Озоновый слой

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ

2. ОЗОНОВАЯ ДЫРА

3. МЕЖДУНАРОДНЫЕ СОГЛАШЕНИЯ

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.

Эти свойства делают озон одной из наиболее важных малых атмосферных составляющих, сохранение которой на современном уровне обеспечивает те экологические и биологические условия, в которых земная фауна и флора существует уже многие миллионы лет.

Растительность на суше появилась лишь чуть более 400 миллионов лет тому назад, когда содержание кислорода составляло более 0,6, а озона - более 0,8 современного уровня, что оказалось достаточным, чтобы защитить живые клетки от коротковолнового солнечного излучения. До этого момента жизнь развивалась исключительно в водной среде, которая и обеспечивала соответствующую защиту вместо озонового слоя. Появление растительности на суше ускорило накопление атмосферного кислорода за счёт процессов теперь уже наземного фотосинтеза и вскоре содержание кислорода и озона в атмосфере достигли современного уровня. Накопление кислорода в атмосфере до появления растений на суше происходило за счёт процессов фотосинтеза в океане, а также за счёт дегазации базальтовой магмы. Оба этих источника атмосферного кислорода продолжают действовать и сейчас, причём доля океана в фотосинтезе кислорода сегодня составляет 80%.

Отсюда можно сделать вывод, что жизнь на Земле последние 400 миллионов лет развивалась под защитой озонового слоя.

Эта роль объясняется тем, что озон поглощает солнечное УФ-излучение совершенно в том же диапазоне длин волн, что и молекулы живых клеток. В результате биологически опасное УФ-излучение поглощается в атмосфере, не достигая поверхности Земли.

Основное воздействие УФ-излучения на живую клетку связано с повреждением молекул ДНК. Это объясняется ролью ДНК в жизнедеятельности клетки, а также тем, что нуклеиновые кислоты поглощают УФ-излучение гораздо сильнее, чем молекулы белков, образующих клетку.

Наиболее эффективно УФ-излучение поглощается циклическими структурами азотистых оснований, соединяющих в ДНК группировки сахара-дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Это может привести к различным хромосомным и генным мутациям. К примеру, при поглощении кванта света молекулой тимина в одной из нитей спирали ДНК двойная связь между 5 и 6 атомами углерода в кольце разрывается и образуются две свободных валентности. Если вблизи от этого места то же самое происходит и в соседней нитке спирали, то образовавшиеся связи могут замкнуться, прочно соединив нити, что ведёт к задержке роста и деления, потере генетического кода клетки и в конце концов к её гибели.

Нужно подчеркнуть, что эта реакция, при всей своей обыденности, совершенно особенная. Действительно, стоит только представить, что связь между 5 и 6-м атомами углерода в тимине, которая разрывается при поглощении кванта света, была бы чуть слабее, а сечение поглощения света было бы чуть больше, как станет ясно, что описанный процесс мог бы происходить и при больших длинах волн, которые не "защищаются" озоновым слоем, а следовательно жизнь не смогла бы появиться на земной поверхности ни 400 миллионов лет тому назад, ни позднее и была бы обречена на исключительно подводное существование. Пришлось бы далее развиваться под водой.

Из сказанного выше можно отметить два важных момента:

1. Совершенно случайно оказалось, что появляющийся в древней земной атмосфере озон и развивающиеся в это время в мировом океане клетки живых организмов поглощают биологически опасное коротковолновое излучение Солнца в одном и том же диапазоне длин волн 230-290 нм.

2. Это позволило при образовании достаточно плотного слоя озона в атмосфере шагнуть жизни на сушу и начать ту уникальную, может быть единственную во вселенной ветвь эволюции, которая привела к колоссальному разнообразию живых форм и появлению человека.

Короче говоря, наше появление на Земле было делом случая.

Но раз уж нам так повезло с озоном, имеет смысл разобраться, каким образом природа создала и сохраняет озоновый слой, и как человек может этому помешать.

1. МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ

Практически единственным источником озона в атмосфере является фотодиссоциация молекулярного кислорода на атомы с последующим быстрым прилипанием атома к молекуле O₂ с образованием молекулы озона:

O2 + h O + O, 242 нм; (1)

O + O2 + M O3 + M, (2)

(здесь М - любая молекула воздуха).

Этот процесс происходит на высотах более 30 км, поскольку ниже этой высоты коротковолновое солнечное излучение не проникает. В результате довольно высоко в атмосфере появляются молекулы озона и атомы кислорода.

