Промышленное разрушение озонового слоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Промышленное разрушение озонового слоя

Введение

озоновый слой дыра разрушение

"Дело в том, что относительно небольшая "озоновая дырка" есть над каждым промышленным центром, то есть вся совокупность выбросов в атмосферу не только приводит к усилению парникового эффекта, не только плохо влияет на дыхательные органы и сердечно-сосудистую систему человека, но и вносит свой вклад в разрушение озонового слоя. Поэтому путь к преодолению проблемы озонового слоя пролегает там же, где пролегает путь к общему оздоровлению экологической ситуации и к причине негативных климатических изменений, - это техническое перевооружение производства, которые бы имело своей целью сокращение, минимизацию вредных выбросов в атмосферу. Эта та задача, вокруг которой консолидируются все страны, и общество в нашей стране", - сообщил эксперт по природоохранной и экологической политике Сергей Курыкин [10].

Озоновый слой (рис.1,2) это воздушный слой в верхних слоях атмосферы (стратосфере) состоящий из особой формы кислорода - озона. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода (О3). 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).

Человек воздействует на озоновый слой различными способами - проявлениями его хозяйственной деятельности: проведением ядерных взрывов, полетами высотных самолетов и космических аппаратов, производством и функционированием холодильных агрегатов и бытовых аэрозолей. Наиболее опасными загрязнителями атмосферы являются промышленные выбросы (ежегодно в атмосферу выбрасывается более 300 млн. т окиси и двуокиси серы, 50 млн. т окиси азота, 300 тыс. т свинца); к ним присоединяются продукты сгорания топлива на транспорте: каждый автомобиль выбрасывает за год 1 кг свинца, воздушный лайнер за 7 часов полета сжигает 35 т кислорода, необходимого для образования озона.
В результате этих причин озоновый слой начинает истончаться по сравнению со своим естественным состоянием, а при некоторых условиях над определенными территориями и вовсе исчезать - появляются озоновые дыры, чреватые необратимыми последствиями. Сначала они наблюдались ближе к южному полюсу Земли, но недавно были замечены и над азиатской частью России [2].

К разрушению озонового слоя приводят и такие химические вещества, как фреоны, использующиеся в холодильной промышленности и в аэрозолях. Окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах и в камерах сгорания реактивных самолётов и ракет. Причём последнее особенно вредно, так как на больших высотах окислы азота живут очень долго. Применение большого количества минеральных удобрений тоже вредит озоновому слою. Дымовые газы электростанций вырабатывают миллионы тонн закиси азота в год.

Таким образом, большая часть воздействия на озоновый слой планеты связана с хозяйственной деятельностью человечества. Поэтому быстрого изменения ситуации ждать не стоит. Ведь человечество не может взять и отказаться от использования минеральных удобрений или быстро перейти на новые технологии производства холодильных установок.

О нарушении озонового слоя свидетельствовали озоновые дыры появлявшиеся весной над Антарктикой. Там благодаря особой циркуляции воздуха в атмосфере в зимние и весенние месяцы, присутствующие в стратосфере химические вещества, такие как хлор, фтор, азот, метан и др., преобразуются в активные, которые быстро разрушают озон. Измерения показали, что в такие периоды концентрация окиси хлора в 100-500 раз больше чем в средних широтах. То есть вредные вещества, которые попадают в атмосферу переносятся движением воздуха на все широты, но только в Антарктике в конце зимы и весной, благодаря особым природным условиям они эффективно разрушают стратосферный озон. Но это не значит что проблема озоновой дыры в Антарктике региональная, а не глобальная.

Весь озон на планете находится как бы в сообщающихся сосудах, в одних районах он образуется регулярно, а в других плохо, где-то он живёт годы, а где-то секунды. Соответственно если он исчезнет без компенсации в одном месте, то общий объём озона в мире уменьшится. Но в нашем техногенном мире, перекись азота, поступающая в приземной воздух больших городов в составе автомобильных выхлопных газов реагирует при ультрафиолетовом облучении с ненасыщенным углеводородом, тем самым, формируя в больших городах озоновый смог. В приземном слое воздуха озон не только образуется, но и разлагается. Разложение происходит за счёт растений, животных и промышленных выбросов.

