Глобальные современные экологические проблемы атмосферы

Озон в тропосфере.

Авторы статьи (Chem&Eng., июнь, 2001) назвали озон в тропосфере "влетающим с ветром". По их последним данным, озон, выбросы, ведущие к образованию О3 (такие как NOx), а также аэрозоли поднимаются вверх в

Северной Америке и ветром сносятся через Атлантический океан в Европу, 15% их достигают Арктики. Атмосферные выбросы Европы проходят в центральную Азию, а выбросы Азии - через Тихий океан к западному берегу Северной Америки. Происходит естественное перемещение озона в тропосфере в масштабах всей планеты. В Северной Америке максимальная концентрация озона в тропосфере наблюдается летом. Весна и осень -

лучшее время уноса О3 через Атлантику в Европу, далее озон поднимается в верхние слои тропосферы.

Предложен способ различать озон стратосферы, который через тропосферу поступает к Земле, и озон, образующийся при фотохимических процессах в нижних слоях тропосферы из топливных выбросов (NOx). Эти выбросы сопровождаются большой концентрацией СО, поэтому величина концентрации СО может быть тестом на антропогенный озон.

По последним данным, вклад NOx в образование О3 в тропосфере различается в зависимости от концентрации NOx в тропосфере. Так, предприятия, выбрасывающие низкие количества NOx, способствуют образованию большего количества озона, чем предприятия с высоким выбросом NOx (концентрация О3 на единицу концентрации NOx).

Кроме того, предприятия, расположенные рядом с лесом (леса вырабатывают специфические УВ), производят больше озона, чем те же предприятия, удаленные от лесов. Парадокс! Получается, что леса не лучшее место для предприятий, работающих на топливе.

Как уже было показано, для мегаполисов и промышленных объектов озон является основным источником образования органических радикалов,

которые крайне негативно влияют на экосистему. Кроме того, сами органические соединения могут быть источниками появления озона:

ROO• + O2 → RO• + O3

RO• + O2 → R• + O3

Систематическое дыхание озоном приводит к накоплению в лёгких чужеродных веществ, приводящих к онкологическим заболеваниям.

ПДК озона для городов составляет 0.3-0.4 мг/м3. При 0.1 ppb наблюдается усталость, головная боль, резь в глазах. При увеличении концентрации наступает отёк лёгких. Средняя концентрация озона в промышленных районах в летнее время составляет 0.03 мг/м3.

Смог (англ. smoke - дым и fog - туман) – туманная завеса над промышленными предприятиями и городами, которая образуется за счёт газообразных отходов, в первую очередь SO2.

Смог бывает следующих видов:

1.Зимний смог (Лондонский тип). Тихая безветренная погода способствует накоплению выхлопных газов транспорта и выбросов из невысоких труб. Основными компонентами являются: SO2, сажа, аэрозоли.

2.Летний, фотохимический (Лос-анжелесский тип). Основными компонентами являются органические радикалы, которые образуются из органических соединений под действием солнечного света, и оксиды азота. При интенсивном солнечном свете из них образуются фотооксиданты, преимущественно озон.

Озоновый слой.

Озоновый слой – слой атмосферы, который находится в атмосфере (на

высоте 20−45 км и при температуре −10 −5°С) с повышенным содержанием озона (около 0,0003% с погрешностью 30%). Содержание озона в слое составляет 120 760 е.Д. Единица Добсона =2,7 1016 О3/см3. Количество молекул О3 в атмосферном столбе площадью основания 1 см2, равное 2,7 1016

О3/см3. 1 см3 атмосферного воздуха содержит 2,7 1019 молекул газов.

Озоновый слой размещается на высоте 20-45 км от поверхности земли. Под действием жесткого ультрафиолетового излучения (с длиной волны 240-260 нм) происходит диссоциация молекул кислорода:

O2+ hn1 ® O + O,

полученный атомарный кислород соединяется с молекулами кислорода и образуется озон:

O2+ О ® O3

Процесс образования озона обратим:

O3+ hn2 ® O2 + O

(длиной волны 310 нм). Таким образом, на высоте 20-45 км от поверхности земли жесткий УФ расходуется на образование и разрушение озона, защищая Землю от гибельных лучей.

Гибель в стратосфере:

hν2=310 нм

О3 → О + О2 (1)

О +О3 → 2О2 (2)

Скорость реакции (1) намного больше скорости реакции:

hν1

О2 → 2О Механизм гибели озона в стратосфере предложен английским

геофизиком Чепменом (1930-ых).

Реакция (2) является основным и единственным процессом гибели озона, т.к. если принять реакцию (1), то время жизни О3 на высоте 30 км было бы 0,5 час, а на высоте 15 км – двое суток, и перенос О3 из тропиков к полюсам (который требует несколько месяцев) был бы невозможен. По реакции (2) О3 и О рассматриваются как одна и та же частица Ох, поскольку атмосферные времена жизни этих частиц одинаковы. На высоте 30 км озон живет 0,6 года, столько же и атомарный кислород.