Гибель атмосферного озона происходит в результате следующих процессов:

O3 + h O + O2,(3)

O + O3 O2 + O2.(4)

Таким образом образовавшиеся когда-то из молекул кислорода атомы вновь соединяются в молекулу. Заметим только, что для того чтобы "развалить" молекулу озона, коротковолновое излучение не нужно. Связь атома О с молекулой О₂ в озоне очень слабая, поэтому даже при облучении видимым светом молекула озона будет фотодиссоциировать на исходные составляющие.

Отметим также, что реакция (3) является основным поставщиком атомов кислорода; её скорость на всех высотах тропосферы и стратосферы на три и более порядков выше скорости реакции (1).

Приведенный выше механизм был предложен в начале 1930-х годов английским геофизиком Чепменом и явился первой попыткой объяснить образование озонового слоя в атмосфере.

Из приведенной схемы видно, что если бы после образования озона можно было "выключить" Солнце, то накопленный озон сохранялся бы в атмосфере.

Так оно в действительности и происходит: накопленный за день в стратосфере озон ночью сохраняется на дневном уровне. Аналогичный механизм действует и в течение всего года. Он заключается в том, что образующийся в тропической стратосфере (где высок уровень коротковолнового УФ-излучения) озон процессами глобальной циркуляции переносится к полюсам, где в течение полярной ночи происходит его накопление. В результате во все сезоны больше всего озона находится в высоких широтах (особую роль антарктической и арктической весенних озоновых дыр мы обсудим ниже). Глобальный сезонный ход распределения общего содержания озона на всех широтах имеет максимум весной, что объясняется накоплением озона в зимний период.

К сказанному выше по поводу Чепменовского механизма образования атмосферного озона нужно добавить следующее.

Помимо реакции (4) к гибели озона приводят и реакции (5) и (6):

O3 + O3 O2 + O2 + O2,(5)

O + O + M O2 + M,(6)

хотя в последнем случае реагируют не молекулы озона, а атомы кислорода. Последнее обстоятельство объясняется тем, что атомы кислорода и молекулы озона образуют в атмосфере жёстко связанную систему частиц, называемую нечётным кислородом, в которой атомы O и молекулы О₃ формально неразличимы. Действительно, после образования молекулы озона и до её гибели через 0,6 года (на высоте 30 км) происходят быстрые взаимные превращения между O₃ и O, в которых частицы нечётного кислорода, O_x = O₃ + O, сохраняются.

Реакция (4) является основным и единственным процессом гибели молекул озона, в которой погибают две частицы нечётного кислорода - и молекула озона, и атом кислорода. Выбор истинной реакции гибели озона чрезвычайно важен. Ведь формально можно принять, что реакция О₃ + h О₂ + О - тоже приводит к гибели озона. Однако в этом случае время жизни молекул озона на высоте 30 км было бы 0,5 часа, а на высоте 15 км - двое суток и перенос озона из тропиков к полюсам (который требует месяцев) был бы невозможен. Только приняв, что озон (и атомарный кислород) погибают в реакции (4), можно правильно оценить и равновесную концентрацию озона и атомов кислорода, а также атмосферное время жизни этих частиц. Подчеркнём также, что поскольку в нашей концепции О₃ и О рассматриваются как одна и та же частица О_х, постольку и атмосферные времена жизни этих частиц одинаковы. Другими словами, если на высоте 30 км молекула озона живёт 0,6 года, то столько же живёт и атом кислорода.

Важность выбора реакции (4) как основного стока нечётного кислорода усиливается ещё и тем обстоятельством, что действие всех других естественных и антропогенных компонент, разрушающих озон, обусловлено исключительно ускорением этой реакции.

Это ускорение связано с появлением более быстрых параллельных путей основной реакции гибели нечётного кислорода:

O3 + 2X 2XO + 2O O2,

где X = OH, NO, Cl, Br и др.

Чрезвычайно важной особенностью реакций с участием частиц X является цепной характер этих процессов. В простейшем случае этот механизм включает следующие стадии:

1. Образование химически активных частиц Х, ведущих цепь.

2. Продолжение цепи

X + O3 XO + O2

XO + O X + O2

Результат:

O3 + O O2 + O2

3. Гибель частиц Х.

Заметим, что на стадии 2 частицы Х сохраняются (что и позволяет продолжать процесс), а молекулы нечётного кислорода погибают. Отношение скорости продолжения цепи к скорости гибели частиц Х определяет длину цепи процесса и число разрушенных частиц нечётного кислорода (или, попросту говоря, молекул озона, поскольку в сумме О₃ + О = О_х молекул озона гораздо больше, чем атомов О).

