Озоновые дыры. Экологические проблемы человечества

Озоновые дыры. Экологические  проблемы человечества

 

 

                                                           Введение

 

         “Можно,  пожалуй,  сказать,  что   назначение   человека   как   бы

заключается в том, чтобы  уничтожить свой род, предварительно  сделав  земной

шар непригодным для обитания”.

        Ж.Б.Ламарк.

 

      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 маштабам воздействие, какое  могли  оказать

люди каменного века, если бы их численность составила 50  млрд.  человек,  а

количество высвобождаемой энергии, получаемой землёй от солнца.

        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.

          Расход  невозобновимого  сырья   повышается,  всё  больше  пахотных

земель выбывает из экономики, так как на  них  строятся  города   и  заводы.

Биосфера Земли 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.

          Прогрессирует  и  накопление   углекислого   газа   в   атмосфере.

Дальнейшее развитие этого  процесса будет усиливать  нежелательную  тенденцию

в сторону повышения среднегодовой  температуры на планете.

          В результате  перед  обществом   возникла  дилемма:  либо  бездумно

катиться  к  своей   неизбежной   гибели   в   надвигающейся   экологической

катастрофе, либо сознательно  превратить созданные  гением  человека  могучие

силы науки и техники  из орудия, ранее обращенного против  природы  и  самого

человека,  в  орудие  их  защиты  и  процветания,  в  орудие   рационального

природопользования.

          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.

  Всемирная организация  здравоохранения определила,  что   здоровье  человека

на 20% зависит от его  наследственности,  на  20%  от  состояния  окружающей

среды, на 50% от образа жизни  и на 10% от медицины. В ряде  регионов  России

к  2005  году  предполагается   следующая  динамика  факторов,  влияющих  на

здоровье человека: роль экологии возрастет до  40%,  действие  генетического

фактора  увеличится  до  30%,  до  25%  уменьшится  возможность  поддержания

здоровья за счёт образа жизни  и до 5% снизится роль медицины.

      Характеризуя  современное состояние экологии,  как  критическое,  можно

выделить  главные  причины,  которые  ведут  к   экологической   катастрофе:

загрязнение, отравление  среды  обитания,  обеднение  атмосферы  кислородом,

озоновые дыры.

      Целью   настоящей  работы  явилось   обобщение  литературных  данных   о

причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также  способах  решения

проблемы образования  “озоновых дыр”.

 

 

 

1. Озон и его роль  в природе

Химические и биологические  особенности озона.

 

        Озон  является  аллотропной  модификацией  кислорода.  Его  молекула

диамогнитна  (в  отличие  от  парамагнитной  О2  ),  имеет   угловую   форму

                                     О

                                                          О            О

¶ связь в молекулу является делокализованной  трехцентровой,  предполагается

также донорно-акцепторный  механизм образования химических связей в озоне:

                                      О                                    О

 

 

 

                      О             О                 О                О

 

 

 

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.

 

1.2. 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:

O2+h    O+O ;                    O+O3   2O2;                         O3+h

O2+O;

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.

 

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+H2O    OH+OH

В образовании озона в  тропосфере участвуют оксиды озона:

                                  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:

Н2О+h     H+OH

                  H2O+O     2OH

Определённый вклад в  образование  ОН-групп в тропосфере могут давать

реакции фоторазложения HNO2, HNO3, H2O2

                             HNO2+h (L<400нм)    NO+OH

                     HNO3+h (L<330нм)     NO2+OH

                     H2O2+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 органических 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   Н2О +СН3

                          СН3+О2    СН3О2

                          СН3О2+NО   СН3О+NО2

 

                          СН3О+О2    СН2О+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   СН2О+Н2О+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+СН2О   Н2О+НСО

                                  НСО+О2      НО2+СО

 

1.4. 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. CF2Cl2

CF2Cl+Cl

 

Последующие реакции CF2Cl с  О2 и h    приводят к отщеплению второго атома

хлора.

 

 Хлор «съедает» и  озон, и атомарный кислород  за  счет  протекания  довольно