Проблеми руйнування озонового шару

Зміст

 

1. Вступ

 

2. Властивості озону

 

3. Види викидів

• Викиди висотних літаків і ракет
• Хлорофторовуглеці (ХФВ), або фреони

 

4. Кислотні дощі

 

5. Шляхи вирішення проблеми

 

6. Висновок

 

Вступ

Озоновий шар (озоносфера) - частина стратосфери на висоті від 12 до 50 км (в тропічних широтах 25-30 км, у помірних 20-25, в полярних 15-20), в якій під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця молекулярний кисень (О2) розщеплюється на атоми, які потім з'єднуються з іншими молекулами О2, утворюючи озон (О3).

 

 Озон в атмосфері  Землі

 

 

Відкрили існування озонового  шару французькі фізики Шарль Фарбі  і Анрі Буіссон. В 1913 році їм вдалось за допомогою спектрографічних досліджень ультрафіолетового випромінювання довести існування озону у віддалених від Землі шарах атмосфери.

 

Озоновий шар охоплює  всю Землю, але його товщина сильно змінюється, зростаючи від екватора до полюса. Озон утворюється протягом усього року в стратосфері над  екваторіальним поясом. Завдяки перенесенню  його повітряними течіями він  переміщається в напрямку полярних широт.

 

Озон має значні варіації протягом року, причому вони мінімальні над тропіками і максимальні  у високих широтах. Максимальні  значення вмісту озону на всіх широтах  спостерігаються в кінці зими і навесні, мінімальні - восени і  на початку зими. Зі збільшенням  широти відбувається зсув часу настання максимуму на більш пізні місяці.

 

Відносно висока концентрація озону (близько 8 мл/) поглинає небезпечні ультрафіолетові промені і захищає все живе на суші від згубного випромінювання.

 

Вчені спостерігають методичне руйнування озонового шару. В атмосфері значно знизився вміст озону, більш того, була виявлена так звана «діра», яка розташовується над Антарктидою. На жаль, площа цієї діри збільшується з кожним роком, і на сьогоднішній момент її площа перевищує за розмірами саму Антарктиду.

 

Руйнування озонового  шару не проходить непомітно для  людства, так, наприклад, в країнах, які знаходяться в безпосередній  близькості до материка, спостерігається  ріст захворювань. В основному це захворювання, пов’язані з підвищеним УФ-фоном, такі як катаракта, рак шкіри та інші.

 

Вчені з північної півкулі  також спостерігають зниження вмісту в атмосфері озону і повідомляють про виникнення озонової "дірки" над Шпіцбергеном.

 

Чим загрожує руйнування озонового  шару Землі? Наслідки можуть бути дуже жахливими, в першу чергу, це відбивається на зборі врожаю, який значною мірою зменшується. Далі спостерігаються мутації рослин і тварин, а також зростання захворювань. Страшно подумати, що озоновий шар може зникнути зовсім, адже це неминучим чином може призвести до загибелі фауни і флори.

 

Основні причини руйнування озонового шару таяться в діяльності людини. Прагнучи забезпечити своє комфортне існування, людина створює  і використовує різні промислові технології. Усілякі аерозольні розприскувачі, які містять фреони (хлорфторметани), є безпечними для людини, але при цьому зберігаються в атмосфері більше 70 років.

 

Справа в тому, що в  атмосфері накопичуються речовини, які призводять до руйнування озону. Діяльність хімічної промисловості  дуже сприяє потраплянню в повітря  таких речовин. В першу чергу, руйнування озонового шару відбувається під впливом хлору, один атом якого  розкладає 100 000 молекул озону.

 

Сприяє руйнуванню нашого «щита» та військова діяльність. Двигуни  балістичних ракет, які використовуються військовими, викидають в атмосферу  величезна кількість шкідливих  оксидів азоту. Кожен запуск однієї такої ракети в космос утворює  величезну «діру» в озоновому  шарі. Через лише кілька годин така «діра» затягується.

 

 

Руйнування озону відбувається через вплив ультрафіолетової радіації, космічних променів, деяких газів: сполук азоту, хлору і брому, хлорфторвуглеців. Діяльність людини, що призводить до руйнування озонового шару, викликає найбільшу тривогу.

 

Властивості озону:

- Здатність поглинати  біологічно небезпечне ультрафіолетове  випромінювання Сонця.

- Озон – найсильніший  окисником (просто кажучи – отрута), тому приземний озон небезпечний.

- Здатність поглинати  інфрачервоне випромінювання земної  поверхні.

- Здатність прямим і  непрямим чином впливати на  хімічний склад атмосфери.

Оскільки механізм створення  молекул озону перебуває в  балансі з механізмом їхнього  руйнування, то середня кількість  озону в стратосфері вчені  вважають величиною порівняно постійної  з моменту утворення сучасної атмосфери Землі.