Из приведенного набора частиц Х, разрушающих озон, антропогенные факторы к настоящему времени смогли повлиять только на атмосферное содержание компонент, связанных с хлором и бромом. Но и этого оказалось достаточным, чтобы вызвать всеобщую тревогу, поскольку описанный цепной процесс может протекать с чрезвычайно высокой эффективностью, особенно для окислов азота и атомов галоидов. В этом случае длина цепи достигает сотен тысяч. Это означает, что один атом хлора, появившийся в стратосфере из одной молекулы фреона, может разрушить сотни тысяч молекул озона.

Только наличие такого мощного естественного химического ускорителя позволило антропогенным факторам оказать влияние на атмосферный озон, несмотря на то, что, например, скорость появления атомов хлора из фреонов в стратосфере в миллионы раз меньше скорости образования молекул озона солнечным светом. Подчеркнём здесь, что цепной механизм разрушения стратосферного озона является уникальной особенностью озонового слоя, не имеющей аналогов в газофазной химии атмосферы. Правда, эта уникальность сделала озоновый слой чрезвычайно чувствительным по отношению к антропогенным воздействиям. В результате человек чуть не разрушил то, благодаря чему он появился на Земле.

К счастью, такую возможность ещё 25 лет тому назад предсказали американские учёные Ф. Шервуд Роуланд и Марио Молина (за что в 1995 году им присудили Нобелевские премии в области химии), а затем были приняты Венская конвенция (1985 г.) и Монреальский протокол (1987 г.), запретившие производство озоноопасных веществ.

Пик озона находится на высоте 20-25 км, где его относительное содержание составляет около 5 ppm (part per million), т.е. около пяти молекул озона на миллион молекул воздуха.

Современные (т.е. в конце ХХ-го столетия) значения концентрации озона на разных высотах и его общее количество (т.е. содержание в столбе атмосферы) стали заметно меньше, чем 50 лет назад. Как теперь надёжно установлено, это явилось следствием появления в атмосфере антропогенных галоидсодержащих соединений (фреонов), широкое применявшихся в последние десятиления в промышленности и быту.

Молекулы фреонов являются чрезвычайно устойчивыми химическими соединениями, которые к тому же плохо растворяются в воде. По этим причинам, оказавшись в атмосфере вблизи поверхности Земли, они беспрепятственно проходят тропосферу, т.е. первые 10-15 км, и в конце концов добираются до стратосферы, где сосредоточено 90% атмосферного озона. Правда, это путешествие в стратосферу происходит довольно сложным образом, поскольку фреоны (как и все другие соединения) могут попасть в стратосферу с поверхности Земли только с тропическими конвективными потоками. Поэтому сначала им нужно добраться до тропиков. Это путешествие занимает около месяца. Конвекция наверх, т.е. до высоты 10-15 км занимает дни и даже часы, но чтобы подняться на высоту 35 км нужно 15 лет. Таким образом в принципе влияние на озоновый слой могут оказать только такие соединения, время жизни которых в атмосфере превышает несколько десятков лет. Поэтому фреоны, живущие 50 и более лет, способны разрушать стратосферный озон, а выбрасываемые у поверхности Земли окислы азота, время жизни которых равно нескольким дням, никакого влияния на стратосферный озон оказать не могут.

Необходимо отметить, что природные источники галогенов, например, вулканы или океаны вносят лишь не большой вклад в разрушение озонового слоя. В основном они не достигают стратосферы ввиду того, что являются водорастворимыми (в основном хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю.

Также природные соединения менее устойчивы, чем фреоны, например метилхлорид имеет атмосферное время жизни всего порядка года, по сравнению с десятками и сотнями лет для фреонов. Поэтому их вклад в разрушении стратосферного озона довольно мал. Даже редкое по своей силе извержение вулкана Пинатубо в июне 1991 года вызвало падение уровня озона не за счёт высвобождаемых галогенов, а за счёт образования большой массы сернокислых аэрозолей, поверхность которых катализировала реакции разрушения озона. К счастью, уже через три года практически вся масса вулканических аэрозолей была удалена из атмосферы. Таким образом, извержения вулканов являются сравнительно краткосрочными факторами воздействия на озоновый слой, в отличие от фреонов, которые имеют времена жизни в десятки и сотни лет.

