Міністерство освіти і
науки Російської Федерації
Волгоградський Державний Університет
Юридичний Факультет
Реферат З дисципліни:
Концепція сучасного природознавства Тема: Проблеми стратосферного озону
Волгоград 2009
Зміст
Введення
1.
Атмосфера та її будова
2. Хімічні та
біологічні особливості озону
3. Умови освіти і захисна роль озонового шару
4. Хімічні
процеси в тропосфері
5. Причини утворення "озонової діри"
6. Шляхи вирішення проблем
Література
Введення
З виникненням людської цивілізації з'явився новий фактор, що впливає на долю живої природи.
Він досяг величезної сили в поточному столітті і особливо останнім часом. 5 млрд. наших
сучасників надають на природу таке ж за масштабами вплив, яке могли надати
люди кам'яного століття, якщо б їх чисельність склала 50 млрд. чоловік.
З тих пір як з'явилося високоіндустріальное
суспільство, небезпечне втручання людини в природу різко посилилося, розширювався обсяг цього втручання, вона стала різноманітніше і він загрожує стати глобальною небезпекою для людства.
Атмосфера в даний час піддається наростаючому
антропогенному впливу. При цьому можна виділити декілька найбільш істотних
процесів, кожний з яких не поліпшує стан повітряного простору нашої
планети. В даний час існує 3 основні
глобальні екологічні проблеми атмосфери: глобальне потепління або "парниковий ефект", кислотні дощі і
руйнування озонового шару.
Над світом нависла реальна загроза глобальної екологічної кризи, що розуміється всім населенням планети, а реальна надія на його запобігання полягає в безперервному екологічній освіті та просвітництві людей.
Метою цієї
роботи стало узагальнення
літературних даних про причини і наслідки руйнування озонового шару, а також способи розв'язання проблеми освіти "озонових дір".
Атмосфера (від. ін - грец. Ἀτμός - пар і σφαῖρα - куля) - газова оболонка (геосфера), навколишнє планету Земля. Внутрішня її поверхню покриває гідросферу і частково кору, зовнішня межує з навколоземної частиною космічного простору.
Атмосфера складається з декількох концентричних шарів, що відрізняються один від іншого по температурних і інших умов. Нижня частина атмосфери, до висоти 10-15 км, в якій зосереджено 4 / 5 всієї маси
атмосферного повітря, носить назву
тропосфери. Середня річна температура повітря в земної
поверхні біля +26 ° на екваторі і близько - 23 ° на північному полюсі. Для неї
характерно, що температура тут з висотою падає в середньому на 0,6 ° / 100 м (в окремих випадках розподіл температури по вертикалі варіює в широких межах). У тропосфері міститься майже уся водяна пара атмосфери і виникають майже всі
хмари. Сильно розвинена тут і турбулентність, особливо поблизу земної поверхні, а також у так званих струменевих течіях у верхній частині тропосфери. Тиск повітря на верхній
межі тропосфери
відповідно її висоті в 5-8 разів менше, ніж у земної поверхні. Отже, основна
маса атмосферного повітря знаходиться
саме в тропосфері.
Процеси, що відбуваються в тропосфері, мають безпосереднє і вирішальне значення для погоди і
клімату біля земної поверхні.
Над тропосферою до висоти 50-55 км лежить
стратосфера, що характеризується тим, що температура в ній у середньому зростає з висотою. Перехідний шар між тропосферою і стратосферою (товщиною 1-2 км) носить назву тропопаузи.
Вище були наведені дані про температуру на верхній межі тропосфери. Ці температури
характерні і для нижньої стратосфери. Таким чином, температура повітря в нижній стратосфері над екватором завжди дуже низька; притому влітку багато нижче, ніж над полюсом.
Водяної пари в стратосфері мізерно мало. Проте на висотах 20-25 км спостерігаються іноді у високих широтах дуже тонкі, так звані перламутрові хмари. Вдень вони не видно, а
вночі здаються світними, тому що висвітлюються сонцем, що знаходиться під обрієм. Ці хмари складаються з переохолоджених водяних крапельок. Стратосфера характеризується ще тим, що переважно в ній міститься
атмосферне озон, про що було сказано вище. З цієї точки зору вона може бути названа озоносферой. Зростання температури з висотою в стратосфері пояснюється саме поглинанням сонячної радіації озоном.