На відміну від інших  атмосферних складових озон з’явився в атмосфері винятково хімічним шляхом і є наймолодшим атмосферним  компонентом. З екологічної точки  зору, найціннішою властивістю озону  є його здатність поглинати біологічно небезпечне ультрафіолетове випромінювання Сонця; у той же час як хімічна  сполука озон є найсильнішим окисником (попросту отрутою), здатним при безпосередньому контакті отруїти ту саму флору й фауну, що він захищає в якості стратосферного озонового шару. Крім цього, озон є ефективним парниковим газом. І, нарешті, озон  впливає на малі активні складові атмосфери, а через них – і на стабільні компоненти, які, як і сам озон, поглинають й ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання. Тим самим озон робить не тільки прямий, але й непрямий вплив на парниковий ефект і рівень ультрафіолетового випромінювання на поверхні Землі.

Практично єдиним джерелом озону в атмосфері є фотодисоціація молекулярного кисню на атоми з наступним швидким присипанням атома до молекули O2 з утворенням молекули озону:

 O₂ + hn = O + O (1)

O + O₂ + M = O₃ + M (2)

 
(тут М – будь-яка  молекула повітря).

Цей процес відбувається на висотах більше 30 км, оскільки нижче  цієї висоти короткохвильове сонячне  випромінювання не проникає. У результаті досить високо в атмосфері з’являються  молекули озону й атоми кисню.

Загибель атмосферного озону  відбувається в результаті наступних  процесів:

O₃ + hn = O + O₂ (3)

O + O₃ = O₂ + O₂ (4)

 

Таким чином, атоми, що утворилися колись із молекул кисню, знову з’єднуються  в молекулу. Відзначимо тільки, що, для  того щоб «розвалити» молекулу озону, короткохвильове випромінювання не потрібне. Зв’язок атома О с  молекулою О2 в озоні дуже слабкий, тому навіть при опроміненні видимим  світлом молекула озону буде фотодисоціювати на вихідні складові.

Відзначу також, що реакція (3) є основним постачальником атомів кисню; її швидкість на всіх висотах  тропосфери й стратосфери на три  й більше порядки вище швидкості  реакції (1).

Наведений вище механізм був  запропонований на початку 1930-х років  англійським геофізиком Чепменом і з’явився першою спробою пояснити утворення озонового шару в атмосфері.

Озон у стратосфері  постійно народжується й гине, отже, його шар складається з рівноважної  кількості. А оскільки ця рівновага  рухлива, то товщина озонного шару може змінюватися. Спостерігаються добові, сезонні коливання вмісту озону, а також цикли, пов’язані з  багаторічними змінами сонячної активності. Найбільша кількість  озону (46 %) утвориться в стратосфері  тропічного поясу, там максимум його щільності перебуває приблизно  на висоті 26 км від поверхні. У середніх широтах він розташовується нижче: узимку – на висоті 22 км, а влітку – 24 км. У полярних районах висота максимуму становить усього 13-18 км, і тут озон найбільш інтенсивно переноситься в нижні шари атмосфери.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Існує велика кількість причин ослаблення озонового щита, викликаного  антропогенною діяльністю. Загалом  їх можна об’єднати у дві групи.

 

 

 

1. Викиди висотних літаків і ракет

 

По-перше, – це запуски  космічних ракет. Паливо, що згорає, «випалює» в озоновому шарі більші діри. Колись передбачалося, що ці «діри» затягуються. Виявилося, ні. Вони існують  досить довго.

По-друге, – літаки. Особливо ті, що летять на висотах в 12-15 км. Пара, що викидається ними, й інші речовини руйнують озон. Але, у той же час  літаки, що літають нижче 12 км, дають  збільшення озону. У містах він –  один зі складових фотохімічного  смогу.

По-третє, – окиси азоту. Їх викидають ті ж літаки, але  найбільше їх виділяється з поверхні ґрунту, особливо при розкладанні  азотних добрив.

Оскільки на сьогодні польоти  на надзвукових літаках здійснюються не дуже часто, вони не наносять істотної шкоди озоновому шару. Запуски  ракет відбуваються також не занадто  часто, але вони можуть наносити дуже серйозний збиток озоновому шару. Так, при загальній масі орбітального корабля «Спейс Шаттл» сто сорок три з половиною тонни в процесі підйому до висоти 50 км твердопаливна ракетна система викидає 187 тонн і його сполук, 7 тонн оксидів азоту й знищує за політ 10 000 000 тонн озону. Це дуже багато, тому що в земній атмосфері втримується всього 3 000 000 000 тонн озону.

