Причины и последствия разрушения озонового слоя

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ИСТИТУТ ФИЗИКИ И ХИМИИ

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему «Причины и  последствия разрушения озонового  слоя»

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка 401 группы

Фролова Е.А.

 

 

                                                                Проверила: Тарасова О.В.

 

 

 

 

 

 

 

САРАНСК 2011

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение 3

1.Озоновые дыры и причины их возникновения 4

1.1 Антропогенные источники разрушения озонового слоя 5

1.2 Разрушение озонового слоя в присутствии соединений азота (азотный цикл). Источники поступления азота в атмосферу                                              6

1.3 Ядерные взрывы и  озон 9

1.4 Разрушение озонового слоя в присутствии соединений водорода (водородный цикл). Источники поступления водорода в атмосферу              12      

1.5 Разрушение озонового слоя в присутствии соединений хлора (хлорный цикл). Источники поступления хлора в атмосферу                                           14                      

2. Чем нам грозит «озоновая дыра»?              18

3. Основные мероприятия по защите озонового слоя  24

Заключение 26

Список использованных источников 27

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Современная кислородная  атмосфера Земли – уникальное явление среди планет Солнечной  системы, и эта её особенность  связана с наличием на нашей планете  жизни.

Проблема экологии для людей сейчас, несомненно, самая главная. На реальность экологической катастрофы указывает разрушение озонового слоя Земли. Озон - трехатомная форма кислорода, образуется в верхних слоях атмосферы под действием жесткого (коротковолнового) ультрафиолетового излучения Солнца.

Сегодня озон беспокоит  всех, даже тех, кто раньше не подозревал о существовании озонового слоя в атмосфере, а считал только, что  запах озона является признаком  свежего воздуха. (Недаром озон в  переводе с греческого означает ''запах''.) Этот интерес понятен – речь идёт о будущем всей биосферы Земли, в том числе и самого человека. 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.

 

 

1. 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.

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.

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.

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.

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.

 

1.1 Антропогенные источники разрушения озонового слоя

    До самого последнего периода истории Земли живые системы планеты эволюционировали почти в полной гармонии с атмосферой, литосферой и гидросферой, не испытывая влияния человеческой деятельности. Но по мере развития сельского хозяйства и промышленности воздействие человека на среду стало заметнее. Повсеместная индустриализация, особенно развернувшаяся за последние два столетия, привела к потенциально опасным уровням загрязнения среды.

   Можно сказать, что загрязнения – это поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей среде. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, в той или иной степени влияет на все параметры среды – антропогенные и природные, физические и биотические.

Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение  атмосферы – это локальная  проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что  атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ.  

 

1.2 Разрушение озонового слоя в присутствии соединений азота (азотный цикл). Источники поступления азота в атмосферу.

В 1971 г. почти одновременно в научных журналах появились  две статьи посвященные проблеме разрушения озонового слоя в результате человеческой деятельности. Одну написал  американский ученый Гарольд Джонстон, другую – Пауль Крутцен из ФРГ. Рассматривая фотохимические процессы, эти ученые обратили внимание на цикл двух реакций:

O3 + NO ® NO2 +O2;

NO2 + O ® NO + O2. (1)

   В левой части этих уравнений погибает одна молекула окиси азота и одна молекула двуокиси азота, а в правой появилось по одной молекуле NO и NO2. Отсюда следует, что расхода окиси и двуокиси азота в этих реакциях не происходит, эти вещества являются катализаторами. Но в этой реакции исчезли атом O и молекула O3 и образовались две молекулы O2. Если записать то, что произошло, в виде результирующей реакции можно получить:

O + O3 ® O2 + O2. (2)

   В процессе этой реакции уничтожаются и сами молекулы O3 и атомы O, необходимые для создания озона. Эффективность системы зависит от концентрации окислов азота NO и NO2, выступивших в роли катализатора. Очевидно, что при достаточно высоких концентрациях NO и NO2 скорость гибели O и O3 в результате действия системы может стать во много раз выше. Если эффект системы (1) сильнее эффекта системы (2), то концентрация O3 будет определяться уже скоростью гибели O и O3 в этой системе и будет меньше, чем в случае действия только реакции (2) Насколько меньше это будет зависеть только от того, сколь велики концентрации NO и NO2. Очевидного предела здесь нет.

   Таково упрощенное изложение идеи Крутцена и Джонстона. Если количество окислов азота, в результате деятельности человека, возрастет выше определенного уровня, равновесная концентрация озона начнет падать. И здесь неважно, какие именно окислы азота (NO, NO2, N2O), будут попадать в атмосферу. В ходе быстрых реакций с кислородными соединениями, Например типа тех же реакций (1), между окислами азота установится внутреннее соотношение, поэтому для проблемы разрушения озона существенно лишь суммарное количество всех попадающих в атмосферу азотных соединений. Обозначим их условно NOx.