Над стратосферою лежить шар
мезосфери, приблизно до 80 км. Тут температура з висотою падає до декількох десятків градусів нижче нуля. Внаслідок швидкого падіння температури з висотою в мезосфері сильно розвинена турбулентність. На висотах, близьких до верхньої межі мезосфери (75-90 км), спостерігаються ще особливого роду хмари, також освітлені сонцем у нічні години, так звані сріблясті. Найбільш ймовірно, що вони складаються з крижаних кристалів.
Рис.1. Будова атмосфери
На верхній межі мезосфери тиск повітря разів у 200 менше, ніж у земної поверхні. Таким чином, в тропосфері, стратосфері та мезосфері разом, до висоти 80 км, полягає більше ніж 99,5% всієї маси атмосфери. На вищерозміщені шари доводиться зовсім незначну кількість повітря.
Верхня частина атмосфери, над мезосферою, характеризується дуже високими температурами і тому носить назву
термосфери. У ній різняться, проте, дві частини: іоносфера, що тягнеться від мезосфери до висот близько тисячі кілометрів, і що лежить над нею зовнішня частина - екзосфера, що переходить у земну корону. Повітря в іоносфері надзвичайно розріджений.
Іоносфера, як говорить сама
назва, характеризується дуже сильним ступенем іонізації повітря. вміст іонів тут у багато разів більше, ніж у нижчих шарах, незважаючи на сильну загальну розрідженість повітря. Ці іони являють собою в основному заряджені атоми кисню, заряджені молекули окису азоту і вільні електрони. Їх зміст на висотах 100-400 км - порядку
15 жовтня -10
6 на кубічний сантиметр.
Температура в іоносфері зростає з висотою до дуже великих значень. На висотах близько 800 км вона досягає 1000 °.
Атмосферні шари вище 800-1000 км виділяються під назвою
екзосфери (зовнішньої атмосфери). Нещодавно передбачалося, що екзосфера, і з нею взагалі земна атмосфера, кінчається на висотах близько 2000-3000 км. Але зі спостережень за допомогою ракет і супутників створилося уявлення, що водень, що вислизає з екзосфери, утворює навколо Землі так звану земну корону, що простирається більш ніж до 20 000 км. Звичайно,
щільність газу в земній короні мізерно мала. На кожний кубічний сантиметр тут доводиться в середньому всього близько тисячі частинок. Але в міжпланетному просторі концентрація часток (переважно протонів і електронів) принаймні в десять разів менше.
За допомогою супутників і геофізичних ракет встановлено
існування у верхній частині атмосфери й у навколоземному космічному просторі радіаційного поясу Землі, що починається на висоті декількох сотень кілометрів і простягається на десятки тисяч кілометрів від земної поверхні.
Цей пояс складається з
електрично заряджених частинок - протонів і електронів, захоплених магнітним полем Землі і що рухаються з дуже великими швидкостями. Їх
енергія - сотні тисяч електрон-вольт. Радіаційний пояс постійно втрачає частки в земній атмосфері і поповнюється потоками сонячної корпускулярної радіації.
2. Хімічні та біологічні особливості озону
Озон є аллотропной модифікацією кисню. Його молекула діамогнітна (на відміну від парамагнітної О
2), має кутову форму, зв'язок в молекулу є делокалізовані трьохцентрове, передбачається також донорно-акцепторні механізм утворення хімічних зв'язків у озоні.
Характер хімічних зв'язків в озоні обумовлює його нестійкість (через певний час
озон мимовільно перетворюється на кисень: 2О
3 -> 3О
2) і високу окислювальну здатність (озон здатен на ряд реакцій в які молекулярний кисень не вступає). Окислювальне дію озону на органічні речовини пов'язане з утворенням радикалів:
RH + О
3 Rо
2 + OH
Ці радикали ініціюють радикально ланцюгові реакції з біоорганічних молекул (ліпідами, білками, нуклеїновими кислотами), що призводить до загибелі клітин. Застосування озону для стерилізації питної води засновано на його здатності вбивати мікроби.
Озон не байдужий і для вищих організмів. Тривале перебування в атмосфері, що містить озон (наприклад, в кабінетах фізіотерапії і кварцового опромінення) може викликати важкі порушення нервової системи. Тому, озон в великих дозах є токсичним газом.
Гранично допустима концентрація його в повітрі робочої зони - 0,0001 мг / літр.
Забруднення озоном повітряного середовища відбувається при озонуванні води, внаслідок його низької розчинності.
3. Умови освіти і захисна роль озонового шару
Відомо, що основна частина природного озону зосереджена в стратосфері на висоті від 15 до 50 км над
поверхнею Землі.
