Озон

Оглавление 

Введение

     На  сегодняшний день проблема озона  беспокоит очень многих, о ней  наслышаны даже те, кто раньше и  не знал о существовании озонового  слоя в атмосфере, а помнил о нём  только из школьного курса химии. Речь идёт о будущем человечества. Изменения в озоновом слое могут привести к изменению климата на планете в худшую сторону, поднимется уровень мирового океана, возрастёт количество раковых заболеваний из-за увеличения ультрафиолетового излучения Солнца достигающего поверхности планеты.

     К разрушению озонового слоя приводят различные химические вещества. Такие  как фреоны, использующиеся в холодильной  промышленности и в аэрозолях. Окислы азота, которые образуются при ядерных  взрывах и в камерах сгорания реактивных самолётов и ракет. Причём последнее особенно вредно, так как на больших высотах окислы азота живут очень долго. Применение большого количества минеральных удобрений тоже вредит озоновому слою. Дымовые газы электростанций вырабатывают миллионы тонн закиси азота в год.

     С конца 70-х ученые наблюдают за состоянием озонового слоя атмосферы и стали  отмечать неуклонное истощение его. Сейчас уже все понимают, что стратосферный  озон является своего рода естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы жесткого космического излучения - ультрафиолета-В

     Таким образом, большая часть воздействия  на озоновый слой планеты связана  с хозяйственной деятельностью  человечества. 

Что такое «озон»

           Озо́н (О₃) (от греч.ózō — пахну) — простое вещество, аллотропическое видоизменение кислорода. В отличие от кислорода молекула озона состоит из трёх атомов. При обыкновенных условиях представляет из себя резко пахнущий взрывчатый газ синего (в толстых слоях цвета, и обладающий сильнейшими окислительными свойствами.

     Озон  был открыт в 1839 году немецким химиком  Шенбейном, а в 1873г. его обнаружили в приземной атмосфере. Спустя 8 лет  английский химик Гартли обнаружил  озон в верхних слоях атмосферы.

     Озон  является постоянным компонентом атмосферы Земли и играет важнейшую роль для поддержания на ней жизни. В приземных слоях земной атмосферы концентрация озона чрезвычайно мала, однако с увеличением высоты концентрация озона резко возрастает, проходя через максимум на высоте 20—30 км. Общее содержание озона в атмосфере переменное, и колеблется в зависимости от времени года, и географической широты. Как правило, концентрация озона больше в высоких широтах и максимальна весной, и минимально осенью. Атмосферный озон играет ключевую роль для поддержания жизни на земле. Он защищает Землю от губительного воздействия определенной доли солнечной радиации, способствуя тем самым сохранению жизни на планете.  
          С другой стороны озон является весьма эффективным парниковым газом и поглощая инфракрасное излучение поверхности Земли препятствует её охлаждению. Установлено что нахождение и перемещение масс озона в атмосфере Земли существенно влияет на метеорологическую обстановку на планете.

История изучения озона

     Международный геофизический год 1957-1958 г. дал энергичный толчок развитию сети наблюдений озона. В СССР был сконструирован упрощенный новый озонометр, позволивший организовать наблюдения во многих пунктах страны. С 1960 г. при содействии Всемирной метеорологической организации (ВМО) и Канадской метеорологической службы началась регулярная публикация данных всей мировой озонометрической сети об общем содержании озона. 
          Дополнительный путь для изучения связей переноса озона и стратификации атмосферы открыли самолетные зондирования озона атмосферы и выпуски озонных зондов. 
Новая эпоха отмечена появлением в США и в СССР искусственных спутников Земли, наблюдающих атмосферный озон и дающих обширный объем информации. 
          Развитие творческой мысли на основе накопленных наблюдений позволило сделать выводы об истощении озонового слоя Земли, связанного с возрастанием концентрации загрязняющих озоноразрушающих веществ (хлорфторуглеродов) в атмосфере. В 1976 г. Всемирная метеорологическая организация выступила с проектом «Глобального исследования и мониторинга озона» и рекомендовала странам-членам ВМО вести регулярные наблюдения за озоном для определения трендов и оценки возможного влияния изменений ОСО на климат. 
          С этого времени проблема озона вышла на межправительственный уровень. В 1985 г. представителями 44 государств была принята Венская «Конвенция об охране озонового слоя». Государства.участники конференции обязались вести систематические наблюдения за количеством озона и изучать как процессы, приводящие к его изменению, так и возможные биологические последствия таких изменений. 
          В 1986 году был подписан Монреальский протокол по ограничению производства и потребления озоноразрушающих веществ, разрушающим озоновый слой, участницей которого является и Россия. На сегодняшний день к Монреальскому протоколу присоединились 189 стран. Протокол предусматривал, например, полное прекращение производства пяти основных хлорфторуглеродов (ХФУ) в 1996 всеми промышленно развитыми странами (ПРС) и в 2010 г. развивающимися странами (РС). Установлены сроки прекращения производства и других озоноразрушающих веществ. По модельным прогнозам (при соблюдении Протокола) уровень хлора в атмосфере снизится к 2050 г. до уровня 1980 г., что может привести к исчезновению антарктической «озоновой дыры». 

