Озоновий шар Землі
Озоновий шар Землі - розділ Екологія, Збірник активного роздавального матеріалу з дисципліни «Екологія» Озон І Скорочення Озонового Шару Озон (О3) — Аг.
Озон та скорочення озонового шару
Озон (О3) - агресивний газ із сильною окислювальною дією. У перекладі з грецької ozon означає «пахнучий», оскільки він має різкий різкий запах. Цей запах можна відчути після грози.
Озон утворюється в атмосфері при дії на кисень високих енергій короткохвильових УФ-променів та електричних розрядів. Висока енергія розщеплює кисень на окремі атоми, які зв'язуються з молекулярним киснем, утворюючи озон:
Молекули озону дуже нестійкі та легко розкладаються, тому ця реакція є оборотною.
Екологічна роль озону двояка.
1. Утворюючись біля Землі як компонент фотохімічного смогу, озон є надзвичайно шкідливим, оскільки має сильні окислювальні властивості і дратує слизову оболонку очей і дихальні шляхи.
У поверхні Землі озон утворюється при грозових розрядах і в результаті фотохімічних реакцій між оксидами азоту (NO і NO2) і леткі вуглеводні, що виділяються з вихлопними газами автомобілів.
2. Утворюючись у верхніх шарах стратосфери, озон формує озоновий шар, який захищає організми Землі від дії короткохвильових УФ-променів. На реакції синтезу озону витрачається до 98% енергії короткохвильових УФ променів Сонця, завдяки чому вони не досягають поверхні Землі і не надають згубної дії на організми. За це озоновий шар називають "захисним екраном" Землі. Без нього на Землі не могло б існувати життя.
Освіта озонового шару стало можливим, коли концентрація кисню в атмосфері досягла 1% від сучасногорівня. Поява озонового шару дозволило життя вийти на сушу, тоді як раніше життя могло існувати лише в океані.
Найбільші кількості озону утворюються на висоті 17-48 км. Максимум його концентрації знаходиться на висоті 20-25км.
Як зазначалося, реакція освіти озону є оборотною і у атмосфері є певний баланс вмісту озону і кисню. Концентрація озону в атмосфері визначається співвідношенням між швидкостями його утворення та руйнування.
При розпаді озону виділяється тепло і у стратосфері спостерігається підвищення з висотою.
Озоновий шар відрізняється дуже високою розрідженістю - його щільність складає всього 0,01-0,06 мг/мм 3 і якщо було б можливо стиснути його тиском силою в 1 атм., То його товщина не перевищила б 3-5 мм. Незважаючи на це, озоновий шар виконує в атмосфері дві найважливіші функції:
- захищає організми від шкідливої дії УФ променів, які коагулюють цитоплазму, викликають сонячні опіки, рак шкіри, катаракту (помутніння кришталика ока), ослаблення імунітету та ін;
- Формує стратосферу - шар атмосфери, в якому температура наростає з висотою, чим обмежує процеси формування погоди межами тропосфери: верхні нагріті шари атмосфери перешкоджають підняттю холоднішого приземного повітря. Якби не озоновий шар, то температура атмосфери поступово знижувалася з висотою і температурний режим Землі був зовсім іншим.
Шар озону розподілений над Землею нерівномірно, його товщина змінюється у часі: за сезонами року залежить від 11-річних циклів сонячної активності.
Малюнок 5.1 Чинники, що впливають стан озонового шару
Механізм утворення озону був пояснений 1930 р. американським хімікомС.Чепменом, проте коли у 1950-ті рр., було проведено вимірювання його вмісту в стратосфері, з'ясувалося, що кількість озону в ній є набагато меншою, ніж прогнозувалося теоретично. Дещо пізніше була висловлена думка, що в атмосфері є фактори, що руйнують озон. У 1960-х гг. вчені дійшли висновку, що такими факторами є вільні радикали з водяної пари і оксиди азоту, що виділяються в стратосферу з вихлопами надзвукових літаків і надходять із нижніх шарів тропосфери (рис. 5.1).
У 1973 р. американські хіміки Ф. Роуленд і М. Моліна встановили, що озон руйнують хлорфторвуглеводні (ХФУ), відомі під комерційною назвою «фреони» — СF2Сl3, СF2С12 та ін. За це відкриття Ф. Роуленду і М. Моліні була присуджена Нобелівська премія.
ХФУ почали випускати в промислових масштабах з 1930-х рр., а до 1973 р. їх щорічне виробництво у світі досягло 1 млн. т. , стійкі до окислювачів, кислот, лугів, що не реагують з більшістю металів.
ХФУ широко використовувалися як:
- холодоносіїв у холодильних установках, кондиціонерах, системах теплоізоляції;
- органічних розчинників у електронній промисловості;
- Розпилювачів в аерозольних балончиках.
Близькі до них за властивостями бромсодержащие сполуки - галони застосовувалися як піноутворювачі вогнегасника.
Понад 80% світового виробництва ХФУ припадало на індустріальні країни, переважно США та Японію. Головними джерелами надходження ХФУ в атмосферу були аерозольні балончики, викинуті холодильники та кондиціонери, спалювання поролону.
Виявилося, що дія ХФУ на озоновий шар пов'язана з їх надзвичайною стійкістю: потрапивши в атмосферу, ХФУ не руйнуються, а розсіюються, піднімаються вгору і через 40—150 років досягають стратосфери.