Озоновий шар починається на висотах близько 8 км над полюсами (або 17 км над Екватором) і тягнеться вгору до висот приблизно рівних 50-ти км. Однак щільність озону дуже низька, і якщо стиснути його до щільності, яку має повітря біля поверхні землі, то товщина озонового шару не перевищить 3,5 мм. Озон утворюється, коли сонячне
ультрафіолетове випромінювання бомбардує молекули кисню
(О
2 -> О
3). Найбільше озону в п'ятикілометровій шарі на висоті від 20 до 25 км, який називають озоновим. Концентрація озону в цьому шарі невелика, однак загальне його кількість в стратосфері досягає дуже значної
цифри - понад 3 млрд. тонн. Утворення озону зі звичайного двоатомних кисню вимагає досить великої енергії - майже 150 кДж на кожен моль. Така насиченість озону
енергією робить її вибухонебезпечною. Як же утворюється ця речовина? Основна реакція - взаємодія звичайного двоатомних кисню з атомарним:
О
2 + О = О
3. Атомарний кисень - ще більш насичене енергією речовина - утворюється при електричних розрядах в кисні і повітрі, а в стратосфері з'являється під дією постійного і досить потужного ультрафіолетового
випромінювання Сонця:
Утворення озону відбувається безперервно одночасно з його витрачанням, тому усереднена концентрація озону протягом тривалого часу залишалася постійною.
Процес утворення і розкладання озону називають циклом чемп. Результатом процесів у циклі є перехід сонячної енергії в теплоту. Озоновий цикл відповідальний за підвищення температури на висоті 15 км.
Захисна роль озонового шару. Озон поглинає частину ультрафіолетового випромінювання Сонця: причому широка смуга його поглинання (довжина хвилі 200-300 нм) включає і згубну для всього живого на Землі випромінювання.
4. Хімічні процеси в тропосфері
У хімічних
перетвореннях різних забруднюючих речовин у тропосфері ключове місце займає OH - радикал до утворення якого ведуть декілька процесів. Основний внесок дають
фотохімічні реакції за участю озону:
O
3 + h = O
2 + O
O +
H2 O = OH + OH
В освіті озону в тропосфері беруть участь
оксиди озону:
NO
2 + h (L <400нм) = NO + O
O + O
2 = O
3 Про вплив
фотохімічних реакцій на вміст озону в тропосфері свідчить 50% зменшення концентрації озону при сонячному затемненні:
O
3 + NO = NO
2 + O
2 O
3 + NO
2 = NO
3 + O2
В освіті ВІН радикалів на висоті 30 км. беруть участь пари води:
Н
2 О + h = H + OH
H
2 O + O = 2OH
Певний внесок в освіту ОН-груп у тропосфері можуть давати реакції фоторазложенія
HNO
2, HNO
3, H
2 O
2 HNO
2 + h (L <400нм) = NO + OH
HNO
3 + h (L <330нм) = NO
2 + OH
H
2 O
2 + h (L <330нм) = 2OH
У тропосферних
процесах гідроксильний радикал грає ключову роль в окислюванні вуглеводнів:
RH + OH = HOH + R
R + O
2 = RO
2 RO
2 + HOH = ROOH + OH
Найбільш типовим і основним по масі органічним забруднювачем атмосфери є CH
4. Окислення CH
4 під дією ВІН протікає зв'язано з окислення NO.
Відповідний радикально-ланцюговий механізм включає загальну для всіх тропосферних процесів стадію ініціювання ВІН і цикл екзотермічних реакцій продовження ланцюга,
характерних для реакції окислення органічних сполук:
ВІН + СН
4 = Н
2 О + СН
3 СН
3 + О
2 = СН
3 О
2 СН
3 О
2 + NО = СН
3 О + NО
2 СН
3 О + О
2 = СН
2 О + АЛЕ
2 У результаті реакція окислення СН
4 в присутності NО як каталізатора і при впливі сонячного світла з довжиною хвилі 300-400нм запишеться у вигляді:
СН
4 +4 О
2 = СН
2 О + Н
2 О +2 О
3 тобто окислення метану (та інших органічних речовин) призводить до утворення тропосферного озону. Швидкість цього
процесу тим більше, чим вище концентрація NО.
Розрахунки показують, що
антропогенний викид NО подвоює приземную концентрацію О
3, а зростання витоку СН
4 багаторазово випереджаюче за темпами зростання інші види забруднень тропосфери призводить до ще більшого збільшення концентрації О
3 у порівнянні з перенесенням О
3 зі стратосфери.
