство всех этих веществ, то эффект от этих мероприятий мог бы сказаться только через несколько десятков лет. Это объясняется высокой устойчивостью ХФУ и длительностью времени их миграции в стратосферу — до 150 лет.

 

Тестовые вопросы

1. Назовите основных потребителей озоноразрушающих веществ в секторе экономики РК? A) сектор охлаждения, заправляющий холодильные установки B) сектор выпуска холодильного оборудования C) сельскохозяйственный сектор, использующий бромистый метил для обеззараживания зерна при его транспортировки и хранении D) все вместе взятое   2. Назовите так называемые «переходные вещества», пришедшие на замену традиционных хладоагентов? A) хлорфторуглерод B) бромистый метил C) четыреххлористый углерод D) гидрохлорфторуглерод

3. Назовите причину, влияющую на содержание озона в атмосфере? A) сезонные изменения общего содержания озона в атмосфере B) повышенная циклоническая деятельность атмосферы зимой и весной C) количество потребления озоноразрушающих веществ D) глобальная изменчивость общего содержания озона в атмосфере   4. На какой высоте в атмосфере Земли концентрируется озон? A) на высоте 20—25 км B) на высоте 10—20 км C) на высоте 35—55 км D) на высоте 15—40 км   5. На какой высоте в атмосфере Земли образуется озон? A) на высоте 17-48 км B) на высоте 27—50 км C) на высоте 35—57 км D) на высоте 18—40 км

Глоссарий

На русском языке	На казахском языке	На английском языке
Озон	Озон	Оzone
Кислород	Оттегі	Oxygen
Высокие энергии	Жоғары қуаттар	High energies
Коротковолновые лучи	Қысқа толқынды сәулелер	Shortwave rays
Отдельные атомы	Оңаша атомдар	Separate atoms
Электрические разряды	Электрикалық дәрежелер	Electrical discharges
Ультрафиолетовые лучи	Ультракүлгін сәулелер	UV rays
Разрушение озона	Озонның бұзылуы	Destruction of ozone

 

Темы СРС

1) Описать экологическую роль озона (Л1, стр315-316).

 

Темы СРСП

1) Составить схему «Факторы, влияющие на состояние озонового слоя» (Л1, стр. 318).

 

Список основной литературы

 

1.Чебышев Н.В., Филиппова А.В. Основы экологии. – Москва, 2004 г.

2.Национальный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Казахстан, МООС РК, Алматы, 2007 г.

3. В.Г.Игнатов, А.В.Кокин. Экология и экономика природопользования., Р-на-Д, 2003 г.

4. Л.И.Губарева, О.М.Мизирева, Т.М. Чурилова. Экология человека. М., 2005

5 Г.С.Оспанова, Г.Т.Бозшатаева. Экология. – Алматы, 2002

6. Под редакцией А.С.Степановских . Общая экология. М., 2001.