Пути разрушения озонового слоя. Влияние антропогенных факторов на озоновый слой

Спектр поглощения озона обладает несколькими важными  особенностями, главной из них является способность сильно поглощать излучение  в интервале длин волн 200–320нм.

Область солнечного спектра (а когда говорят о  щите, то имеют в виду именно защиту от излучения Солнца) от 200 до 400нм называют биологически активным ультрафиолетом БАУ. При этом выделяются интервалы 320–400нм (УФ-А) и 200–320нм (УФ-Б).

Излучение с  длиной волны l, меньше 200нм, хорошо поглощается молекулами кислорода, которых в атмосферном газе много. Поэтому такое излучение не доходит даже до нижней части стратосферы, “застревая” (т.е. поглощаясь молекулами O2) на больших высотах. С увеличением длины волны коэффициент поглощения молекулярным кислородом быстро падает. Молекулы же азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны и в поглощении этого излучения практически участия не принимают.

Вот и получается, что солнечное излучение с  длиной волны от 200 – 300нм проникало  бы сквозь атмосферу практически  до поверхности Земли, если бы не озон. Его коэффициент поглощения k именно в этой области длин волн очень велик и намного превосходит соответствующие значения k для O2 и N2. В результате – излучение УФ-Б не проходит сквозь стратосферу, практически полностью поглощаясь молекулами O3. Не загружая изложение деталями спектральных характеристик озона, приведу лишь один пример. Максимальное значение k для озона приходится на l = 255нм и составляет около 130 см⁻¹. Чтобы легче было представить масштаб этой величины, скажу, что, пройдя через слой озона толщиной в 3 мм при нормальном давлении (а это и есть, как я говорила выше, эквивалент “щита”), излучение, с этой длиной волны уменьшится в 10⁻¹⁷.

В целом же эффект волшебного щита именно таков –  очень тонкий (всего 2-3 мм!) слой молекул  O3 практически полностью поглощает идущее от солнца излучение в области УФ-Б. Начиная примерно с l =320нм солнечное излучение уже доходит до поверхности, хотя точную границу по очевидным причинам назвать невозможно – переход происходит постепенно, а проникновение излучения зависит от многих факторов – таких, как высота Солнца над горизонтом, чистота или запыленность атмосферы, высота места над уровнем моря и т.д.   

Озон  и климат.

В предыдущем пункте я рассмотрела способность озона  поглощать ультрафиолетовое излучение  с точки зрения роли озонового  слоя как нашего защитника – “волшебного  щита планеты”. Однако сам процесс  такого поглощения не проходит бесследно  для земной атмосферы. Энергия, которую  несет излучение в указанном  диапазоне длин волн, в результате поглощения передается атмосферному газу, вызывая его нагрев. Оценки показывают, что выше примерно 20км и в стратосфере, и в большей части мезосферы  этот процесс является основным источником нагрева, определяющим, таким образом  температуру – её высотное и широтное распределение.

Распределение температуры контролирует динамические процессы в атмосферном газе. Таким  образом, вся система циркуляции в стратосфере, включая и вертикальный перенос газа, зависит от распределения  озона. И если под влиянием антропогенных  процессов распределение озона  заметно изменится, должна измениться вся картина динамических процессов, включая и взаимодействие стратосферы  и тропосферы.

Расчеты с помощью  атмосферных моделей показывают, что если повсеместно уменьшить  концентрацию озона в два раза, то в мезосфере произойдет охлаждение атмосферного газа на 20° С. Это охлаждение в большей части стратосферы (18–40км) составит 6 – 8° С, а на стыке тропосферы и стратосферы (7 – 18км) – 2 – 3° С.

До этого времени  я рассматривала лишь одно оптическое свойство молекул озона – поглощать  мягкое ультрафиолетовое излучение. Однако молекулы O3 обладают и другими свойствами, существенными для теплового режима атмосферы. Наиболее важное из них – способность поглощать излучение в инфракрасном диапазоне, точнее в полосе с длиной волны примерно 9,6мкм

Для того чтобы  понять важность этого свойства озона  для теплового режима атмосферы, я немного отступлю от основной линии  этого пункта реферата и кратко рассмотрю  формирование теплового режима атмосферы  и поверхности Земли.