Зростання приземної концентрації озону становить небезпеку для зеленої рослинності і тваринного світу.
Утворений при окислюванні метану формальдегід окислюється далі радикалами ОН з утворенням СО. Цей канал вторинного
забруднення атмосфери моноксид вуглецю порівняємо з надходження СО від неповного згоряння викопного палива.
ВІН + СН
2 О = Н
2 О + НСО
НСО + О
2 = АЛЕ
2 + СО
5. Причини утворення "озонової діри"
Влітку і навесні концентрація озону підвищується; над полярними областями вона завжди вище, ніж над екваторіальними. Крім
того, вона змінюється по 11-річного циклу, що збігається з циклом сонячної активності. Все це було вже добре відомо, коли в 1980-х рр.. спостереження показали, що над
Антарктикою рік від року відбувається повільне, але стійке зниження концентрації стратосферного озону. Це явище отримало назву "озонова діра" (хоча ніякої дірки у власному значенні цього слова, звичайно, не було) і стало уважно досліджуватися.
Пізніше, в 1990-і рр.., Таке ж зменшення стало відбуватися і над Арктикою. Феномен
Антарктичної "озонової діри" поки не зрозумілий: чи то "діра" виникла в результаті
антропогенного забруднення атмосфери, то чи це природний геоастрофізіческій
процес.
Спочатку припускали, що на озон впливають частинки, що викидаються при атомних вибухах; намагалися пояснити зміна концентрації озону польотами ракет і висотних літаків. Зрештою було чітко встановлено, що причина небажаного явища - реакції з озоном деяких речовин, вироблених хімічними заводами. Це в першу чергу хлоровані
вуглеводні і особливо фреони -
хлорфторвуглеці, або вуглеводні, в яких всі або більша частина атомів водню, замінені атомами фтору і хлору.
Хлорфторвуглеці широко застосовуються в сучасних побутових і промислових
холодильниках (в Росії їх тому називають "хладонами"), в аерозольних балончиках, як засоби хімічного чищення, а деякі похідні - для гасіння
пожеж на транспорті. Використовуються вони і як піноутворювачі, а також для синтезу полімерів. Світове
виробництво цих речовин досягло майже 1,5 млн. т.
Будучи легколетучим і досить стійкими до хімічних впливів,
хлорфторвуглеці після використання потрапляють в атмосферу і можуть знаходитися в ній до 75 років, досягаючи висоти озонового шару. Тут під дією сонячного світла вони розкладаються, виділяючи атомарний
хлор, який і є головним "порушником порядку" в озоновому шарі.
CF
2 Cl
2 = CF
2 Cl + Cl
Наступні реакції CF
2 Cl з О
2 і h призводять до відщеплювання другого атома хлору.
Хлор "з'їдає" і озон, і атомарний кисень за рахунок протікання досить швидких реакцій:
О
3 + Сl = О
2 + ClO
СlO + O = Cl + O
2 Причому остання реакція призводить до регенерації активного хлору.
Хлор, таким чином, навіть не витрачається, руйнуючи
озоновий шар.
Передбачається, що через руйнівної дії хлору і аналогічно чинного брому до кінця 1990-х рр.. концентрація озону в стратосфері знизилася на 10%.
Озоноруйнуючий потенціал деяких речовин.
| Руйнівний потенціал (ум. од)
| Тривалість життя (років)
|
CFCl 1
| 1.0
| 75
|
CFCl 2
| 1.0
| 111
|
CFCl 3
| 0.8
| 90
|
CCl 4
| 1.0
| 185
|
C2FCl 5
| 0.6
| 380
|
HCFCl 2
| 0.05
| 20
|
Метілхлороформ
| 0.10
| 6.5
|
Чотирихлористий вуглець
| 1.06
| 50
|
Віденська конвенція. У 1985 році британські вчені оприлюднили дані, згідно з якими у попередні вісім років були виявлені збільшуються кожну весну
озонові діри над Північним і Південним полюсами.
Вчені запропонували три теорії, що пояснювали причини цього феномену:
руйнування озонового шару окисами азоту - сполуками, що утворюються природним чином на сонячному світлі;
О
3 + NО NО
3 + О
2 повітряні потоки з нижніх шарів атмосфери при русі вгору розштовхують озон;
руйнування озону сполуками хлору.
