Мир, которого мы избежали, защитив озоновый слой

Московский  физико-технический институт

 

 

 

 

 

Курсовая  работа на тему

«Мир, которого мы избежали, защитив озоновый слой»

 

 

 

 

 

 

  Выполнил:  Никифоров Д.В.

Проверил: Кондранин  Т.В.

 

 

 

 

Москва 2012

Введение

Представьте себе год 2065. Около двух третей озонового слоя Земли уничтожено, не только над полюсами, но и везде. Известная озоновая дыра над Антарктикой, впервые обнаруженная в 1980-х гг.,  теперь уже висит круглый год и имеет озоновую дыру-близнеца над Северным полюсом. Ультрафиолетовая радиация, падающая на города средней широты, достаточно сильна, чтобы вызывать солнечные ожоги всего за пять минут. Возрастание уровня ультрафиолетового излучения более чем на 500% пагубно влияет на частоту кожных онкологических заболеваний у людей, животных и растений.

«Такой мир мы бы и унаследовали, если бы 193 стран-участников Организации Объединенных Наций (ООН) не сделали соглашение о запрете озоноразрушающих химикатов» сообщают атмосферные химики из Центра космических полетов NASA, Университета Джона Хопкинса и Нидерландского агентства оценки окружающей среды. Команда ученых во главе с исследователем из NASA Полом Ньюманом использовала современную модель, чтобы изучить, «что могло случиться», если бы хлорфторуглероды и другие подобные химикаты не были запрещены по Монреальскому протоколу 1989 года – первому международному соглашению по контролю над  химическими загрязнениями. 

За последние  два десятилетия исследования озона  дали значительные результаты. Теперь исследователи пришли к точке, когда  надо ставить новые вопросы: «Были  ли мы правы насчет озона? Помогают ли принятые меры? Какого мира мы избежали, запретив озоноразрушающие вещества?» 

 

 

 

 

 

 

Химия озона

Озон –  естественная защитная пленка Земли, поглощающая  большую часть идущего от Солнца ультрафиолетового излучения и  защищающая жизнь от губительного для  ДНК излучения. В естественных условиях газ создается и разрушается в химических реакциях под действием солнечного излучения в верхних слоях атмосферы, между 10 и 50 километрами над поверхностью Земли. Озон возникает, когда молекулы кислорода O₂ поглощают ультрафиолетовый свет и разделяются на отдельные атомы O, которые соединяются с другими молекулами O₂, в результате чего образуется молекулы O₃ – озон. Озон уничтожается, когда молекулы, содержащие азот, водород, хлор или бром становятся катализаторами реакций, в которых атом O взаимодействует с молекулой O₃, чтобы образовать две молекулы кислорода O₂. Это – система, находящаяся в естественном балансе.

Однако хлорфторуглероды, которые были впервые получены в 1890-х гг. и начали использоваться в промышленности в 1930-х гг., нарушают этот баланс. Хлорфторуглероды не вступают в реакции на поверхности Земли, но становятся крайне пагубными на верхних слоях атмосферы. Под  прямым воздействием ультрафиолета  молекулы хлорфторуглерода вступают в реакцию с бромсодержащими молекулами, и, в результате, образуются отдельные молекулы хлора и брома, которые катализируют разрушение озона. Хуже всего то, что такие разрушительные для озона химикаты могут находиться в атмосфере в течение нескольких десятилетий, пока не распадутся.

Такие химические реакции образовали сезонную дыру в  озоновом слое над Антарктидой в 1980-х гг.

 

 

 

 

 

Озоновая  дыра над Антарктидой

В конце 70-х гг. британские исследователи, находившиеся в станции Халли-Бэй в Антарктиде, впервые обнаружили озоновую дыру, проводя наземные измерения (красные точки). Спутники NASA подтвердили это открытие и установили пределы дыры (синие точки).

В чем причины  образования озоновой дыры над Антарктидой?

 

Это розовое  облако в изображении может выглядеть  абсолютно безвредным, но это не так. Это облако известно как Полярное стратосферное облако (ПСО). ПСО и  другие подобные облака ответственны в уничтожении озона в стратосфере. Они образуются в стратосфере в высоких широтах при температурах ниже -83˚ по Цельсию. Внутри этих облаков происходят химические реакции, в которых хлорфторуглероды распадаются на свободные радикалы хлора, уничтожающе озон.

Полярное  стратосферное облако образуется за зиму. С наступлением сентября весеннее солнце становится катализатором для реакций уничтожения молекул озона образовавшимися ранее радикалами хлора. В результате концентрация озона над Южным полюсом падает с более, чем 300 Добсонов до 100 Добсонов. Цикл уничтожение озона останавливается поздней весной с увеличением температуры. За лето озоновый слой восстанавливается, озоновая дыра исчезает и начинается новый цикл. 

Именно открытие этой огромной озоновой дыры над Антарктидой  открыло глаза всему миру на воздействие  человеческой деятельности на атмосферу.

 

Что могло бы случиться

В новом анализе  команда ученых во главе с Ньюманом моделировала потери в озоновом слое в случае, если бы никаких мер  не было принято в свое время.

Команда использовала Модель Годдарда (Goddard Earth Observing System Chemistry-Climate Model) – модель системы циркуляции атмосферы, которое учитывает изменения солнечной активности, атмосферные химические рекакции, изменения температур и ветров, а также взаимодействия между стратосферой, где расположен озоновый слой, и тропосферой, являющимся ближайшей к Земле атмосферными слоем. Понадобились месяцы компьютерного времени, чтобы симулировать «мир, которого мы избежали».