Действие других естественных и антропогенных источников, разрушающих озон, обусловлено исключительно ускорением этой реакции. Это ускорение связано с появлением более быстрых параллельных путей основной реакции гибели О3:

Х + О3 → ХО + О2

где Х=HO•, NO, Cl, Br и др.

Чрезвычайно важной особенностью реакций с участием частиц Х является цепной характер этих процессов. В простейшем случае этот механизм включает следующие стадии:

1)образование химически активных частиц Х, ведущих цепь

2)продолжение цепи:

Х+ О3 → ХО + О2

ХО + О→ Х + О2

----------------------

О + О3 → 2О2

3) гибель частиц Х. Разрушение озонового слоя.

Озоновые дыры – уменьшение концентрации озона.

Наиболее сильное уменьшение концентрации озона наблюдается в сентябре – ноябре над Антарктикой, в январе – марте над Арктикой, Европой, Сибирью и США. В отдельные годы (в начале 80-ых) уменьшение концентрации озона достигало 30 50%.

По расчётам около половины наблюдаемого уменьшения озона Московским регионом связано с антропогенным воздействием, другая половина связана с естественными причинами. В Западной Европе – 75% воздействия, приводящего к уменьшению озонового слоя - антропогенное воздействие. В США – 60%. В Японии и на Байкале – около 50%. Разрушение озонового слоя может быть объяснено несколькими способами:

Действие фреонов (Ш.Роуленд и М.Молина, США, 1973 г.)

Фреоны – соединения, представляющие собой любые сочетания хлор- и фторпроизводных алканов:

CFCl3, CF2Cl2, CF3Cl, CF4, CF3CF3, CF2ClCF2Cl, CFCl2CFCl2

Фреоны устойчивы в тропосфере, что позволяет им подниматься достаточно высоко. Около озонового слоя под действием жесткого ультрафиолета происходит разрушение озонового слоя (рис.26):

CF2Cl2+ hν → CF2Cl• + Cl•

Cl• + O3 → ClO• + O2

ClO• + O3 → Cl• + 2O2

Одна молекула фреона способна разрушить десять тысяч молекул озона. В 1987 г. в Монреале и в 1990 г. в Лондоне были приняты протоколы,

согласно которым производство фреонов должно быть сокращено на 50% к 1995 г. и полностью прекращено к 2000 г.

УФ−лучи

Поверхность Земли Рис.26. Разрушение озонового слоя

Трудно объяснить появление озоновых дыр над Антарктидой, тогда как не менее 90% фреонов попадают в атмосферу из Европы и США.

Геологическая или природная теория.

По этой теории озоновые дыры проявляются в местах выделения из разломов земной коры метана и водорода:

CH4 + O3 → CH3OH+ O2 H2+ O3 → H2O+ O2

Верхняя стратосфера

Озоновый экран

Образование О3

Рис.27. Факторы, влияющие на озоновый слой Ущерб от разрушения озонового слоя.

При разрушении озонового слоя увеличивается доза ультрафиолета, попадающего на землю, что приводит к следующим последствиям:

1.Ущерб здоровью человека:

•Увеличивается риск заболевания раком кожи.

•Увеличивается риск заболевания различными болезнями глаз.

•Нарушается иммунная система.

2.Ущерб производству продовольствия.

•Уменьшается урожайность.

•Уменьшаются промысловые запасы мирового океана.

3.Глобальные изменения количественного и качественного состава атмосферы приводят к следующему:

•Изменение климата.

•Нарушение и разрушение экосистем.

•Нарушение радиационного баланса.

•Накопление СО2 и других продуктов сгорания топлив. Образование продуктов сгорания топлив, содержащих оксиды серы и

азота, создает возможность кислотных осадков вследствие взаимодействия кислотных оксидов с атмосферной влагой.

Фотохимическое окисление SO2.

Прямое окисление SO2 кислородом по формуле

2SO2 + O2 → 2SO3

протекает очень медленно. Фотодиссоциация SO2 в тропосфере невозможна,

так как она наблюдается только при длинах волн короче тех, которые достигают землю, однако в атмосфере образование SO3 возможно:

2SO2 + O2 + hν → 2SO3 или O2 + hν → 2O

SO2 + O → SO3 или

SO2 + O3 → SO3 + O2

Переход SO2 в SO3 осуществляется на катализаторах (соединения железа, алюминия, цинка, вольфрама и так далее). Прямое окисление невозможно!

Кислотные дожди.

