Проблема озоновых дыр

   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 

1.1.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. 
 

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. 
 

1.3.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 

                         

  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  быстрых реакций: 

О3 + Сl = О2 + ClO