В чем же суть так называемого парникового  эффекта? Суть его состоит в том, что поверхность Земли поглощать  энергию падающего на неё солнечного излучения (ближнего ультрафиолетового, видимого, инфракрасного – всего, которое до неё дошло, почти не поглотившись в воздухе) и переизлучает эту энергию в виде тепловых лучей  сугубо в инфракрасной области. Если бы это инфракрасное излучение не поглощалось в атмосфере и  не уходило назад в космическое  пространство, на Земле было бы невыносимо холодно. Но этого не происходит потому, что большая часть переизлученной энергии не покидает нижних слоев  атмосферы, а поглощается там  облаками и различными малыми составляющими.

Наиболее активны  в этом поглощении две атмосферные  составляющие – углекислый газ и  пары воды. Именно они обеспечивают задержку в атмосфере большей  части инфракрасного излучения. Однако существует так называемое окно прозрачности в полосе 8 – 13 мкм, где  суммарное поглощение указанными двумя  составляющими (CO2 и H2O) мало. В этой области в роли основного поглотителя выступает озон. Как отмечалось выше, озон имеет сильную полосу поглощения в области 9,6мкм, которая и обеспечивает захват уходящего инфракрасного излучения в середине окна. Отмечу, что у молекулы озона имеются и другие полосы поглощения в инфракрасной области (например, с длиной волны 13,8 и 14,4 мкм). Но там они накладываются на сильные полосы поглощения H2O и CO2.

В последние  два десятилетия человечество все  больше беспокоит проблема усиления парникового эффекта из–за увеличения в атмосфере количества CO2. Факт монотонного роста концентрации двуокиси углерода в тропосфере в результате человеческой деятельности (уменьшение площади лесов, сжигании органического топлива, и другие промышленные процессы) установлен с высокой степенью достоверности. Этот рост за последние 20 лет составляет 0,3–0,4% в год.

Если тенденция  роста CO2 в последующие десятилетия сохранится, то удвоение количества CO2 в атмосфере, которое существовало в доиндустриальную эру, должно произойти примерно в середине XXI в. Правда, наиболее оптимистические модели предсказывают такое удвоение лишь к 2100г. Конечно, реальная картина будет зависеть, прежде всего, от того, как быстро будет расти потребляемое человечеством количество энергии и насколько удастся заменить существующие сегодня источники энергии новыми, чистыми в экологическом отношении.

При удвоении количества двуокиси углерода в атмосфере ожидаемое  увеличение средней температуры  нижней атмосферы составляет 2–3°С в средних и низких широтах и 5–6°С в полярных областях. При удвоении количества углекислого газа в стратосфере, должно произойти понижение температуры (на 10–15° С), поскольку молекулы CO2 принимают активное участие в процессах охлаждения стратосферного воздуха. Такое изменение климата Земли может иметь очень серьезные последствия для многих регионов земного шара. Именно поэтому в настоящее время идет активное обсуждение возможностей уменьшения выбросов углекислого газа в атмосферу и замедление роста количества CO2.

Но не только рост концентрации CO2 может привести к усилению парникового эффекта. Свой вклад вносит и рост концентрации озона в тропосфере, вызванный антропогенным загрязнением атмосферы.

Конечно, картина  с озоном далеко не проста, как в  случае CO2. Ведь молекулы O3 играют роль и в процессах нагрева атмосферного газа (за счет поглощения ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере и инфракрасного излучения поверхности в основном в тропосфере) и в процессах его охлаждения (за счет излучения молекулами O3 части поглощенной энергии). Значит можно ожидать уменьшение количества озона в стратосфере из антропогенных источников и увеличение его в тропосфере.

