Проблеми зменшення концентрації озону в атмосфері

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Значення озонового екрану

2. Чинники, що руйнують озоновий екран Землі

3. Заходи, направлені на збереження озону в атмосфері

Висновки

Література

Вступ

Атмосфера дає нам повітря і захищає від шкідливої дії сонячних променів. Завдяки своїй масі і земному тяжінню вона утримується навколо планети і не несеться в космічний простір. Крім того, шар атмосфери (завтовшки близько 480 км) служить щитом, що захищає нас від бомбардування мандруючими в космосі метеорами.

Атмосфера складається з суміші різних газів, переважно азоту (близько 78%) і кисню (21%). Один відсоток приходиться, в основному, на частку аргону плюс невелику кількість вуглекислого газу, гелію і неону.

В результаті усесвітньої індустріалізації за останні 200 років порушився пропорціональний склад газів, необхідний для збалансованої атмосфери. Спалювання викопних видів палива (вугілля, нафти, природного газу) призвело до колосальних викидів двоокису вуглецю і інших газів, особливо після появи автомобілів в кінці XIX століття. Прогрес в області агротехніки також спричинив збільшення кількості метану і оксидів азоту, що поступають в атмосферу.

Озоновий шар в стратосфері захищає нас шляхом поглинання ультрафіолетових сонячних променів. Проте, сучасне широке застосування у всьому світі хлор- та фторвуглеводнів, використовуваних в аерозольних балончиках і холодильниках, а також багатьох видів побутової хімії і полістиролу призвело до того, що кількість таких газів, що поступають в повітря, перевищує поглинаючі можливості атмосфери. У міру підйому вгору ці гази розпадаються і утворюють хлор, який, у свою чергу, руйнує озон.

Дослідники Антарктиди вперше повідомили про це явище в 1985 році, коли над частиною південної півкулі утворилася дірка в озоновому шарі. Якщо це відбудеться і в інших місцях планети, ми піддаватимемося інтенсивнішій дії шкідливого випромінювання. У 1995 році учені повідомили тривожну звістку про появу озонової дірки над Арктикою і частиною Північної Європи.

Розглянемо більш детально чинники, які руйнують озоновий шар Землі, наслідки цього руйнування та заходи збереження озону в атмосфері.

1. Значення озонового екрану

Озон - трьохатомний кисень (О₃), присутній в атмосфері від поверхні Землі до висоти 70 км. У приземних шарах повітря він утворюється під впливом випадкових чинників (грозові розряди, окислення органічної речовини і ін.). Озон надзвичайно отруйний (більш ніж чадний газ), гранично допустима концентрація його в повітрі 0,00001 %. Озон застосовують для очищення води і повітря від мікроорганізмів (озонування). Проте завдяки ньому стало можливе виникнення на Землі життя і її подальша еволюція.

Озоновий шар діє як фільтр, затримуючи ультрафіолетове випромінювання і не даючи йому дійти до поверхні Землі. Ультрафіолетове випромінювання згубне для білків і нуклеїнових кислот. Перші організми жили у воді і вода екранувала їх, поглинаючи енергію ультрафіолетового випромінювання. До появи захисного озонового шару ультрафіолетове випромінювання було, ймовірно, одним з головних чинників, що перешкоджали виходу перших живих організмів з води на сушу [1, с. 347].

У вищих шарах атмосфери (стратосфері) озон утворюється в разі дії ультрафіолетової радіації Сонця на молекулу кисню, яка спочатку розпадається на атомний кисень (О₂> О + О). У кінцевому висновку цієї фотохімічної реакції і з'являється озон (О₂ + О > О₃). Його концентрація в стратосфері залежить від інтенсивності варіацій ультрафіолетового випромінювання Сонця в різних довжинах хвиль. Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі менше 230 нм приводить до збільшення змісту озону. Зростання випромінювання в хвилях з більшою довжиною, викликаючи підвищення температури, навпаки, руйнує озон.

Основна маса озону знаходиться в стратосфері. З цієї причини стратосферу досить часто називають озоносферою. Вміст озону в ній нікчемно малий: товщина озонового шару, приведена до нормальних умов тиску атмосфери (101,3 мПа) і температури (0 °С) на поверхні Землі, складає близько 3 мм. Його вміст в атмосферному повітрі коливається, збільшується навесні і зменшується восени та взимку.

Шар максимальної концентрації озону на висоті 20-25 км отримав назву озонового екрану. Цей газ сильно поглинає сонячну радіацію в різних ділянках спектру, але особливо інтенсивно - в ультрафіолетовій частині, яка згубна для тварин і рослин. Озон поглинає ультрафіолетову радіацію з довжиною хвиль менше 400 нм дуже інтенсивно, а з більшою довжиною хвиль (до 1140 нм) значно менше. Поверхні Землі досягає лише незначна частина ультрафіолетової радіації з довжиною хвилі більше 280 нм. Завдяки озоновому екрану найбільш активна в біологічному відношенні частина сонячної радіації не може згубно впливати на живі організми.

