Озоновые дыры

  Введение 

  “Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания”.

  Ж.Б.Ламарк. 

  С возникновением человеческой цивилизации  появился новый фактор, влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. наших современников оказывают на природу такое же по маштабам воздействие, какое могли оказать люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек, а количество высвобождаемой энергии, получаемой землёй от солнца.

  С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство  человека в природу резко усилилось, расширялся объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества.

  Расход  невозобновимого сырья повышается, всё больше пахотных земель выбывает из экономики, так как на них строятся города и заводы. Биосфера Земли  в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает состояние воздушного пространства нашей планеты.

  Прогрессирует и накопление углекислого газа в  атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете.

  В результате перед обществом возникла дилемма: либо бездумно катиться к своей  неизбежной гибели в надвигающейся  экологической катастрофе, либо сознательно превратить созданные гением человека могучие силы науки и техники из орудия, ранее обращенного против природы и самого человека, в орудие их защиты и процветания, в орудие рационального природопользования.

  Над миром нависла реальная угроза глобального экологического кризиса, понимаемая всем населением планеты, а реальная надежда на его предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и просвещении людей.

  Всемирная организация здравоохранения определила, что здоровье человека на 20% зависит от его наследственности, на 20% от состояния окружающей среды, на 50% от образа жизни и на 10% от медицины. В ряде регионов России к 2005 году предполагается следующая динамика факторов, влияющих на здоровье человека: роль экологии возрастет до 40%, действие генетического фактора увеличится до 30%, до 25% уменьшится возможность поддержания здоровья за счёт образа жизни и до 5% снизится роль медицины.

  Характеризуя  современное состояние экологии, как критическое, можно выделить главные причины, которые ведут к экологической катастрофе: загрязнение, отравление среды обитания, обеднение атмосферы кислородом, озоновые дыры.

  Целью настоящей работы явилось обобщение  литературных данных о причинах и  последствиях разрушения озонового  слоя, а также способах решения проблемы образования “озоновых дыр”. 

  1. Озон и его роль в природе

  Химические  и биологические  особенности озона. 

  Озон  является аллотропной модификацией кислорода. Его молекула диамогнитна (в отличие от парамагнитной О₂ ), имеет угловую форму О

  О О

  ¶ связь в молекулу является делокализованной трехцентровой, предполагается также донорно-акцепторный механизм образования химических связей в озоне:

  О О 

О О О О 

  Характер  химических связей в озоне обусловливает  его неустойчивость (через определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 —>3О2)

  и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в  которые молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на органические вещества связанно с образованием радикалов: RH+ О3 RО2 +OH

  Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на его способности  убивать микробы. Озон не безразличен и для высших организмов. Длительное пребывание в атмосфере, содержащей озон (например, в кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые нарушения нервной системы. Поэтому, озон в больших дозах является токсичным газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны – 0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при озонировании воды, вследствие его низкой растворимости. 

  1.2. Условия образования и защитная роль озонового слоя. 

  Известно, что основная часть природного озона  сосредоточена в стратосфере  на высоте от 15 до 50 км над поверхностью Земли. Озоновый слой начинается на высотах  около 8 км над полюсами (или 17 км над  Экватором) и простирается вверх  до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода (О₂ —> О₃).

  Больше  всего озона в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км, который  называют озоновым. Концентрация озона  в этом слое невелика, однако общее  его количество в стратосфере  достигает очень внушительной цифры  – более 3 млрд тонн. 

  Образование озона из обычного двухатомного кислорода  требует довольно большой энергии  – почти 150 кДж на каждый моль. Такая  насыщенность озона энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная реакция –  взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:

  О₂ + О О₃.