У стратосфері ХФУ розкладаються короткохвильовими УФ променями Сонця з вивільненням хлору, що посилює процес природного руйнування озону. Хлор вступає в реакцію з озоном з утворенням діоксиду хлору та кисню:
Окис хлору нестійкий, він також реагує з озоном і атоми хлору вивільняються і починається новий цикл:
Таким чином, розщеплення ХФУ УФ променями запускає ланцюгову реакцію, в якій один атом хлору, подібно до «ненаситного чудовиська», може зруйнувати до 100 тис. молекул озону. Це продовжується доти, доки він не зустріне на своєму шляху сполуки азоту або водню, що зв'язують його в неактивну форму.
При цьому хлор перетворюється на НСl і СlONO2 і припиняє свою дію на озон. Таким чином, ці сполуки є резервуарами хлору:
У присутності твердих частинок (кристалів льоду) чи крапель рідини (кислот) відбувається вивільнення хлору з резервуарів. Особливо швидко ці реакції йдуть за дуже низьких температур.
Зниження концентрації озону над Антарктидою назвали «озоновою діркою» В даний час розміри «дірки» майже рівні площі цього материка.
Різке зниження концентрації озону над Антарктидою пояснюють кількома причинами:
- утворення озону можливе лише за наявності УФ-променів, воно не йде під час полярної ночі;
- низькі температури сприяють утворенню над Антарктидою крижаних стратосферних хмар, на частках яких прискорюються реакції руйнування озону;
Головна причина зниження концентрації озону над Антарктидою – освіта над нею.крижаних стратосферних хмар, на частках яких активізуються процеси руйнування озону хлором. На частинках йдуть реакції вивільнення хлору з резервуарів і, таким чином, процес руйнування озону хлором знову запускається.
Існують два види стратосферних хмар: водно-льодові та хмари з тригідрату азотної кислоти (НNO3•ЗН2О). В обох випадках ядрами їхньої конденсації є краплі сірчаної кислоти. Для утворення цих хмар потрібні дуже низькі температури — менше -80°С і тому вони утворюються переважно над Антарктидою та меншою мірою над Арктикою, оскільки там немає таких потужних та постійних вихрових потоків.
Після відкриття «озонової діри» над Антарктидою було проведено наукові дослідження щодо вивчення впливу зниження концентрації озону в атмосфері на біологічні об'єкти. Було встановлено, що за зниження концентрації озону на 1% ступінь проникнення атмосферу УФ променів зростає на 1,5—2%. Це сприяє підвищенню частоти виникнення раку шкіри, катаракти, зниження імунітету організмів та ін.
Вчені дійшли висновку про те, що підвищені дози УФ випромінювання знижують якість насіння, стійкість рослин до посухи, захворювань, зменшують продукцію антарктичного фітопланктону та виживання мальків риб, що може катастрофічно вплинути на світове рибальство. У разі зниження вмісту озону в атмосфері на 25% продукція фітопланктону могла б зменшитися на 35%.
Крім того, виявилося, що ХФУ мають «парниковий ефект», а при зростанні інтенсивності УФ випромінювання в містах у них зростає ризик утворення фотохімічного смогу.
Було встановлено також, що аналогічними з ХФУ властивостями володіють і інші галогеновмісні речовини - чотирихлористий вуглець (ССl4), метилхлороформ (СН3ССl3) та інші, широкоякі застосовувалися як органічні розчинники.
У 1989 р. ХФУ було виявлено над Північним полюсом, але зменшення шару озону було менш значним — до 6%.
Оскільки виробництво ХФУ почалося в 1930-і рр., а його максимум припав на 1980-і рр., то нині повні збитки озоновому шару ще не стали очевидними, оскільки для підняття ХФУ в стратосферу потрібно не менше 40—150 років. Залежно від виду ХФУ, термін їх перебування в атмосфері становить 20—210 років. Таким чином, вже внесені в атмосферу забруднення виявлять себе лише у майбутньому.
Оцінивши обсяги виробництва ХФУ та їх надходження в атмосферу, вчені дійшли висновку, що це призводить до неминучого руйнування озонового шару.
З питань зниження викидів ХФУ в атмосферу проведено міжнародні наради та підписано низку угод. У 1989 р. на Міжнародній конференції в Гельсінкі 81 країною було досягнуто домовленості про припинення виробництва всіх видів ХФУ до 2000 р. Пізніші угоди сприяли скороченню виробництва також чотирихлористого вуглецю та хлороформу та знешкодженню ХФУ з приладів, що закінчили свою дію.
Нині озоновий шар виснажується зі швидкістю 0,5-0,7% на рік.
Заходами щодо зменшення руйнування озонового шару є:
- глобальна заборона використання ХФУ у тих сферах, де можлива їхня заміна іншими речовинами;
- утилізація ХФУ з холодильників і кондиціонерів, що відпрацювали свій термін;
- повна заборона виробництва ХФУ, галонів, хлороформу та чотирихлористого вуглецю.
До 1996р. багато розвинених країн повністю припинили виробництво стійких ХФУ, що руйнують озон. Вони були замінені іншими речовинами. Багато країн отримали матеріальну допомогу для технічного переозброєння своїхвиробництв. Завдяки цим заходам світове виробництво озоноруйнівних речовин скоротилося у кілька разів.
Але якби навіть можна було повністю припинити виробництво всіх цих речовин, то ефект від цих заходів міг би позначитися лише через кілька десятків років. Це пояснюється високою стійкістю ХФУ та тривалістю часу їх міграції до стратосфери — до 150 років.