Озоновый слой. Проблемы сокращения озонового слоя

 

Самарский государственный

экономический университет

Заочный факультет

 

 

г. Самара, ул. Советской  Армии, 141, тел. 224-45-99

фамилия, имя, отчество студента

 

Курс______Специальность_____________________________________________________

Занимаемая должность___________________________________________

Наименование  предприятия_______________________________________

Контрольная_____________________________________________________

_____ работа №_____ по дисциплине_______________________________

курсовая__________________________________________________________

Дата получения  работы деканатом_______________________________

Дата сдачи  работы на кафедру___________________________________

Дата рецензирования работы_____________________________________

Дата возвращения  работы кафедрой в деканат___________________

Контрольная, курсовая работа представляется экзаменатору

при сдаче экзамена.

Контрольную работу прошу возвратить по следующему

адресу:

Кому_____________________________________________________________

Куда:_____________________________________________________________

Содержание

1. Озоновый слой. Проблемы сокращения озонового слоя 3

2. Понятие экологического мониторинга 12

3. Основные особенности экологических проблем России 18

4. Негативное  воздействие складирования отходов производства и потребления………………………………………………………………...30

5. Список литературы………………………………………………………...40

 

1. Озоновый слой. Проблемы сокращения озонового слоя

Озон появился в атмосфере исключительно химическим путём и является самой молодой атмосферной компонентой. С экологической точки зрения наиболее ценным свойством озона является его способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца; в то же время как химическое соединение озон является сильнейшим окислителем (попросту ядом), способным при непосредственном контакте отравить ту самую флору и фауну, которую он защищает в качестве стратосферного озонового слоя. Помимо этого озон является эффективным парниковым газом. А так же озон оказывает заметное влияние на малые активные составляющие атмосферы, а через них – и на стабильные компоненты, которые, как и сам озон, поглощают и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Тем самым озон оказывает не только прямое, но и косвенное влияние на парниковый эффект и уровень ультрафиолетового излучения на поверхности Земли.

Эти свойства делают озон одной  из наиболее важных малых атмосферных  составляющих, сохранение которой на современном уровне обеспечивает те экологические и биологические  условия, в которых земная фауна  и флора существует уже многие миллионы лет.

Растительность на суше появилась  лишь чуть более 400 миллионов лет  тому назад, когда содержание кислорода составляло более 0,6, а озона – более 0,8 современного уровня, что оказалось достаточным, чтобы защитить живые клетки от коротковолнового солнечного излучения. До этого момента жизнь развивалась исключительно в водной среде, которая и обеспечивала соответствующую защиту вместо озонового слоя. За счёт появление растительности на суше ускорилось накопление атмосферного кислорода и вскоре содержание кислорода и озона в атмосфере достигли современного уровня. А до этого накопление кислорода происходило за счёт процессов фотосинтеза в океане, а также благодаря дегазации базальтовой магмы. Оба этих источника атмосферного кислорода продолжают действовать и сейчас, причём доля океана в фотосинтезе кислорода сегодня составляет 80%.

Отсюда можно сделать  вывод, что жизнь на Земле последние 400 миллионов лет развивалась  под защитой озонового слоя. Озон поглощает солнечное УФ-излучение  совершенно в том же диапазоне  длин волн, что и молекулы живых  клеток. В результате биологически опасное УФ-излучение поглощается  в атмосфере, не достигая поверхности  Земли.

В диапазоне длин волн 230-290 нм, который биологически является наиболее чувствительным, высота, поглощающая 90% первичного солнечного ультрафиолетового излучения превышает 30 км, обеспечивая надёжную защиту живых форм на поверхности Земли. В отсутствие весь поток озонового слоя в этой области длин волн достигал бы поверхности Земли, возвращая нас к ситуации, существовавшей 4 миллиарда лет тому назад. Убыль атмосферного озона на 20% , может вернуть бы нас на 400 миллионов лет назад, когда на суше не было даже растений.

«Основное воздействие УФ-излучения на живую клетку связано с повреждением молекул ДНК. Это объясняется ролью ДНК в жизнедеятельности клетки, а также тем, что нуклеиновые кислоты поглощают УФ-излучение гораздо сильнее, чем молекулы белков, образующих клетку».¹

Имеет смысл разобраться, каким образом природа создала  и сохраняет озоновый слой, и как  человек может этому помешать.