  Атомарный кислород – еще более насыщенное энергией вещество – образуется при  электрических разрядах в кислороде  и воздухе, а в стратосфере  появляется под 

  действием постоянного и довольно мощного  ультрафиолетового излучения Солнца:

  Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием:

  O2+h O+O ; O+O3 2O2; O3+h O2+O;

  поэтому усредненная концентрация озона  в течение длительного времени  оставалась постоянной. Процесс образования  и разложение озона называют циклом Чемпена. Результатом процессов в цикле является переход солнечной энергии в теплоту. Озоновый цикл ответственен за повышение температуры на высоте 15 км. 

  Защитная  роль озонового слоя. Озон поглощает часть ультрафиолетового излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200–300 нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение. 

  Химические  процессы в тропосфере.

  В химических превращениях различных  загрязняющих веществ в тропосфере ключевое место занимает OH – радикал к образованию которого ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с участие озона: O3+h O2+O

  O+H2O OH+OH

  В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:

  NO2+ h (L<400нм) NO+O

  O+O2 O3

  О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении : O3+NO NO2+O2 O3+NO2 NO3+O2

  В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды: Н2О+h H+OH

  H2O+O 2OH

  Определённый  вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать реакции фоторазложения HNO2, HNO3, H2O2

  HNO2+h (L<400нм) NO+OH

  HNO3+h (L<330нм) NO2+OH

  H2O2+h (L<330нм) 2OH 

  В тропосферных процессах гидроксильный  радикал играет ключевую роль в окислении  углеводородов:

  RH+OH HOH+R

  R+O2 RO2

  RO2+HOH ROOH+OH

  Наиболее  типичным и основным по массе органических загрязнителем атмосферы является CH4.Окисление CH4 под действием ОН протекает сопряженно с окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических соединений:

  ОН+СН4 Н2О +СН3

  СН3+О2 СН3О2

  СН3О2+NО  СН3О+NО2

СН3О+О2 СН2О+НО2

  В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора и при воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде

  СН4+4О2 СН2О+Н2О+2О3

  т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к образованию  тропосферного озона. Скорость этого  процесса тем больше, чем выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО удваивает приземную концентрацию О3, а рост утечки СН4 многократно опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к ещё большему увеличению концентрации О3 по сравнению с переносом О3 из стратосферы.

  Рост  приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой растительности и животного мира.

  Образующийся  при окислении метана формальдегид окисляется далее радикалами ОН с  образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного сгорания ископаемого топлива.

  ОН+СН2О  Н2О+НСО

  НСО+О2 НО2+СО 

  1.4. Причины образования “озоновой дыры”. 

  Летом и весной концентрация озона повышается; над полярными областями она всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже хорошо известно, когда в 1980-х гг. наблюдения показали, что над Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение концентрации стратосферного озона. Это явление получило название «озоновая дыра» (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не было) и стало внимательно исследоваться.

  Позднее, в 1990-е гг., такое же уменьшение стало происходить и над Арктикой. Феномен Антарктической “озоновой дыры” пока не понятен: то ли “дыра” возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс.

  Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что причина нежелательного явления – реакции с озоном некоторых веществ, производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные углеводороды и особенно фреоны – хлорфторуглероды, или углеводороды, в которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и хлора.

  Хлорфторуглероды  широко применяются в современных бытовых и промышленных холодильниках (в России их поэтому называют «хладонами»), в аэрозольных баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные – для тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло почти 1,5 млн т.

  Будучи  легколетучими и довольно устойчивыми  к химическим воздействиям, хлорфторуглероды после использования попадают в  атмосферу и могут находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который и служит главным «нарушителем порядка» в озоновом слое. CF2Cl2 CF2Cl+Cl

Последующие реакции CF2Cl с О2 и h приводят к отщеплению второго атома хлора.

  Хлор  «съедает» и озон, и атомарный  кислород за счет протекания довольно быстрых реакций:

  О3 + Сl = О2 + ClO

  СlO + O = Cl + O2

  Причем  последняя реакция приводит к  регенерации активного хлора. Хлор, таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.

  Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере снизилась  на 10%.

  Озоноразрушающий  потенциал некоторых веществ