Разрушение озонового слоя

     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 озонного 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 озонного 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 озоновый 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. 
 
 
 
 
 
 
 

     Что такое озон и его  роль в атмосфере

     Жизнь на Земле существует главным образом  потому, что она защищена от губительных  космических излучений. Эту защиту создаёт слой озона. Озон был открыт в 1839 году немецким химиком Шенбейном, а в 1873г. Спустя 8 лет английский химик Гартли обнаружил озон в верхних слоях атмосферы.

     Озон– один из важнейших малых газов атмосферы. При электрических разрядах и под действием ультрафиолетового излучения Солнца к двум атомам кислорода в молекуле присоединяется ещё один – О₃. После грозы, в хвойном лесу этим газом легко и приятно. Он синего цвета, является сильным окислителем и при больших скоплениях способен разлагаться с взрывом.

     Озон  поглощает короткие волны солнечного спектра и практически не пропускает ультрафиолетовое излучение. Также  он не пропускает около 20% излучения, исходящего от Земли, а это препятствует охлаждению планеты.

     Очень тонка и хрупка защита жизни на Земле. Ведь, если сжать весь озон до обычного атмосферного давления, которое мы испытываем на уровне моря, то его слой составит всего 2 – 4 мм.

     До  недавнего времени состояние  слоя озона не внушало опасений. Тревожные сигналы начали поступать 20 лет назад. 
 
 
 
 
 
 
 

       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 излучение Солнца. Кванты жесткого ультрафиолета 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, сверх ураганным 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Источники разрушения озонового  слоя 

     Среди разрушителей озонного слоя можно выделить:

     1) Фреоны.

     Озон  разрушается под воздействием соединений хлора, известных как фреоны, которые, также разрушаясь под воздействием солнечной радиации, освобождают  хлор, «отрывающий» от молекул озона «третий» атом. Хлор в соединения не образовывает, но служит катализатором «разрыва». Таким образом, один атом хлора способен «погубить» много озона. Считается, что соединения хлора способны оставаться в атмосфере от 50 до 1500 лет (в зависимости от состава вещества) Земли. Наблюдения за озоновым слоем планеты проводились антарктическими экспедициями с середины 50-х.

     В вопросе о том насколько человек  повинен в образовании «озоновых  дыр» - единого мнения нет.

     С одной стороны – да, безусловно повинен. Производство соединений, приводящих к разрушению озона, следует свести к минимуму, а лучше и вообще прекратить. То есть отказаться от целого сектора промышленности, с оборотом в многие миллиарды долларов. А если не отказаться - то перевести ее на «безопасные» рельсы, что тоже стоит денег.

     2) Высотные самолёты.

     Разрушению  озонного слоя способствуют не только фреоны, выделяющиеся в атмосферу  и попадающие в стратосферу. К  разрушению озонного слоя причастны  и окислы азота, которые образуются при ядерных взрывах. Но окислы азота образуются и в камерах сгорания турбореактивных двигателей высотных самолётов. Окислы азота образуются из азота и кислорода, которые там находятся. Скорость образования окислов азота тем больше, чем выше температура, т. е. чем больше мощность двигателя.

     Важна не только мощность двигателя самолёта, но и высота, на которой он летает и выпускает разрушающие озон окислы азота. Чем выше образуется окись  или закись азота, тем он губительнее  для озона.

     Общее количество окиси азота, которое выбрасывается в атмосферу в год, оценивается в 1 млрд. т. Примерно треть этого количества выбрасывается самолётами выше среднего уровня тропопаузы (11 км). Что касается самолётов, то наиболее вредными являются выбросы военных самолётов, количество которых исчисляется десятками тысяч. Они летают преимущественно на высотах озонового слоя.

     3) Минеральные удобрения.

     Озон  в стратосфере может уменьшаться  и за счет того, что в стратосферу  попадает закись азота N₂O, которая образуется при денитрификации связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхнем слое океанов и морей. Процесс денитрификации напрямую связан с количеством связанного азота в почве. Таким образом, можно быть уверенным в том, что с ростом количества вносимых в почву минеральных удобрений будет в такой же мере увеличиваться и количество образованной закиси азота N₂O. Далее, из закиси азота образуются окислы азота, которые и приводят к разрушению стратосферного озона.

     4) Ядерные взрывы.

     При ядерных взрывах выделяется очень  много энергии в виде тепла. Температура, равная 6000⁰ К устанавливается уже через несколько секунд после ядерного взрыва. Это энергия огненного шара. В сильно нагретой атмосфере происходят такие преобразования химических веществ, какие при нормальных или не происходят, или протекают очень медленно. Что касается озона, его исчезновения, то наиболее опасными для него являются образующиеся при этих преобразованиях окислы азота. Так, за период с 1952 по 1971 г. в результате ядерных взрывов в атмосфере образовалось около 3 млн т. окислов азота. Дальнейшая судьба их такова: они в результате перемешивания атмосферы попадают на разные высоты, в том числе и в атмосферу. Там они вступают в химические реакции с участием озона, приводя к его разрушению.

     5) Сжигание топлива.

     Закись  азота обнаруживается и в дымовых  газах электростанций. Собственно, о том, что окись и двуокись азота присутствуют в продуктах  сгорания, было известно давно. Но эти  высшие окислы не влияют на озон. Они, конечно, загрязняют атмосферу, способствуют образованию в ней смога, но довольно быстро удаляются из тропосферы. Закись же азота, как уже говорилось, опасна для озона. При низких температурах она образуется в таких реакциях:

     N₂ + O + M = N₂O + M,

     2NH₃ + 2O₂ =N₂O = 3H₂.

     Масштаб этого явления очень значителен. Таким путём в атмосфере ежегодно образуется примерно 3 млн т. закиси азота! Эта цифра говорит о  том, что этот источник разрушения озона  существенный.

     6) Образование пара.

     Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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. Уменьшение озона наблюдалось этой службой и на Аргентинских островах.

     С 28 августа по 29 сентября 1987 г. было выполнено 13 полётов самолёта-лаборатории  над Антарктикой. Эксперимент позволил зарегистрировать зарождение озоновой 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.

     Уже к началу октября 1985 г. озонная дыра охватывает уровни с давлением от 100 до 25 гПа, а в декабре диапазон высот, на которых она наблюдается, расширяется.

     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 озоновой дыры в Антарктиде наблюдали английские учёные и в 1987 г. Весной общее содержание озона уменьшилось на 25%.

     Американские  исследователи проводили измерения в Антарктике зимой и ранней весной 1987 г. озона и других малых составляющих атмосферы (HC_l, 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 озоновой дыры концентрация HC_l, 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).