Исследователи установили в модели рост уровня хлорфторуглеводородов  и других подобных соединений в 3% каждый год – с таким темпом эти  показатели росли  до введения регуляционных мер в 1989 году. Таким образом, они промоделировали «состояние Земли» с 1975 года по 2065 год.

 

 

 

К 2020 году 17 процентов всего озона в атмосфере  уничтожено, озоновая дыра образуется каждый год, как над Антарктидой, так и над Арктикой. К 2040 году, озоновая «дыра» (концентрации ниже 220 Добсонов) становится повсеместной.

Индекс ультрафиолета (UV Index) в городах средней широты достигает значения 15 в ясные солнечные дни (выше 10 уже считается экстремальным риском).

 

 

Компьютерные модели предсказывают, что глобальное среднее значение уровня озона вернется к уровню выше 300 Добсонов к 2064 году в нашем будущем (синяя линия). В «мире, которого мы избегли» рост уровня озоноразрушающих химикатов привел бы к этому времени к падению глобального уровня озона ниже 100 Добсонов (красная линия).

 Это привело бы к огромному  увеличению уровня опасного  ультрафиолетового  излучения. В средних широтах  в летние дни значения индекс  UV достигали бы значений до 30 – в три раза выше уровня, который считается экстремальным.

 

Неожиданный коллапс тропического озонового  слоя

В модели в 2050-х  гг. случилось то, чего никто не ожидал - уровень озона в стратосфере  над тропиками упало почти  до нуля за шесть лет. Как объясняет  исследователь Ричард Столарски, который  был одним из пионеров в исследовании атмосферного озона в 1970-х гг., это  стремительное и почти полное разрушение озона похоже на то, что  происходит сегодня в Антарктиде.

То, что они  обнаружили такое же явление над  тропиками, было неожиданно, т.к. ученые предсказывали, что в тропической стратосфере не может образоваться температуры достаточно низкой, чтобы там образовались облака. Резкое похолодание оказалось результатом двух процессов. «Озон поглощает энергию ультрафиолетового излучения, и это ведет к нагреванию    окружающей атмосферы. Следовательно, потеря озона уже само непосредственно ведет к охлаждению, и этого мы ожидали» - объясняет Столарски.

Однако более непредсказуемым было то, что изменение температуры ускорило крупномасштабную, медленно-идущую циркуляцию воздуха в стратосферном слое. В этой циркуляции воздух из низких слоев стратосферы поднимается в верхние слои, движется к полюсам и опускается. По мере подъема воздух охлаждается. По мере ускорения циркуляции, процесс охлаждения усиливается, позволяя стратосферным облакам образоваться над тропиками. Это ведет к стремительному уничтожению озона.

К концу симуляции  в 2065 году глобальный уровень озона  падает до менее, чем 110 Добсонов – 67-процентное падение с уровня 1970-х гг. эти значения над Арктикой колеблются между 50 и 100 Добсонами. Интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли удваивается. В некоторых коротких длинах волн интенсивность увеличивается до 10000 раз. Уровень заболевания раком кожи взлетает вверх.

Компьютерное  моделирование дало результаты  хуже, чем ожидали ученые. Как  говорит Столарски, количественные значения могут быть не совсем корректными, но основные результаты ясно указывают  на то, что случилось бы с атмосферой Земли.

«Мы симулировали мир, которого мы смогли избежать, и  мы должны быть очень рады этому» - говорит  Ньюман.

 

 

Реальный  мир    

Производство  озоноразрушающих веществ было окончательно остановлено в 1992 году, но их избыток  в атмосфере только начинается уменьшаться, поскольку  эти молекулы могут  находиться в атмосфере очень  долгое время (до 100 лет). Наивысший уровень  хлорфторуглеродов в атмосфере  был зафиксирован в 2000 году, с тех  пор этот уровень упал примерно на 4%.

Стратосферный озон упал на 5-6% в средних широтах, но смогло восстановить прежние значения за последние несколько лет. Наибольший размер озоновой дыры над Антарктидой  был зафиксирован в 2006. С тех пор  его размер немного уменьшился.

Команда Ньюмана  также смоделировало, как озоновый слой реального мира будет восстанавливаться (синяя линия на рис.). Уровень  озона должен окончательно восстановиться до прежнего уровня примерно к 2064 году.         Но озоновый слой никогда не будет точно таким, как в 1970-х гг., поскольку парниковые газы также воздействуют на атмосферу.

Восстановление  озонового слоя над Антарктидой

 

 

 

Заключение 

С помощью  компьютерного симулирования команда  ученых из NASA сделала модель развития атмосферы Земли для двух миров: мир без запрета на озоноразрушающие вещества и мир с действующим Монтреальским договором. Проведенное исследование убедительно показывало нам,  что значение Монтреальского протокола 1987 года трудно переоценить. Без своевременно принятых мер,  проблема уничтожения озонового слоя Земли нарастало бы до катастрофических масштабов.

 

 

 

 

 

 

Список  использованной литературы:

1. Newman, P. A., Oman, L. D., Douglass, A. R., Fleming, E. L., Frith, S. M., Hurwitz, M. M., Kawa, S. R., Jackman, C. H., Krotkov, N. A., Nash, E. R., Nielsen, J. E., Pawson, S., Stolarski, R. S., and Velders, G. J. M. (2009). “What would have happened to the ozone layer if chlorofluorocarbons (CFCs) had not been regulated?”, Atmospheric Chemistry and Physics ,2009(6)
2. “Antarctic Ozone Hole” ,  NASA Earth Observatory, 2009
3. “Ozone Destroying Cloud Over Scandinavia”,  NASA Earth Observatory, 2003