На высотах более 30 км фреоны фотодиссоциируют под действием солнечного ультрафиолетового излучения, давая атомы хлора, которые цепным образом разрушают стратосферный озон по уже известному механизму. Следствием роста атмосферного содержания фреонов, производство которых непрерывно увеличивалось в последние десятилетия, явилось истощение озонового слоя.

2. ОЗОНОВАЯ ДЫРА

Однако наиболее ярким проявлением антропогенного воздействия на озоновый слой Земли явилось открытие в 1985 году английским геофизиком Фарманом антарктической весенней озоновой дыры, в которой истощение озонового слоя составляет 50 и более %.

Для всех, кто занимается озоном, это открытие явилось полной неожиданностью, поскольку озоновая дыра обнаружилась, казалось бы, в совершенно "мёртвой" зоне, где "нормальный" озон мог только сохраняться и накапливаться. И тем не менее дальнейшие наблюдения и исследования этого необычного явления убедительно показали, что оно явилось неизбежным следствием накопления в атмосфере озоноразрушающих антропогенных веществ. Правда, здесь "помогли" и совершенно уникальные метеорологические условия, существующие (пока) только в антарктической стратосфере.

Механизм явления заключается в следующем. В течение холодной антарктической зимы, когда температура нижней стратосферы опускается до -80 градусов Цельсия, холодный воздух начинает опускаться вниз, в результате чего под действием сил Корриолиса на высотах 15-20 км образуется полярный вихрь, изолирующий воздух внутри вихря от остального пространства.

В этих условиях внутри вихря образуются стратосферные полярные облака, частицы которых включают молекулы воды и азотной кислоты. На поверхности этих частиц протекают реакции, следствием которых является образование из малоактивных, достаточно устойчивых соединений хлора (HCl, ClONO₂) малоустойчивых молекул Cl₂ и HOCl.

Эти процессы идут в течение всей зимы, в результате чего к её концу в полярном вихре накапливается значительное количество слабосвязанных хлорных компонент. С восходом солнца в начале весны, т.е. в начале сентября, эти молекулы легко разрушаются солнечным светом, в результате чего образуются активные хлорные частицы, начинающие разрушать озон цепным путём.

Поскольку вихрь ещё существует и обмена с соседними, богатыми озоном областями стратосферы, не происходит, содержание озона быстро уменьшается и внутри вихря озон практически полностью уничтожается.

Далее происходит разогрев воздуха, распад вихря и расползание остатков дыры по Южному полушарию. Размеры этих остатков могут быть весьма внушительны, если учесть, что площадь дыры в четыре раза больше площади Европы и лишь немногим уступает площади Азии и Африки.

На первый взгляд кажется, что антарктическая озоновая дыра не представляет особой угрозы для окружающей среды и человека. Однако это не так. Не считая того, что остатки дыры по площади могут превосходить Австралию и создавать хотя и временные, но существенные повышения уровня Уф-излучения на поверхности, уже сейчас есть данные о том, что гетерогенный аэрозольный механизм разрушения антарктического озона "работает" и в средних широтах, а при дальнейшем неконтролируемом увеличении количества парниковых газов в атмосфере и связанного с ним охлаждения стратосферы и в средних широтах могут возникнуть "антарктические" метеорологические условия. И тогда дыра может оказаться и над головами жителей средних широт. Частично это уже происходит, поскольку в арктической стратосфере весной также возникает существенное понижение общего содержания озона, обусловленное тем же механизмом и теми же антропогенными причинами. Следы же распадающейся арктической озоновой дыры уже наблюдали и в Санкт-Петербурге, и в Москве.

Мы видим, что выброс галоидсодержащих антропогенных соединений в атмосферу привёл к заметным изменениям озонового слоя на всех широтах и к экстремальным изменениям в полярных областях. Эти изменения были зафиксированы разнообразными методами мониторинга озонового слоя, причём во всех значимых случаях убыли озона наблюдался рост уровня ультрафиолетового излучения на земной поверхности. Таким образом прогнозировавшееся 25 лет тому назад истощение озонового слоя под влиянием антропогенных факторов и последствия этого явления полностью подтвердились. Заодно укажем, что попытки дискредитировать предложенный механизм и объяснить явление истощения озонового слоя другими и, в частности, естественными причинами, явились следствием некомпетентности авторов в области атмосферной химии и не получили признания.

