Озоновые дыры

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования  «Омский Государственный Технический  Университет» кафедра «Физики»

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по теме «Озоновые  дыры»

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

 

 

 

Выполнил: Маркина В.С.

Проверил: Эйсмонт Н.Г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Омск 2013

Оглавление.

Введение

1. Понятие «озоновой дыры» и её суть

2. Озоновые дыры и причины их возникновения

3. Механизм образования озоновых дыр

4. Озоновая дыра над Антарктикой

Заключение

Список литературы

 

Введение

Проблема экологии, несомненно, самая главная. На реальность экологической катастрофы указывает разрушение озонного слоя Земли.  Речь идёт о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. 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. В настоящее время назрела необходимость принять определённые обязательные для всех решения, которые позволили бы сохранить озонный слой. Но чтобы эти решения были правильны, нужна полная информация о тех факторах, которые изменяют количество озона в атмосфере Земли, а также о свойствах озона, о том, как именно он реагирует на эти факторы.

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. 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. Понятие «озоновой дыры» - суть, причины, последствия

Озоновая дыра — локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя.[1]

В середине 60-х годах ученые впервые  зафиксировали, что озоновый слой над  Землей быстро истощатся, а в отдельных  местах и вовсе исчезает, образуя  отверстия в атмосфере, через  которые из космоса на Земле просачиваются  не самые полезные для жизни излучения. Такие места стали называть "озоновыми  дырами". [2]

Сейчас уже все понимают, что  стратосферный озон является своего рода естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы  жесткого космического излучения - ультрафиолета-В.

16 сентября 1987 г. был принят Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя. [2]

С конца 70-х годов ученые стали  отмечать неуклонное истощение озонового  слоя. Причиной тому стало проникновение  в верхние слои стратосферы озоноразрушающих веществ (ОРВ), используемых в промышленности, молекулы которых содержат хлор или бром. Хлорфторуглероды (ХФУ) или другие ОРВ, выпущенные человеком в атмосферу, достигают стратосферы, где под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы теряют атом хлора. Агрессивный хлор начинает разбивать одну за другой молекулы озона, сам при этом не претерпевая никаких изменений. Срок существования различных ХФУ в атмосфере от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано, что за это время один атом хлора способен превратить в кислород 100 000 молекул озона. [2]

Все ученые мира отмечают, что в  последнее время добавился антропогенный  фактор - все наши промышленные выбросы  в атмосферу. Это способствует разрушению озонового слоя. На самом деле «озоновая дыра» - это не дыра, а пониженное или нулевое содержания озона.

В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхности  составляет в среднем 10-6%. Озон образуется в верхних слоях атмосферы  из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию  молекул кислорода.[3]

Слой озона удивительно тонок. Если бы этот газ сосредоточить у  поверхности Земли, то он образовал  бы пленку лишь в 2-4 мм толщиной (минимум  – в районе экватора, максимум –  у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас, почти полностью  поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация.[3]

Озон поглощает некоторую часть  инфракрасного излучения Земли. Благодаря этому он задерживает  около 20% излучения Земли, повышая отепляющее действие атмосферы.[3]

Озон – активный газ и может  неблагоприятно действовать на человека. Обычно его концентрация в нижней атмосфере незначительна и он не оказывает вредного влияния на человека. Большие количества озона  образуются в крупных городах  с интенсивным движением автотранспорта в результате фотохимических превращений  выхлопных газов автомашин.[3]

Озон, также, регулирует жесткость космического излучения. Если этот газ хотя бы частично уничтожается, то, естественно жесткость излучения резко возрастает, а, следовательно, происходят реальные изменения растительного и животного мира.[3]

Уже доказано, что отсутствие или  малая концентрация озона может  или приводит к раковым заболеваниям, что самым наихудшим образом  отражается на человечестве и его способностью к воспроизводству.

 

2. Озоновые дыры и причины их возникновения

Озоновый слой - это широкий атмосферный  пояс, простирающийся на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли. Химически  озон - это молекула, состоящая из трех атомов кислорода (молекула кислорода  содержит два атома). Концентрация озона  в атмосфере очень мала, и небольшие  изменения количества озона приводят к серьезным изменениям интенсивности  ультрафиолета, достигающего земной поверхности. В отличии от обычного кислорода озон неустойчив, он легко переходит в двухатомную, устойчивую форму кислорода. Озон – гораздо более сильный окислитель, чем кислород, и это делает его способным убивать бактерии, подавлять рост и развитие растений. Впрочем, из-за его низкой в обычных условиях концентрации в приземных слоях воздуха эти его особенности практически не влияют на состояние живых систем.[5]

Гораздо важнее его другое свойство, делающее этот газ совершенно необходимым  для всей жизни на суше. Это свойство – способность озона поглощать  жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. Кванты жесткого УФ обладают энергией, достаточной  для разрыва некоторых химических связей, поэтому его относят к  ионизирующим излучениям. Как и другие излучения этого рода, рентгеновское  и гамма-излучение, оно вызывает многочисленные нарушения в клетках  живых организмов. Озон образуется под воздействием высокоэнергетичной солнечной радиации, стимулирующей реакцию между О2 и свободными атомами кислорода. Под воздействием умеренной радиации он распадается, абсорбируя энергию этой радиации. Таким образом, этот цикличный процесс "съедает" опасный ультрафиолет.[5]