Все эти сложности  приводят к тому, что оценить суммарный  эффект ожидаемого изменения количества озона не так просто. Тем не менее  наиболее надежные, по моему мнению являются расчеты по математическим моделям, учитывающим как радиационные, так и конвективные эффекты, показывают, что при ожидаемом удвоении количества озона в тропосфере и уменьшении в двое в стратосфере климатический эффект должен быть в большей мере подобен эффекту от ожидаемого удвоения количества двуокиси углерода, но с меньшей амплитудой. Иначе говоря, если в случае удвоения CO2 вероятно увеличение температуры в среднем по Земле на 3–4°С, то в случае описанного изменения количества озона это увеличение составит около 1° С. Уменьшение вдвое количества стратосферного озона также должно вызвать эффект, подобный эффекту удвоения количества CO2,– охлаждение стратосферы на 15–20°С

Следует отметить, что антропогенное увеличение количества озона в тропосфере, которое я  рассматриваю, прежде всего, с точки  зрения дополнительного вклада в  парниковый эффект, неизбежно будет  сопровождаться и другими отрицательными эффектами. Озон обладает токсическими свойствами, которые могут приводить  к поражению легочных тканей человека (и животных), ставя таким образом  под угрозу здоровье людей. Ожидается  влияние обогащенного озоном воздуха  на растения, а также на различные (особенно легкоокисляющиеся) материалы.

Подводя итоги  сказанного в этом пункте, следует  подчеркнуть, что антропогенное  увеличение количества озона в тропосфере предвещает нам также мало радостей, как и антропогенное разрушение стратосферного озона.  

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.   

СОЕДИНЕНИЯ  СЕРЫ ИЗ АНТРОПОГЕННЫХ

И ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

Сера содержится в таких полезных ископаемых, как  уголь, нефть, железные, медные и другие руды; одни из них используют как  топливо, другие направляют на переработку  в химическую и металлургическую промышленность. При переработке (в частности, при обжиге руд) сера переходит в химические соединения, например в диоксид. Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными сооружениями, остальное количество их выбрасывается в атмосферу. Серосодержащие соединения образуются также в результате деятельности живых организмов как на суше, так и на море, в процессах, протекающих в земной коре, например при вулканической или геотермальной деятельности. В большинстве антропогенных выбросов преобладают диоксид серы и сульфаты.

Первичные сульфаты выделяются при сжигании топлива  и в ходе таких промышленных процессов, как нефтепереработка, производство цемента и гипса, серной кислоты. При сжигании мазута сульфатов образуется значительно больше, чем из угля. Это обусловлено тем, что в  нефтяных остатках содержится относительно большое количество соединений ванадия  и никеля, которые катализируют образование  первичных сульфатов. При сжигании нефтяного топлива образуется около 16% сульфатов от общего количества их.

Тем не менее, их выбросы образуются в основном (более 45% от общего количества) в результате сжигания угля. Из природных источников серосодержащих соединений важную роль играют биогенные выбросы из почвы  и продукты жизнедеятельности растений.

В поверхностном  слое вод Мирового океана обнаруживают только одно соединение, содержащие серу, - диметилсульфид. Распределение его  в поверхностном слое вод Мирового океана аналогична распределению хлорофилла. Соединения серы, поступающие из Мирового океана в атмосферу, окисляются до сульфатов, которые сохраняются в атмосфере  до 5 дней. Установлено, что океанские  воды поставляют около 3% от общего количества сернистых соединений, выделяемых антропогенными источниками.

При извержении вулканов в выделяющихся серосодержащих соединений преобладает диоксид  серы, в меньшем количестве в атмосферу  поступают сероводород, карбонилсульфид, а также сульфаты в виде аэрозолей  и твёрдых частиц.

Есть ещё один источник загрязнения воздуха–сжигание мусора.  

СОЕДИНЕНИЯ  АЗОТА ИЗ АНТРОПОГЕННЫХ  И ПРИРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ.

Азот содержится в топливе многих видов ископаемых, например, в угле и нефти. В отличие  от диоксида серы, образование оксидов  азота и их количество в выбросах зависит не только от содержания примесей в топливе, но и от температуры  в зоне сжигания. При сжигании одного и того же количества топлива на теплоэлектростанциях и в печах  индивидуального отопления домов  в первом случае вследствие более  высокой температуры в топке  оксидов азота образуется гораздо  больше. Понятно образование большого количества оксида азота при вспышках молний - источника высоких энергий  в атмосфере. К природным источникам оксидов азота относятся также  биогенный круговорот азота в  природе, миграции оксидов азота  из стратосферы в тропосферу и  образование NOx в результате фотоинициированного химического разложения нитритов, содержащихся в морской воде.