«Ученые считают, что основной причиной истощения озонового слоя является применение людьми хлорфторуглеродов (фреонов), которые широко используются в быту и производстве в виде аэрозолей, дореагентов, пенообразователей, растворителей и т.д. В 1990 г. Мировое производство озоноразрушающих веществ составляло более 1300 тыс. т. Хлорфторуглероды (CFCl₃ и CF₂Cl₂), попадая в атмосферу, разлагаются в стратосфере с выделением атомов хлора, которые катализируют превращение озона в кислород»².

Так же очень вредно на озоновый слой влияют такие факторы, как ядерные  взрывы, выброс отработанных газов  при полетах высотных самолётов  и крупных ракет и добыча нефти  и природного газа.

«Практически единственным источником озона в атмосфере является фотодиссоциация молекулярного кислорода на атомы с последующим быстрым прилипанием атома к молекуле O₂ с образованием молекулы озона:

О₂ + hν → О + О, λ ≤ 242 нм;  (1)

О + О₂ + М → О₃ + М,             (2)

(здесь М – любая молекула воздуха).              

Этот процесс происходит на высотах более 30 км, поскольку  ниже этой высоты коротковолновое солнечное  излучение не проникает. В результате довольно высоко в атмосфере появляются молекулы озона и атомы кислорода.

Гибель атмосферного озона  происходит в результате следующих процессов:

О₃ + hν → О + О₂,                    (3)

О + О₃ → О₂ + О₂.                     (4)

Таким образом образовавшиеся когда-то из молекул кислорода атомы  вновь соединяются в молекулу. Но для того чтобы "развалить" молекулу озона, коротковолновое излучение не нужно. Связь атома О с молекулой О₂ в озоне очень слабая, поэтому даже при облучении видимым светом молекула озона будет фотодиссоциировать на исходные составляющие.

Отметим также, что реакция (3) является основным поставщиком атомов кислорода; её скорость на всех высотах  тропосферы и стратосферы на три  и более порядков выше скорости реакции (1).

Приведенный выше механизм был предложен в начале 1930-х  годов английским геофизиком Чепменом и явился первой попыткой объяснить  образование озонового слоя в  атмосфере».³

Накопленный за день в стратосфере озон ночью сохраняется на дневном уровне. Такой же механизм действует и в течение всего года. Он заключается в том, что образующийся в тропической стратосфере (где высок уровень коротковолнового УФ-излучения) озон переносится к полюсам, где в течение полярной ночи происходит его накопление. В результате во все сезоны больше всего озона находится в высоких широтах. Распределения общего содержания озона на всех широтах имеет максимум весной, что объясняется накоплением озона в зимний период.

К сказанному выше по поводу Чепменовского механизма образования  атмосферного озона нужно добавить следующее.

«Помимо реакции (4) к гибели озона приводят и реакции (5) и (6):

О₃ + О₃ → О₂ + О₂ + О₂,       (5)

О + О + М → О₂ + М,           (6)

хотя в последнем случае реагируют не молекулы озона, а атомы  кислорода. Последнее обстоятельство объясняется тем, что атомы кислорода и молекулы озона образуют в атмосфере жёстко связанную систему частиц, называемую нечётным кислородом, в которой атомы O и молекулы О₃ формально неразличимы. После образования молекулы озона и до её гибели через 0,6 года (на высоте 30 км) происходят быстрые взаимные превращения между O₃ и O, в которых частицы нечётного кислорода, O_x = O₃ + O, сохраняются.

Реакция (4) является основным и единственным процессом гибели молекул озона, в которой погибают две частицы нечётного кислорода – и молекула озона, и атом кислорода. Выбор истинной реакции гибели озона чрезвычайно важен. Ведь формально можно принять, что реакция О₃ + hν→ О₂ + О – тоже приводит к гибели озона. В этом случае время жизни молекул озона на высоте 30 км было бы 0,5 часа, а на высоте 15 км – двое суток и перенос озона из тропиков к полюсам был бы невозможен. Только приняв, что озон (и атомарный кислород) погибают в реакции (4), можно правильно оценить и равновесную концентрацию озона и атомов кислорода, а также атмосферное время жизни этих частиц. Поскольку в нашей концепции О₃ и О рассматриваются как одна и та же частица О_х, постольку и атмосферные времена жизни этих частиц одинаковы. Другими словами, если на высоте 30 км молекула озона живёт 0,6 года, то столько же живёт и атом кислорода»⁴.