В атмосфере может проходить следующая реакция: SO3 + Н2O → H2SO4

Молярная масса H2SO4 больше, чем молярная масса воздуха, поэтому H2SO4 выпадает в виде кислотного дождя. Аналогичные процессы происходят с участием оксидов азота:

NO2 + O3 + Н2O → HNO3

Основным источником кислотных дождей является SO3. SO2 + Н2O ↔ H2SO3 - очень слабая кислота.

Редкие реакции:

NO2 + O2 + Н2O → HNO3

NO2 + Н2O → HNO3 + NO

NO легко окисляется кислородом воздуха:

NО + O2 → NO2

Негативные последствия кислотных дождей заключается в следующем:

1.Разрушение экосистем.

2.Гибель флоры.

3.Закисление почвы (изменение катионного состава), приводящее к омертвлению поверхности.

4.Разрушение построек: CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + H2O + CO2↑

5.Коррозия металлов.

Рис.28. Значения рН для продуктов и кислотных дождей

Парниковый эффект.

Валентные колебания – колебания атомов относительно друг друга.

Если частота валентных колебаний совпадает с частотой теплового излучения, то молекула запасает энергию, которая концентрируется в атмосфере.

Основное влияние на парниковый эффект оказывают: CO2, фреоны, метан и озон. Молекула метана в двадцать пять раз больше накапливает энергии, чем молекула CO2. Фреон эффективней CO2 в 1100 раз. Вклад в парниковый эффект: CO2 - 66%, CH4 - 18%, фреоны – 8%, NxOy - 3%.

Снижение концентрации O3 в стратосфере (озоновом слое) способствует усилению парникового эффекта более существенно, чем увеличение концентрации CO2. Примерно 3% подходящего к Земле солнечного излучения поглощается озоновым слоем. Если за счет снижения концентрации O3 эта величина уменьшится до 2%, то средняя глобальная температура возрастет на 4 14°С, в то время как удвоение концентрации СO2

приведет к повышению температуры на 1 3,3°С.

Парниковый эффект – эффект разогрева приземного слоя воздуха, вызванный тем, что атмосфера поглощает длинноволновое излучение земной поверхности, в которую превращается большая часть достигшей земли световой энергии солнца.

Негативные последствия парникового эффекта:

•Таяние ледников.

•Подъём уровня мирового океана, что приведёт к затоплениям.

•Таяние весной мерзлоты.

hνп

hνи

Земля

Рис.29. Схема парникового эффекта.

Каждый год температура поднимается на 0,4 градуса. Но возможно также наступление ледникового периода, вследствие повышения содержания аэрозолей в атмосфере, так как излучение солнца отражается от них.

С 1920 по 1940 наша планета нагревалась быстрее, чем это предсказывали. Во время Второй Мировой Войны было похолодание, хотя было большое выделение CO2 в атмосферу. В семидесятых годах температура стабилизировалось.

Киотский протокол 1997 г. 150 стран одобрили рыночные механизмы реализации Киотского

протокола. Одним из пунктов было постановление о сокращении выбросов

вредных веществ (СО2 и СН4) на 5,2% с 2008 по 2012 гг. по сравнению с 1990 г. Протокол должен быть ратифицирован индустриальными странами, чьи выбросы СО2 в 1999 г. составляли 55%.

Механизмы реализации Экономические инструменты:

Joint Implementation (JI) "совместное использование" (СИ)

Clean development Mechanism (CDM) "экологически чистое развитие"(ЭЧР)

International emission trading (IET) "международная торговля квотами"(МТК).

СИ-проекты "добиться снижения объемов эмиссий путем осуществления или наращивания человеческих усилий, направленных на снижение уровня выбросов парниковых газов в каком-либо из секторов экономики". Под этим подразумеваются все усилия, которые предпринимает какая-либо страна на территории другой (или совместно) для снижения объемов эмиссий. Дает возможность реализовать экологические программы на территории тех стран, в которых эти мероприятия будут связаны с наименьшими затратами.

ЭЧР-проекты. Те же экономические принципы, что и СИ-проекты. Главное различие состоит в том, что первые необязательно должны быть реализованы только в государствах группы "аннекс-1" (группа стран "аннекс-1", куда входят государства ЕС и Россия). Кроме того, начиная с 2000 г., в рамках ЭЧР-проектов могут создаваться эмиссионные кредиты. Эмиссионные кредиты должны создаваться на базе СИ- и ЭЧР-проектов. В них войдут только такие показатели снижения эмиссий, которые достигнуты дополнительно к так называемым базовым показателям эмиссий какого-либо проекта. Базовые показатели эмиссий – возникшие без специальных шагов, направленных на снижение эмиссии в ходе реализации проекта.

МТК-проекты. Стоимость 1 т СО2 примерно 10-50 $. Потенциал лесов

– дискуссионный вопрос.