Молекулы озона, как и кислорода, электрически нейтральные, т.е. не несут  электрического заряда. Поэтому само по себе магнитное поле Земли не влияет на распределение озона в  атмосфере. Верхний слой атмосферы  – ионосфера, практически совпадает  с озоновым слоем.[5]

В полярных зонах, где силовые линии  магнитного поля Земли замыкаются на ее поверхности, искажения ионосферы  весьма значительны. Количество ионов, в том числе и ионизированного  кислорода, в верхних слоях атмосферы  полярных зон снижено. Но главная  причина малого содержания озона  в области полюсов – малая  интенсивность солнечного облучения, падающего даже во время полярного  дня под малыми углами к горизонту, а во время полярной ночи отсутствуют  вовсе. Площадь полярных «дыр» в  озоновом слое – надежный показатель изменений общего содержания озона в атмосфере.[4]

Содержание озона в атмосфере  колеблется вследствие многих естественных причин. Периодические колебания  связаны с циклами солнечной  активности; многие компоненты вулканических  газов способны разрушать озон, поэтому  повышение вулканической активности ведет к снижению его концентрации. Благодаря высоким, сверураганным скоростям воздушных потоков в стратосфере разрушающие озон вещества разносятся на большие площади. Переносятся не только разрушители озона, но и он сам, поэтому нарушения концентрации озона быстро разносятся на большие площади, а локальные небольшие «дыры» в озоновом щите, вызванные, например, запуском ракеты, сравнительно быстро затягиваются. Только в полярных областях воздух малоподвижен, вследствие чего исчезновение там озона не компенсируется его заносом из других широт, и полярные «озонные дыры», особенно на Южном полюсе, весьма устойчивы.[4]

 

3. Механизм образования  озоновых дыр

К уменьшению концентрации озона в  атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с  различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение  полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению  озона из приполярных широт, и  образование полярных стратосферных  облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона.[1]

Эти факторы особенно характерны для  Антарктики, в Арктике полярный вихрь  намного слабее ввиду отсутствия континентальной поверхности, температура  выше на несколько градусов, чем  в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к  распаду в начале осени. Будучи химически  активными, молекулы озона могут  реагировать со многими неорганическими  и органическими соединениями.[1]

Главными веществами, вносящими  вклад в разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, моноксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой образуя стабильный фтороводород.[4]

Таким образом, фтор не участвует в  реакциях распада озона. Йод также  не разрушает стратосферный озон, так как иодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере. Основные реакции, вносящие вклад в разрушение озона приведены в статье про озоновый слой.[4]

 

4. Озоновая дыра над  Антарктикой

О значительном уменьшении общего содержания озона над Антарктикой впервые  было сообщено в 1985 г. Британской антарктической службой на основании анализа  данных озонометрической станции Хэлли-Бей (76 гр. ю. ш.). Уменьшение озона наблюдалось этой службой и на Аргентинских островах (65 гр. ю. ш.).[5]

С 28 августа по 29 сентября 1987 г. было выполнено 13 полётов самолёта-лаборатории  над Антарктикой. Эксперимент позволил зарегистрировать зарождение озонной  дыры. Были получены её размеры. Исследования показали, что наибольшее уменьшение количества озона имело место  на высотах 14 - 19 км. Здесь же приборы  зарегистрировали наибольшее количество аэрозолей (аэрозольные слои). Оказалось, что, чем больше имеется аэрозолей  на данной высоте, тем меньше там  озона. Самолёт - лаборатория зарегистрировал  уменьшение озона, равное 50%. Ниже 14 км. изменений озона было несущественным.[5]

Уже к началу октября 1985 г. озонная  дыра (минимум количества озона) охватывает уровни с давлением от 100 до 25 гПа, а в декабре диапазон высот, на которых она наблюдается, расширяется.[5]

Во многих экспериментах измерялось не только количество озона и других малых составляющих атмосферы, но и  температуры. Была установлена самая  тесная связь между количеством  озона в стратосфере и температурой воздуха там же. Оказалось, что  характер изменения количества озона  тесно связан с тепловым режимом  стратосферы над Антарктидой.

Образование и развитие озонной  дыры в Антарктиде наблюдали английские учёные и в 1987 г. Весной общее содержание озона уменьшилось на 25%.[5]

Американские исследователи проводили  измерения в Антарктике зимой  и ранней весной 1987 г. озона и других малых составляющих атмосферы (HCl, HF, NO, NO2, HNO3, ClONO2, N2O, CH4) c помощью специального спектрометра. Данные этих измерений позволили очертить область вокруг Южного полюса, в которой количество озона уменьшено. Оказалось, что эта область совпадает практически в точности с крайним полярным стратосферным вихрем. При переходе через край вихря резко менялось количество не только озона, но и других малых составляющих, оказывающих влияние на разрушение озона. В пределах озонной дыры (или, другими словами, полярного стратосферного вихря) концентрация HCl, NO2 и азотной кислоты была значительно меньше, чем за пределами вихря. Это имеет место потому, что хлорины в продолжении холодной полярной ночи разрушают озон в соответствующих реакциях, выступая в них как катализаторы. Именно в каталитическом цикле с участием хлора происходит основное уменьшение концентрации озона (по крайней мере 80% этого уменьшения).[4]