В цілому озоновий шар поглинає близько 13 % сонячній енергії. Завдяки цьому поглинанню температура в стратосфері значно підвищується. Якщо в тропосфері температура знижується в середньому на 0,6 °С на кожні 100 м, до -60 °С і більш, то в стратосфері, завдяки наявності озону, вона підвищується, досягаючи над екватором 0 °С і над полюсами 10 °С. У мезосфері на висоті 75-80 км температура знов знижується до -80 °С і більш.

2. Чинники, що руйнують озоновий екран Землі

озон атмосфера ультрафіолетовий фреон

Озон атмосфери руйнується в результаті природного розкладу (кисневий цикл, або цикл Чепмена):

О₃ + О = О₂ + О₂ (2.1)

Ця реакція відбувається дуже повільно, але може прискорюватись за наявності з'єднань азоту, водню та хлору, які діють як каталізатори. Реакції азотного, водневого та хлорного циклів є такими:

а) азотний цикл:

О + NO₂ = O₂ + NO;

NO + О₃= NO₂+ O₂;

О + О₃= O₃+ O₂;

б) водневий цикл:

О + НO = OН + O ;

OН + О = НO + O ;

О + О = O + O ;

в) хлорний цикл:

Сl + О₃ = Сl + O₂;

O + ClO = Сl + O₂;

O + О₃ = O₂+ O₂.

Найімовірніші вони на висоті 20-40 км. Концентрації каталізаторів в 1000 разів менші від концентрації озону, кількість циклів руйнування на одну молекулу каталізатора становить від 102 до 107. Дія різних каталітичних циклів залежить від висоти (вище 35 км - хлорний цикл, нижче - азотний).

Ще ефективнішим каталізатором руйнування озону є бром, за участю якого можуть відбуватися такі цикли реакцій:

Вr + О₃ = BrO + O₂;

ВrО + О = Вr + O₂;

Вr + О₃ = ВrO + O₂;

ВrO + BrO = 2Вr + O₂.

Один атом брому може зруйнувати десятки тисяч молекул озону.

За наявності брому і хлору цикли мають такий характер:

Вг + О₃ = ВrO + О₃;

Сl + О₃ = Сl + O₂;

ВrO + Сl = Вr + Сl + O₂.

На руйнування озону стратосфери певною мірою впливають викиди продуктів згоряння палива космічної і ракетної техніки. Забруднюють високі шари атмосфери оксидами азоту сучасні надзвукові літаки [3, с. 73 -74].

Небезпека виснаження озонового шару полягає в тому, що може знизитися поглинання згубного для живих організмів ультрафіолетового випромінювання. Учені вважають, що однією з причин виснаження озонового шару (екрану) є застосування людьми хлорфторвуглеців (фреонів), які широко використовуються в побуті і виробництві у вигляді аерозолів, дореагентів, піноутворювачів, розчинників і т.і. В 1990 році світове виробництво озоноруйнуючих речовин складало більше 1300 тис. тонн. Хлорфторвуглеці, потрапляючи в атмосферу, розкладаються в стратосфері з виділенням атомів хлора, які каталізують перетворення озону на кисень. У нижніх шарах атмосфери фреони можуть зберігатися протягом десятиліть. Звідси вони поступають в стратосферу, де в даний час їх зміст щорічно збільшується на 5 відсотків. Передбачається, що причиною виснаження озонового шару може бути і зведення лісів як продуцентів кисню на Землі [6, с. 743].

Прорив через "озонові дірки" сонячних рентгено- і ультрафіолетових променів, енергія фотонів яких перевищує енергію променів видимого спектру в 50-100 разів, збільшує число могутніх лісових пожеж. У 1996 р. в Росії згоріли 2 млн. га лісу, горіли ліси в Австралії, Північній і Південній Америці, Африці, Європі, в Південно-східній Азії. Індонезійська лісова пожежа 1997 р., що бушувала майже п'ять місяців, покрила димом не тільки Індонезію, але і Малу Азію, Сінгапур, досягла Південно-Китайського моря. Люди задихалися від диму, потерпів катастрофу авіалайнер.