Озоновый слой в стратосфере важен тем, что он поглощает определённый диапазон солнечного излучения. Сама земля тоже испускает излучение в инфракрасном спектре. Так вот часть этого излучения тоже задерживается озоном, тем самым, предохраняя планету от охлаждения. Главной функцией озона является защита человека и всей биосферы планеты от жёсткого ультрафиолетового излучения с длинами волн от 250 до 320 нм. Закись азота обнаруживается также и в дымовых газах электростанций. Это очень сильный источник влияния на атмосферу.

Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона [6].

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

· воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон

· соединения хлора в атмосфере разрушают озон

Ученые пришли к заключению, что соединения хлора, называемые хлорфторуглеродами (ХФУ), которые широко использовались в промышленности и в быту, несут ответственность за разрушение озонового слоя земли. Некоторые виды хлорфторуглеродов использовались в качестве охладителей в холодильных установках и кондиционерах. Другие ХФУ применялись для производства поролонов и пенопластов - материалов, широко используемых во многих потребительских товарах, начиная от одноразовой пенопластовой посуды и заканчивая изоляционными материалами. Хлорфторуглероды нашли широкое применение в баллонах для распыления аэрозолей и в качестве веществ для промывания электрооборудования.

В 1996 году ученые Ш. Роуланд, М. Молина из Калифорнийского университета в США и П. Крутцен из Института химии им. Макса Планка в Германии были удостоены Нобелевской премии за установление причин снижения концентрации стратосферного озона. Они смогли доказать, что основными разрушителями озона являются атомы хлора или брома, отделившиеся под действием солнечной радиации от молекул синтезированных человеком химических веществ, относящихся к классу галоидированных углеводородов. К числу основных озоноразрушающих веществ (ОРВ) были отнесены хлорфторуглероды (ХФУ) (международное обозначение - CFC), такие как фтортрихлорметан (ХФУ-11 или CFC-11), дифтордихлорметан (ХФУ-12 или CFC-12) и др., фторхлорбромуглероды, иначе называемые галонами, а также гидрохлорфторуглероды (ГХФУ) (международное обозначение - HCFC), метилбромид, метилхлороформ (МХФ) и четыреххлористый углерод (ЧХУ). Эффективность уничтожения ими озона характеризуется так называемым потенциалом озоноразрушения (ОРП): эта эффективность считается высокой при ОРП > 1, низкой при ОРП = 1 и, естественно, нулевой при ОРП = 0.

Негорючие, малотоксичные, легколетучие (что является одновременно их и положительным и отрицательным для озонового слоя свойством), не сложные в производстве и не создающие проблем при хранении ХФУ получили широкое распространение первоначально как хладагенты в холодильниках и кондиционерах, а затем стали применяться как пропелленты (распылители) в аэрозольных упаковках различного назначения, очистители для электронных приборов и при химической чистке одежды.

Галоны, наиболее распространенными из которых являются дифторхлорбромметан (галон-1211) и трифторбромметан (галон-1301), уже в середине 40-х годов стали эффективными средствами пожаротушения. Сейчас галон-1301 широко используется пожарными службами многих стран.

Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества, поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. Как это ни парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными для атмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 15 км), как это происходит, например, с большей частью оксидов азота, и в конце концов проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующего действия озона.

Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы ХФУ, которые распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционной способностью, в частности атомарный хлор. Таким образом ХФУ переносит хлор с поверхности Земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертные соединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрацией озона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобно катализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается. Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона прежде, чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ в атмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическом случае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленного результата достичь не удастся: действие уже попавших в атмосферу ХФУ будет продолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере для двух наиболее широко используемых ХФУ фреон-11 (CFCl3) и фреон-12 (CF2Cl2) составляет 75 и 100 лет соответственно.

В настоящее время в мире производится более 1,4 млн. т фреонов, в том числе на страны ЕЭС приходится 40 %, США -- 35 %, Японию - 12 % и Россию - 8 % [5].