Важность выбора реакции (4) как основного стока нечётного  кислорода усиливается ещё и  тем обстоятельством, что действие всех других естественных и антропогенных  компонент, разрушающих озон, обусловлено исключительно ускорением этой реакции.

«Это ускорение связано с появлением более быстрых параллельных путей основной реакции гибели нечётного кислорода:

О₃ + 2X → 2XO + 2O → O_2,

где X = OH, NO, Cl, Br и др»⁵.

Только наличие мощного естественного химического ускорителя позволит антропогенным факторам оказать влияние на атмосферный озон, несмотря на то, что, например, скорость появления атомов хлора из фреонов в стратосфере в миллионы раз меньше скорости образования молекул озона солнечным светом. Цепной механизм разрушения стратосферного озона является уникальной особенностью озонового слоя, не имеющей аналогов в газофазной химии атмосферы. Правда, эта уникальность сделала озоновый слой чрезвычайно чувствительным по отношению к антропогенным воздействиям. В результате человек чуть не разрушил то, благодаря чему он появился на Земле.

Такую возможность ещё 35 лет тому назад предсказали американские учёные Ф. Шервуд Роуланд и Марио Молина (за что в 1995 году им присудили Нобелевские премии в области химии), а затем были приняты Венская конвенция (1985 г.) и Монреальский протокол (1987 г.), запретившие производство озоноопасных веществ.

Суммарное действие всех процессов  образования и разрушения приводит к высотному распределению озона. Фреоны разрушают озон, в результате чего слой озона становится тоньше, а уровень УФ-излучения на земной поверхности становится больше.

Пик озона находится на высоте 20-25 км, где его относительное содержание составляет около 5 ppm (part per million), т.е. около пяти молекул озона на миллион молекул воздуха.

«Современные (т.е. в конце ХХ-го столетия) значения концентрации озона на разных высотах и его общее количество (т.е. содержание в столбе атмосферы) стали заметно меньше, чем 50 лет назад. Как теперь надёжно установлено, это явилось следствием появления в атмосфере антропогенных галоидсодержащих соединений (фреонов), широкое применявшихся в последние десятиления в промышленности и быту»⁶.

«Молекулы фреонов являются чрезвычайно устойчивыми химическими соединениями, которые к тому же плохо растворяются в воде. По этим причинам, оказавшись в атмосфере вблизи поверхности Земли, они беспрепятственно проходят тропосферу, т.е. первые 10-15 км, и в конце концов добираются до стратосферы, где сосредоточено 90% атмосферного озона. Правда, это путешествие в стратосферу происходит довольно сложным образом, поскольку фреоны (как и все другие соединения) могут попасть в стратосферу с поверхности Земли только с тропическими конвективными потоками. Поэтому сначала им нужно добраться до тропиков. Это путешествие занимает около месяца. Конвекция наверх, т.е. до высоты 10-15 км занимает дни и даже часы, но чтобы подняться на высоту 35 км нужно 15 лет. Таким образом в принципе влияние на озоновый слой могут оказать только такие соединения, время жизни которых в атмосфере превышает несколько десятков лет. Поэтому фреоны, живущие 50 и более лет, способны разрушать стратосферный озон, а выбрасываемые у поверхности Земли окислы азота, время жизни которых равно нескольким дням, никакого влияния на стратосферный озон оказать не могут»⁷.

На высотах более 30 км фреоны фотодиссоциируют под действием солнечного ультрафиолетового излучения, давая атомы хлора, которые цепным образом разрушают стратосферный озон по уже известному механизму. Следствием роста атмосферного содержания фреонов, производство которых непрерывно увеличивалось в последние десятилетия, явилось истощение озонового слоя.

Однако наиболее ярким  проявлением антропогенного воздействия  на озоновый слой Земли явилось открытие в 1985 году английским геофизиком Фарманом антарктической весенней озоновой дыры, в которой истощение озонового  слоя составляет 50 и более %.

Это открытие явилось полной неожиданностью, поскольку озоновая дыра обнаружилась, в совершенно “мёртвой” зоне, где “нормальный” озон мог только сохраняться и накапливаться. Но дальнейшие наблюдения и исследования этого необычного явления убедительно показали, что оно явилось неизбежным следствием накопления в атмосфере озоноразрушающих антропогенных веществ. Здесь "помогли" и совершенно уникальные метеорологические условия, существующие в антарктической стратосфере.