Понимание сути дела и принятые на этой основе меры, о которых говорилось выше, позволили остановить дальнейшее воздействие на озоновый слой и создать условия для его восстановления на "дофреоновом" уровне. Темпы восстановления (при соблюдении всех поправок к Монреалькому протоколу) определяются количеством накопленных в атмосфере озоноразрушающих антропогенных соединений и их атмосферными временами жизни, которые составляют десятки и даже сотни лет. Расчёты показывают, что процесс восстановления будет происходить в течение XXI столетия, причём к его середине "уровень восстановления" может составить 80 - 90%.

В принципе можно считать, что проблема озонового слоя XX-го столетия решена. Другими словами, можно не опасаться, что в ближайшие сто лет уровень атмосферного озона снова начнёт уменьшаться под влиянием человеческой деятельности. Но есть опасения, что в XXI-м веке в результате роста парникового эффекта восстановленный озоновый слой станет "толще", чем он был до начала своего истощения. Предварительные оценки показывают, что при бесконтрольном выбросе в атмосферу таких парниковых газов, как СО₂, метан, закись азота и др., которые приводят к нагреванию тропосферы и охлаждению стратосферы, это вполне вероятное событие. В этом случае уровень УФ-В излучения по сравнению с привычной нормой уменьшится, что чревато появлением ультрафиолетового голодания и другими экологическими неприятностями, которые ещё предстоит изучить.

озон экологический парниковый газ

3. МЕЖДУНАРОДНЫЕ СОГЛАШЕНИЯ

Уже первые признаки этих опасных явлений имели в 70-е годы большой общественный резонанс. Виновниками загрязнений воздуха вполне обоснованно считались промышленно-развитые страны, которые и должны были нести основные расходы по их устранению.

Обнародованные результаты фундаментальных научных исследований вызвали большую заинтересованность общественности и привели к принятию важных международных соглашений - Женевской конвенции о дальнем трансграничном переносе загрязняющих примесей и Протокола к ней о сокращении выбросов оксидов азота (принятых в 70-х годах), Венской конвенции о защите озонового слоя (1985) и Монреальского протокола об ограничении и запрещении производства озоноопасных хлорфторуглеводородов (1987), Конвенции об изменении климата (Рио-де-Жанейро, 1992) и Протокола об ограничении выброса парниковых газов (Киото, 1997).

Если первые соглашения по трансграничному переносу носили скорее рекомендательный характер, то последующие содержали уже обязательные к исполнению конкретные требования. Беспрецедентным в этом отношении явился Монреальский протокол. Тщательно подготовленные и сформулированные цели, требования и санкции за их неисполнение продемонстрировали возможность решения сложнейших экологических проблем. В 1987 г. его подписали 36 стран. Предусматривалось сначала заморозить на уровне 1986 г., а к 1993 г. сократить на 20% производство наиболее опасных хлорфторуглеводородов. Эти требования были выполнены даже раньше срока. В 1990 г. в Лондоне правительства 92 стран приняли обязательства полностью прекратить производство озоноразрушающих веществ к 2000 г. В число запрещаемых соединений были дополнительно включены широко используемые в народном хозяйстве и в быту четыреххлористый углерод, метилхлороформ, метилбромид. В 1992 г. в Копенгагене срок прекращения производства хлорфторуглеводородов был перенесен на 1996 г., а список озоноразрушающих веществ пополнился целым семейством соединений - гидрохлорфторуглеводородами. Они должны быть полностью исключены из производства и потребления к 2030 г.

Страны третьего мира пока участвуют в процессе скорее как заинтересованные сторонние наблюдатели. С одной стороны, не имея развитых научных центров, они не могут ставить под сомнение результаты исследований, согласно которым самые тяжелые последствия уменьшения озона и потепления климата ожидают именно население тропического пояса. С другой стороны, экологические требования и санкции пока не затрагивают развивающиеся страны. По Протоколу, принятому в Киото, они не имеют никаких конкретных обязательств. А по Монреальскому протоколу обязательства не являются жесткими, так как эти страны были ориентированы не на производство, а на потребление озоноразрушающих веществ. К тому же цена основных заменителей фреонов Ф-11 и Ф-12 составляет примерно 3 долл. США за килограмм, в то время как килограмм озоноразрушающих фреонов стоил 5 долл.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) http:// iklarin. narod. ru/chemlife.htm

2) http:// www moles. ee/03/sep/16/15-1. php

3) http:// fynan. ru/ razrushenie-ozonovogo-sloya-ze…

4) http:// ru. wikipedia. org/wiki/ Озоновая дыра

5) http:// ust-razvitie. narod. ru/ ozonelr. Hat

Размещено на Allbest.ru