Проблеми стратосферного озону

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

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".

1. Атмосфера та її будова

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.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a3/AtmosphereLayers.svg/350px-AtmosphereLayers.svg.png
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 32 + 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
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
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.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
52.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Деякі аспекти проблеми озону
Використання озону
Ефективність впливу озону на перебіг перитоніту і процес спайкообразования в експерименті
Проблеми російської мови в країнах СНД і Кавказу і проблеми його інтенсифікації
Проблеми російської мови в країнах СНД і Кавказу і проблеми його інтенсивність
Проблеми економічного зростання мікро і макроекономічні проблеми Російської економіки міжнародне
Комунальні проблеми Сутність проблеми вивезення сміття та її правове підрунтя
Комунальні проблеми Сутність проблеми вивезення сміття та її правов
Глобальні проблеми людства Міжнародні соціальні проблеми
© Усі права захищені
написати до нас