У 1987 р. був прийнятий Монреальський
протокол, по якому було визначено перелік найбільш небезпечних
хлорфторвуглеців, і країни-виробники хлорфторвуглеців зобов'язалися знизити їх випуск. У червні 1990 р. в Лондоні в Монреальський протокол внесли уточнення: до 1995 р. знизити виробництво фреонів вдвічі, а до 2000 р. припинити його зовсім.
Сьогодні вже розроблені і випускаються
екологічно безпечні фреони та їх замінники, але озоновий шар продовжує перебувати в критичному стані:
Встановлено, що на утримання озону впливають азотвмісні забруднювачі повітряного середовища:
2NО + О
2 = 2NО
2 О
2 + NО
2 = NО
3 + О
2 NО
3 + NО
2 = N
2 О
5 N
2 О
5 + Н
2 О = 2НNО
3 Походження NО, ВІН і Сl в стратосфері можливо, як у результаті природних процесів, так і в результаті
антропогенних забруднень. Так, NО утворюється в двигунах внутрішнього згоряння.
Відповідно запуск ракет і понад звукових самололетов призводить до руйнування озонового шару. У будь-якому двигуні внутрішнього згоряння розвиваються настоль високі температури, що з атмосферного кисню та азоту утворюється NО: N
2 + О
2 2NО
Джерелом NО в стратосфері служить також газ N
2 О, який стійкий в тропосфері, а в стратосфері розпадається під дією жорсткого УФ-випромінювання:
N
2 О + h (230нм) = N2 + О
N
2 O + O = 2NO
Руйнування N2О в стратосфері здійснюється і по реакціях:
N
2 О + h (250нм) = N
2 + Про
N
2 O + O = N
2 + O
2
6. Шляхи вирішення проблем
Щоб почати глобальне відновлення потрібно зменшити доступ в атмосферу всіх речовин, які дуже швидко знищують озон і довго там зберігаються.
Також ми - всі люди повинні це розуміти і допомогти природі включити
процес відновлення озонового шару, потрібні нові посадки лісів, вистачить вирубувати ліс для інших країн, які чомусь не хочуть вирубувати свій, а роблять на нашому лісі гроші.
Для відновлення озонового шару його потрібно підживлювати. Спочатку з цією метою передбачалося створити кілька наземних озонових фабрик і на вантажних літаках "закидати" озон у верхні шари атмосфери. Однак цей проект (ймовірно, він був першим проектом "лікування" планети) не здійснено.
Інший шлях пропонує російський консорціум "Інтерозон": робити озон безпосередньо в атмосфері. Вже найближчим часом спільно з німецькою фірмою "Даза" планується підняти на висоту 15 км аеростати з інфрачервоними лазерами, за допомогою яких отримувати озон з двоатомних кисню.
Якщо цей експеримент виявиться вдалим, надалі передбачається використовувати досвід російської орбітальної станції "Мир" і створити на висоті 400 км кілька космічних платформ з
джерелами енергії і лазерами. Промені лазерів будуть направлені в центральну частину озонового шару і стануть постійно підживлювати його.
Джерелом енергії можуть бути
сонячні батареї. Космонавти на цих платформах будуть потрібні лише для періодичних оглядів та ремонту.
У цього проекту був попередник -
американська СОІ (
стратегічна оборонна ініціатива) з планом використання потужних лазерів для "зоряних війн".
Чи здійсниться грандіозний мирний проект, покаже час. Але і
фізична хімія, і космонавтика вже готові до того, щоб почати відновлювати комфортне для життя
хімічна рівновага на нашій планеті.
Беручи до уваги надзвичайність ситуації, необхідно:
розширити комплекс теоретичних і експериментальних досліджень з проблеми збереження озонового шару;
провести першу Міжнародну наукову конференцію з проблем збереження озонового шару активними способами;
створити Міжнародний фонд збереження озонового шару активними способами;
провести Міжнародний телеміст на тему збереження озонового шару за участю провідних вчених, політичних, релігійних та громадських діячів;
організувати Міжнародний комітет для вироблення стратегії виживання людства в екстремальних умовах.
Література
1. Глінка Н.Л. Загальна
хімія. Видавництво "хімія". 1990р.
2. Гусакова Н.В.
Хімія навколишнього середовища,
Ростов-на-Дону: Фенікс, 2004, 192 с.
3. Лавров С.Б. Глобальна проблема сучасності.
Санкт-Петербург, 1995р.
4. Хромов С.П., Петросянц М.А. Метеорологія і кліматологія. М.:
Думка, 1985 р.