Местоположение  и функции озонового  слоя

     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.

     Озоновый  «экран» расположен в стратосфере, на высотах от7-8 км на полюсах, 17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего  озон в слое 22 - 24 километров над Землей.

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

     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.

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.

     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. 

Что приводит к разрушению озонового слоя

     К разрушению озонового слоя приводят многочисленные факторы.

В первую очередь  это, конечно же, фреоны. Фреоны –  это собирательное название целой группы химических веществ появившихся на свет ещё в 20 годы. В основном они использовались в холодильниках в качестве хладагентов. Ещё одна область применения фреонов это использование их в аэрозольных упаковках в качестве распылителя. Так как большая часть производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно сказать, что выпуск фреонов почти полностью работает на сокращение озонового слоя.

Фреоны достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу. В стратосфере под действием  ультрафиолетового излучения они достаточно быстро разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и участвуют в разложении озона.

     Ещё один фактор, приводящий к уменьшению озонового слоя. Это высотные самолёты и запуски космических кораблей. Высокая температура в камерах сгорания реактивных двигателей, приводит к образованию окислов азота из находящихся там азота и кислорода. Причём скорость образования азота на прямую зависит от температуры, то есть мощности двигателя. Но ещё и очень важно, на какой высоте находится двигатель и выпускает в атмосферу разрушающие озон окислы азота. Чем выше, тем хуже для озона.

     Теперь  рассмотрим действие минеральных удобрений  на разрушение озонового слоя. Озон может уменьшаться за счёт того, что в стратосферу попадает закись азота N₂ O, которая образуется при денитрификации связанного почвенными бактериями азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхних слоях океанов и морей. Эти процессы напрямую связаны с содержанием азота. Таким образом, можно быть уверенным, что с ростом количества минеральных удобрений вносимых в почву будет также и расти количество закиси азота. Далее образующиеся из закиси азота, окислы азота приводят к разрушению озонового слоя.

     Ядерные взрывы тоже способствуют истощению  озонового слоя. При сильном нагреве, а температура ядерного взрыва около 6000°С. Происходят такие преобразования химических веществ, которые при  нормальных условиях протекают вяло или вообще не протекают. Излучение при взрыве приводит к образованию окиси азота, а происходит это, прежде всего, потому что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакции с другими составляющими атмосферы и образуют окислы азота.

     Закись  азота обнаруживается также и  в дымовых газах электростанций. Это очень сильный источник влияния  на атмосферу.

     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

     Самые крупные потери озона в Арктике  и Антарктике происходят зимой и  в начале весны, когда полярные стратосферные  вихри изолируют воздух в своих  пределах. Когда температура воздуха падает ниже -78°С, формируются облака, состоящие из льда, азотной и серной кислот. В результате химических реакций на поверхности ледяных кристаллов в облаках выделяются хлорфторуглероды (ХФУ). Из-за воздействия ХФУ начинается истощение озона, и появляется озоновая "дыра". Весной         температура воздуха повышается, лед испаряется, и озоновый слой начинает восстанавливаться. 

    Проблема  озонового слоя

    Глобальная  изменчивость или глобальные изменения  в последние годы превратились в основную проблему исследований в области окружающей среды главным образом благодаря тому огромному влиянию, которое она по всей вероятности будет оказывать на мировое сообщество

    В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы  из Британской Антарктической Службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшие также, что область пониженного содержания озона простирается  за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболее подробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международный Самолетный Антарктический Озоновый Эксперимент. В его ходе ученые из 4 стран несколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собрали детальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах. Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озоновая "дыра". (Озоновая дыра -  разрыв озоносферы  диаметром св. 1000 км,  возникший над Антарктидой и перемещающийся в населенные районы Австралии. Озоновая дыра возникла предположительно в результате антропогенных воздействий ,  в т. ч. широкого использования в промышленности и быту хлорсодержащих хладонов  (фреонов), разрушающих озоновый слой. Озоновая дыра представляет опасность для живых организмов, поскольку озоновый слой защищает поверхность Земли от чрезмерных доз ультрафиолетового излучения  Солнца. В 1985 принята.)

    В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упало на 5%.

Это открытие обеспокоило как ученых, так и  широкую общественность, поскольку  из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большей  опасности, чем считалось ранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере менее 0.0001%, однако, именно озон полностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца с длиной волны l<280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б с 280<l<315 нм, наносящие серьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1% приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхности земли на 2%. Эта оценка подтверждается измерениями, проведенными в Антарктиде. Правда, из-за низкого положения солнца, интенсивность ультрафиолета в Антарктиде все еще ниже, чем в средних широтах. Ультрафиолетовое излучение Солнца  это коротковолновое электромагнитное излучение (400-10 нм), на долю которого приходится около 9% всей энергии излучения Солнца. Ультрафиолетовое излучение Солнца ионизирует газы верхних слоев земной атмосферы, что приводит к образованию ионосферы.