Разрушению озона в стратосфере помимо ХФУ и галлонов способствуют и другие химические соединения, такие как тетрахлорметан, метилхлорформ, метилбромид и др. Причем особую опасность представляет метилбромид, который в атмосфере разрушает озона в 60 раз больше, чем хлорсодержащие фреоны. В последние годы промышленно развитые страны стали широко применять метилбромид в сельском хозяйстве для борьбы с почвенными нематодами. При обработке овощей и плодов (Испания, Греция, Италия), в составе средств пожаротушения, добавок к средствам дезинфекции и др. Ежегодно увеличивается производство метилбромида на 5-6 %, причем более 80 % дают страны ЕЭС, США. Это токсичное химическое вещество не только существенно разрушает озоновый слой, но и является весьма вредным для здоровья человека (мутагенное и канцерогенное воздействие). Так, в Нидерландах запретили использование метилбромида из-за отравления людей питьевой водой, в которую этот компонент попал по сточным трубам [1,9].

В Монтреале была принята система, по которой озоноразрушающие вещества подразделялись по следующим критериям: способность разрушать озон и продолжительность их жизни в атмосфере. Ниже приведена таблица этих веществ, взятая из Федерального реестра 1988-го года (английская аббревиатура CFC обозначает «хлорфтороуглерод»):

Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ

Механизм образования, а также расходования озона, был предложен Сиднеем Чэпманом в 1930 году и носит его имя.

Реакции образования озона:

О2 + hн > 2О

О2 + O > О3

Фотолиз молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны 175--200 нм и до 242 нм.

Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом:

О3 + hн > О2 + О

О3 + O > 2О2

Кроме реакций, входящих в механизм Чэпмана, имеется целый ряд других реакций, приводящих к гибели озона. Их все объединяют в несколько семейств, главными из которых является азотное, кислородное (из механизма Чэпмана), водородное и галогеновое. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.

Азотный цикл (NOx):

N2O + O(1D) > NO + NO

О3 + NO > NO2 + О2

NO2 + О > NO + О2

Водородный цикл (HOx) :

Н2O + O > OH + OH

ОН + О3 > НО2 + О2

НО2 + О3 >ОН + 2О2

Хлорный цикл (ClOx):

CFCl3 + hн > CFCl2 + Cl

Cl + O3 > ClO + O2

ClO + O > Cl + O2 [4].

Более важной является другая реакция:

ClO+NO2=ClONO2

Образующийся в ее ходе хлористый нитрозил является так называемым резервуаром хлора. Содержащийся в нем хлор неактивен и не может вступить в реакцию с озоном. В конце концов, такая молекула-резервуар может поглотить фотон или вступить в реакцию с какой-нибудь другой молекулой и высвободить хлор, но она также может покинуть стратосферу. Расчеты показывают, что если бы в стратосфере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бы намного быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлористый водород HCl, образующийся при реакции атомарного хлора и метана СH4.

Некоторые ученые оспаривали наличие непосредственной связи между выбросами ХФУ и уменьшением содержания озона в стратосфере на том основании, что, во-первых, относительно большая молекулярная масса ХФУ препятствует попаданию этих веществ в стратосферу в ощутимом количестве, а во-вторых, соединения хлора, поступающие в верхние слои атмосферы из природных источников, например из морской воды или при извержении вулканов, должны в значительной мере перекрывать эффект, оказываемый ХФУ. Однако специалисты в этой области указывают на то, что движения крупных воздушных масс перемешивают тяжелые и легкие молекулы газов в равной мере и что хлорсодержащие соединения естественного происхождения вымываются из атмосферы дождями и только ничтожное количество их достигает стратосферы; в то же время ХФУ, нерастворимые в воде и химически крайне инертные, сохраняются и в конечном итоге попадают в стратосферу.

Многое остается неясным. Так, например, не доказано, что интенсивность ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли, действительно возрастает. Кроме того, степень сезонного уменьшения содержания озона колеблется, из чего следует, что на этот процесс существенное влияние оказывают какие-то другие факторы помимо концентрации ХФУ; это могут быть природные изменения в характере атмосферной циркуляции или выделение серной кислоты при извержении вулканов [7].