Інертні, негорючі, неотруйні, нескладні у виробництві, вони набули широкого поширення - в балончиках з аерозолями різного призначення, а також як рідини, що охолоджують, в холодильниках і кондиціонерах, як розчинники (тетрахлорметан, метилхлороформ, бромистий метил), у виробництві пестицидів. Бромистий метил використовується як дезинфікуюча речовина для грунтів і товарів (включаючи карантинну обробку деяких продуктів, призначених для міжнародної торгівлі), застосовується як добавка до автомобільного палива. З бромистого метилу вивільняється бром, який в 30-60 разів руйнівніший для озону, ніж хлор. Інші хімічні сполуки, що руйнують озоновий шар, використовуються в балонах для гасіння пожежі, при виготовленні стаканчиків полістиролів і сучасних упаковок для фасовки продуктів і напівфабрикатів.

Механізм дії фреонів такий: потрапляючи у верхні шари

атмосфери, ці речовини, інертні у земної поверхні, перетворюються. Під впливом ультрафіолетового випромінювання хімічні зв'язки в молекулах фреонів порушуються. В результаті виділяється хлор, який при зіткненні з молекулою озону вибиває з неї один атом. Озон перестає бути озоном, перетворюється на звичайний кисень. Хлор же, з'єднавшись тимчасово з киснем, незабаром знову виявляється вільним і "пускається в гонитву" за наступною "жертвою". Його активністі вистачає, щоб зруйнувати десятки тисяч молекул озону [5, с. 36 - 37].

3. Заходи, направлені на збереження озону в атмосфері

Захист озонового шару вимагає обмеження виробництва озоноруйнуючих речовин - перш за все, речовин з групи хлорфторвуглеців (фреонів). В кінці 1970-х - початку 1980-х років у ряді країн (США, Канада, Швеція і т. і.) активізувалися дослідження з проблеми озонового шару і навіть були прийняті заходи, обмежуючі виробництво і застосування фреонів. Так, в США в 1979 році був посилений контроль за виробництвом фреонів, використовуваних в аерозольних балончиках. Відповідно до Закону про чисте повітря були розгорнені роботи в області моніторингу стратосферного озону і оцінки наслідків зменшення його концентрації.

Незабаром стало очевидне, що зусилля окремих країн не можуть привести до скільки-небудь істотного поліпшення ситуації і потрібні скоординовані дії всієї світової спільноти. Про це, зокрема, йшла мова в резолюції, прийнятою Міжнародною конференцією з проблеми фреонів в 1979 році. Проте коли в грудні того ж року рішенням Ради ЄЕС було передбачено до 1981 року обмеження виробництва аерозольних товарів (що використовують фреон) на 30 % в порівнянні з рівнем 1976 року, то Франція, Італія і Великобританія чинили опір цьому рішенню. Вони заявили, що дане рішення може негативно позначитися на числі робочих місць і здатне внести розлад до загальної програми діяльності ЄЕС.

У травні 1981 року під егідою Програми ООН по навколишньому середовищу була створена експертна група для розробки проекту Міжнародної конвенції по захисту озонового шару. Найбільшу зацікавленість в розробці такого проекту виявили країни, розташовані в зоні високих широт, такі як Канада і скандинавські країни. Активну позицію зайняла також Австралія, на яку розповсюдилася загроза озонових дірок, що росли, над Антарктидою. Розвинені країни (США, Японія, Великобританія, Франція), яким через їх географічне положення озонові дірки полярних областей загрожували менше, зайняли обережнішу позицію. Їх більше турбували соціально-економічні труднощі, які могли виникнути в випадку ухвалення Конвенції. Ще меншу зацікавленість в проекті виявили країни, що розвивалися, які бачили в заходах щодо охорони озонового шару лише джерело нічим не виправданих матеріальних і фінансових витрат.

Експертна група працювала протягом трьох років і зуміла виробити підходи і принципи, що зближують позицію багатьох держав. Підсумкові матеріали (проект) були винесені на розгляд Конференції з охорони озонового шару в березні 1985 року у Відні. Конференція, в якій брали участь представники 37 держав, завершилася ухваленням Конвенції з охорони озонового шару. Угода мала "рамковий" характер, тобто фіксувала найбільш важливі зобов'язання сторін, складові юридичну основу для подальшого міжнародно-правового регулювання.

Останнє могло здійснюватися, наприклад, у формі додаткових протоколів, що конкретизують заходи по охороні озонового шару з урахуванням соціально-економічних особливостей різних держав-учасників угоди. Конвенція передбачала систематичні спостереження за станом озонового шару, співпрацю в правовій і науково-технічних областях, обмін інформацією. Конкретні заходи по обмеженню викидів хлорфторвуглеців передбачалося закріпити спеціальним протоколом, розробка проекту якого доручалася робочій групі під егідою ЮНЕП до 1987 року [4, с. 460 - 462].

В 1987 року в Монреалі (Канада) був підписаний протокол про скорочення виробництва фреонів. Його підписали 33 держави, які прийшли до угоди про 50%-кове скорочення виробництва і використання озононебезпечних фреонів до 1997 року [5, с. 37].