Естественно встает вопрос о том, какого рода деятельность может  привести к заметному росту количества NOx в стратосфере. Источников атмосферного загрязнения довольно много, но Крутцен  и Джонстон сделали акцент на одном из них – на полетах стратосферной авиации. Дело в том, что при полете реактивного самолета в стратосферный воздух выбрасывается большое количество отработанных газов из двигателей, существенную часть которых составляют окислы азота и пары воды. С точки зрения загрязнения стратосферы важно не только общее количество производимых самолетами окислов азота, но и высота их введения в атмосферу, поскольку окись и двуокись азота в тропосфере быстро удаляются вымыванием.

   Крутцен и Джонстон, прикинув тенденцию будущего развития стратосферной авиации, оценили ожидаемое количество полетов на рубеже веков в несколько сот в сутки. Задавшись далее некоторыми исходными данными о количестве выбрасываемых в окружающую атмосферу окислов азота за один, они получили общее число молекул NOx , которое в результате окажется в стратосфере. Итог получился сенсационным. Оказалось, что попавшего таким образом в стратосферу количества окислов азота будет достаточно, чтобы к началу 80-х годов равновесная концентрация озона уменьшилась в результате действия системы реакций (1) на несколько десятков процентов! Заявления этих ученых вызвали настоящую сенсацию, а их прогнозы оказались на страницах общедоступной прессы. Но их прогнозы не сбылись, хотя они были правы. Это произошло по нескольким причинам:

   Во-первых, не произошло ожидаемого бума с развитием стратосферных полетов.

   Во-вторых, оказались неверными некоторые из использовавшихся исходных данных о количестве выбрасываемых молекул NOx и о скоростях ряда фотохимических реакций.

   Работы Крутцена и Джонстона фактически положили начало детальному изучению химии стратосферы.

   По мере изучения проблемы антропогенных загрязнений озона выяснилось, что выбросы стратосферных самолетов не являются единственным (и даже главным) искусственным источником поступления азотных окислов в атмосферу. Очень мощным источником NOx являются азотные удобрения Попадая в почву, такие удобрения (прежде всего это закись азота N2O) распыляются, при этом некоторое количество молекул попадает в приземный воздух. От попадания молекул N2O в приземную атмосферу до повышения концентрации NOx в стратосфере путь длинный. Целая цепочка процессов – турбулентность в приземном слое воздуха, восходящие движения в тропосфере, перенос обогащающего азотными окислами газа в низкие широты, восходящие потоки из тропосферы через тропопаузу в стратосферу, обратный горизонтальный перенос газа в более высокие широты в стратосфере – должна произойти, чтобы в результате над всем земным шаром увеличилось количество молекул NOx, представляющих угрозу для стратосферного озона.

 Увеличение количества используемых азотистых удобрений идет быстрыми темпами. За 20 лет с1955 по 1975 г. производство таких удобрений возросло более чем в 10 раз (примерно с 3 до 40 миллионов тонн (мегатонн) в год). Оценки 80-х годов показывают, что за счет использования азотистых удобрений в атмосферу поступает ежегодно около 10 мегатонн N2O и что эта величина составляет 25 – 40% естественного поступления закиси азота.

   Наконец, окислы азота поступают в атмосферный газ (главным образом в виде N2O) при сжигании промышленного топлива. По имеющимся оценкам, количество закиси азота, попадающее в воздух с дымом работающих на обычном (не ядерном) горючем электростанций, само по себе достаточно велико и составляет 3 – 4 мегатонны в год.

   Результаты активного использования окислов азота не заставили себя ждать. Измерения показывают, что количество N2O в атмосфере (и, в частности, в стратосфере) растет со скоростью примерно 0,2% в год. Это значит, что если такой темп сохранится, количество закиси азота в атмосфере удвоится через 300 лет.

1.3 Ядерные  взрывы и озон

   Существует еще один антропогенный источник азотных окислов, который может влиять на жизнь стратосферного озона. Речь идет о ядерных взрывах.

   За счет сильного нагрева газа (в тепловую энергию переходит около трети всей энергии взрыва) и частично за счет мощного излучения состав воздуха в области взрыва сильно изменяется,– в нем появляется много азотных окислов. Сама вспышка излучения длится не очень долго, да и падение температуры после внезапного нагрева происходит достаточно резко. Однако быстро вернуться назад к исходному состоянию газа с измененным составом уже не может – время жизни относительно динамических и химических процессов составляет часы. В результате облако с высокой “добавкой” азотных окислов будет, постепенно расширяясь существовать большое время (некоторое превышение концентрации NOx над нормальным значением может наблюдаться и через сутки после взрыва).

   По разным оценкам, при взрыве образуется от 1 до 10 килотонн NOx на 1 мегатонну мощности. На первой стадии в облаке присутствует в основном двуокись азота NO2. Именно ей облако обязано своим желтоватым цветом. При остывании облака происходит перераспределение азотных радикалов, и в облаке появляются другие окислы, прежде всего NO. На стадии, когда горизонтальный диаметр облака составляет несколько километров, концентрация молекул NOx в нем равна примерно10 в 12 степени см в –3 степени. Эта величина близка к концентрации самого озона в максимуме его слоя. Зная степень воздействия азотных окислов на озон можно заключить, что атомные взрывы должны разрушать стратосферный озон. А что на самом деле?