Оксиди азоту відіграють важливу роль у формуванні й руйнуванні озону, причому в стратосфері  відбувається каталітичне руйнування озону, а в тропосфері – каталітичне  формування.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Хлорофторовуглеці (ХФВ), або фреони

Колись фреони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні  речовини, оскільки вони дуже стабільні  й неактивні, а виходить, не токсичні. Як це не парадоксально, але саме інертність цих сполук робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, що простирається від  поверхні землі до висоти 10 км), як це відбувається, наприклад, зі здебільшого  окислів азоту, і зрештою проникають у стратосферу, верхня границя якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули ХФВ піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетового випромінювання (рис. 1), що не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону. Ультрафіолет руйнує стійкі у звичайних умовах молекули фреонів, які розпадаються на компоненти, що мають високу реакційну здатність, зокрема, атомний хлор. Таким чином, ХФВ переносить хлор з поверхні землі через тропосферу й нижні шари атмосфери, де менш інертні сполуки хлору руйнуються, у стратосферу, до шару з найбільшою концентрацією озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: у ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону перш ніж буде дезактивований або повернеться в тропосферу. Зараз викид фреонів в атмосферу обчислюється мільйонами тонн, але варто помітити, що навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва й використання ХФВ негайного результату досягти не вдасться: дія фреонів, які вже потрапили в атмосферу, буде тривати кілька десятиліть. Вважається, що час життя в атмосфері для двох найбільш широко використовуваних ХФВ: фреон-11 (CFCl3) і фреон-12 (CF2Cl2) становить 75 і 100 років відповідно.

Рис. 1 Руйнування озонового шару Землі фреонами

Один з найбільш вражаючих  доказів того, що хлор дійсно є агентом, відповідальним за появу озонової діри, з’явився у вересні 1987 р., коли вчені  пролетіли на літаку з Південної  Америки прямо до Південного полюса, у зону озонової діри. Збільшення й  зменшення концентрації озону є  майже точним дзеркальним відбиттям  зменшення й збільшення концентрації ClО. Більш того, концентрація Cl у самій озоновій дірі в сотні разів перевищує будь-який рівень, який можна було б пояснити з погляду атмосферної хімії. Це явище часто називають «димовою рушницею». Навіть виробники ХФВ переконалися в тому, що озонову діру не можна вважати нормальним явищем. Це свідчення глибоких змін в атмосфері, викликаних штучними хлоровмісними забруднювачами.

• Причини появи озонової діри

 Ученим треба було кілька років, щоб знайти пояснення появі озонової діри. Воно виявилося таким.

Оскільки Антарктида оточена  океаном, вітри можуть безупинно  циркулювати навколо континенту, на якому немає гірських ланцюгів. Під час південної зими вони утворять навколо полюсний вихор, лійку з  вітрів, що збирає повітря над Антарктидою  й утримує його, не дозволяючи змішуватися  з іншою атмосферою. Цей вихор  служить ізольованим «реакційним  казаном» для полярних атмосферних  хімічних сполук (він значно сильніше того, що утворюється над Північним  полюсом, тому північна озонова діра проявляється значно слабше).

 

 

Рис. 2 Озонова діра над Антарктидою

 

 

 

 

 

 

 

• Заходи, які спрямовані на скорочення виробництва й використання фреонів.

Під тиском аргументів, наведених  вище, багато країн почали вживати  заходи, спрямовані на скорочення виробництва  й використання фреонів. З 1978 р. у  США було заборонене використання фреонів  в аерозолях. На жаль, використання фреонів в інших галузях обмежене не було. У вересні 1987 р. 23 провідні країни світу підписали в Монреалі протокол, що зобов’язує їх знизити споживання ХФВ. Сьогодні під ним підписалося  близько 150 країн.

 

До того, в 1985 р. було підписано  Віденську конвенцію про охорону  озонового шару, у якій розвинені  країни визнавали факт проблеми руйнування озонового шару.

Відповідно до досягнутої домовленості в Монреалі розвинені  країни повинні були до 1999 р. знизити  споживання хлорофторовуглеців до половини рівня 1986 р. Для використання в якості пропеллента (тобто інертної хімічної речовини, за допомогою якої створюється надлишковий тиск) в аерозолях уже знайдений непоганий замінник фреонів – пропан-бутанова суміш. За фізичними параметрами вона практично не поступається фреонам, але, на відміну від них, вогненебезпечна. Проте, такі аерозолі вже виробляються в багатьох країнах. Складніша справа з холодильними установками – другим за величиною споживачем фреонів. Річ у тім, що через полярність молекули ХФВ мають високу теплоту випаровування, що дуже важливо для робочого тіла в холодильниках і кондиціонерах. Кращим відомим на сьогодні замінником фреонів є аміак, але він токсичний і все-таки поступається фреонам за фізичними параметрами. Непогані результати отримані для повністю фторованих вуглеводнів. У багатьох країнах ведуться розробки нових замінників і вже досягнуті непогані практичні результати, але повністю ця проблема ще не вирішена.