Через три роки (у 1990 році) в Лондоні відбулась планова конференція представників країн-учасників протоколу Монреаля, на якій раніше прийнята програма, скорочення виробництва фреонів було визнане недостатнім. Рішення даної конференції вимагали повного припинення виробництва і використання фреонів з високою, озоноруйнуючою здібністю до 2000 року; виключення зроблене лише для метилхлороформа, який відносно менш небезпечний для озонового шару. Його виробництво планувалось припинити до 2005 року. На Лондонській конференції був утворений спеціальний фонд допомоги країнам, що розвивалися, в їх переході на нові хімічні технології, безпечні для стану стратосферного озону.

У 1991 році 81 країна країни ЄЕС дали згоду ліквідувати виробництво фреонів до 2000 року [4, с. 462].

Наступним кроком повинна стати заборона на виробництво метилбромідів та гідрофреонів. Рівень виробництва перших з 1996 року заморожен в промислово розвинених країнах, гідро фреони повністю знімаються з виробництва до 2030 року. Розвиваючі країни до сих пір не взяли на себе обов`язків по контролю над цими хімічними речовинами.

У списку головних озонових "шкідників" безпорний пріоритет належить США, Японії та Великій Британії.

У 1997 р. виповнилося десять років з моменту підписання протоколу Монреаля. За цей час здійснювалася широка міжнародна співпраця по охороні озонового шару Землі. Завдяки узгодженим зусиллям міжнародного співтовариства за ці роки виробництво і споживання речовин, найбільш небезпечних для озонового шару, скоротилося більш ніж удвічі. Зупинено зростання вмісту в атмосфері озоноруйнуючих речовин. Учені вважають, що вже найближчими роками почнеться відновлення озонового шару.

Але й надалі необхідно:

1) проводити організацію спостережень, обліку і контролю змін стану озонового шару під впливом господарської діяльності і інших процесів;

2) встановлювати і дотримуватися нормативів граничне допустимих викидів речовин, що впливають на стан озонового шару;

3) регулювати виробництво і використання речовин, що руйнують озоновий шар;

4) застосовувати заходи відповідальності за порушення вказаних вимог

Список хімічних речовин та відходів виробництва, погано діючих на стан озонового шару атмосфери затверджується спеціально уповноваженими державними органами в області охорони навколишнього середовища [5, с. 38 - 39].

Висновки

Дослідження озонового шару почалися у 1930 р. Згодом вони були розширені, а для ведення спостережень була створена спеціальна мережа станцій ("мережа Добсона"). Вимірювання кількості стратосферного озону протягом 1980-1991 рр. з канадського супутника "Німбус-7" засвідчили, що швидкість руйнування озону становить 0,224 % на рік. За оцінками НАСА (США), з 1978 по 1990 рік його кількість в озоновому екрані скоротилася на 45 %. Через зменшення товщі озонового екрана та розриви в ньому зростає кількість ультрафіолетового випромінювання, що досягає поверхні Землі (за останні 10 років - на 10 %, а в Антарктиді, де стійко зберігається озонова діра, - на 40 %). Невелику озонову діру виявлено у Північній півкулі над Шпіцбергеном. її поява спричинила зростання ультрафіолетового фону на територіях, розташованих поблизу.

За даними "Грінпіс", зменшення товщі озонового шару на кожні 10 % спричинює збільшення кількості випадків захворювання раком шкіри на 300 тис. випадків, є однією з причин захворювання катарактою очей. Підвищене ультрафіолетове опромінення знижує імунітет, через що стають частішими і важчими інфекційні захворювання людей та сільськогосподарських тварин.

В Україні стан озонового екрана над її територією контролюють 6 спеціальних станцій (у Києві, Одесі, Борисполі, Богуславі, Львові та Феодосії). За їх даними, з 1980 р. озоновий екран над Україною стає менш потужним. Тому Україна приєдналася до Конвенції 1985 р. з охорони озонового екрана, зменшення кількості викидів і виробництва фреонів, інших речовин, що руйнують озон.

Література

1. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. - М.: Мир, 1988. - 671 с.

2. Киселев В.Н. Основы экологии. - Мн.: Высшая школа, 2220. - 383 с.

3. Клименко М. О, Прищепа А.М. Моніторинг довкілля. - К.: Академія, 2006. - 360 с.

4.Марков Ю.Г. Социальная экология. - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2004. - 544 с.

5. Новиков Ю.В. Экология окружающей среды и человек. - М.: Агентство "ФАИР", 1998. - 320 с.

6. Степановских А.С. Биологическая экология. - М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2008. - 791 с.

Размещено на Allbest.ru