В 2006 году выбросы ХФУ могут превысить 60 тонн, тогда как технически их объем можно было бы сократить за счет усовершенствования практики производства [3].

Производство ОРВ в России и их экспорт. Производство ОРВ в России достигло максимума в 1990 году и составило 197490 тонн, в том числе ХФУ - 110140 тонн, галонов - 4250 тонн, ЧХУ - 61000 тонн, МХФ - 3100 тонн и ГХФУ - 19000 тонн. В 1996 суммарное производство ОРВ снизилось до 47575 тонн, в то числе ХФУ - до 17122 тонн, галонов - до 222 тонн, ЧХУ - до 17582 тонн, ГХФУ - до 12649 тонн, а производство МХФ было прекращено полностью. Из произведенных ОРВ в 1990 году внутри страны было использовано 47575 тонн или 58,8 %, а в 1996 году - 15408 тонн или 32,4%. Оставшаяся часть была экспортирована в республики СНГ, развивающиеся страны и частично, в нарушение решений встреч сторон МП, в развитые страны.

Так, в 1994 году было экспортировано 2995 тонн ХФУ-11, 15645 тонн ХФУ-12 и 605 тонн ХФУ-113, а также 3066 тонн ЧХУ и 1640 тонн МХФ. В 1995 году по этим же позициям было экспортировано соответственно 2255, 15020, 1331, 2486 и 1874 тонн.

Основными секторами промышленности, потребляющими ОРВ в России, являются: производства аэрозольных упаковок (46%), холодильной техники (бытового, торгового и промышленного назначения) и кондиционеров (27%), пенопластов (11%), средств пожаротушения (14%), а также использующие ХФУ в качестве растворителей (2%) [8].

Под давлением этих аргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращение производства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использование ХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено не было. В сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали в Монреале конвенцию, обязывающую их снизить потребление ХФУ. Согласно достигнутой договоренности развитые страны должны к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня 1986 г. Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найден неплохой заменитель ХФУ - пропанобутановая смесь. По физическим параметрам она практически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем не менее, такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и в России. Сложнее обстоит дело с холодильными установками - вторым по величине потребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеют высокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках и кондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак, но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохие результаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многих странах ведутся разработки новых заменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью эта проблема еще не решена.

Использование фреонов продолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, по данным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях - на берегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных и густонаселенных районов - концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее время растет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере фотохимические активных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению с уровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.

Вместе с тем, ранние прогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровня выброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упасть вдвое, возможно были слишком пессимистичны. Во-первых, дыра над Антарктидой во многом является следствием метеорологических процессов. Образование озона возможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет. Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притоку богатого озоном воздуха со средних широта. Поэтому к весне даже небольшое количество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою. Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушарии падение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают, что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает ниже -80°. Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают и остаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы способны катализировать распад озона и резервуаров хлора. Все это говорит о том, что ХФУ способны вызвать заметное понижение концентрации озона только в специфических атмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах, концентрация активного хлора должна быть намного выше. Во-вторых, при разрушении озонного слоя жесткий ультрафиолет начнет проникать глубже в атмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему, но только немного ниже, в области с большим содержанием кислорода. Правда, в этом случае озонный слой будет в большей степени подвержен действию атмосферной циркуляции.

Хотя первые мрачные оценки были пересмотрены, это ни в коем случае не означает, что проблемы нет. Скорее, что стало ясно нет серьезной немедленной опасности. Даже наиболее оптимистичные оценки предсказывают при современном уровне выброса ХФУ в атмосферу серьезные биосферные нарушения во второй половине XXI в., поэтому сокращать использование ХФУ по-прежнему необходимо [6].

Заключение

Вследствие промышленной деятельности человека и природы атмосфера Земли загрязняется различными веществами начиная от пыли и заканчивая сложными химическими соединениями. Итогом этого служит прежде всего глобальное потепление климата и разрушение озонового экрана планеты. Малые изменения в химическом составе атмосферы кажутся незначительными для атмосферы в целом. Но следует напомнить, что редкие газы, входящие в состав атмосферы, могут оказать значительное влияние на климат и погоду.

Размещено на Allbest.ru