Екологічна проблема: скороченняозонового шару
Вступ
На сьогоднішній день проблема озону турбує дуже багатьох, я про неї чули навіть ті, хто раніше й не знав про існування озонового шару в атмосфері, а пам'ятав про ньому тільки зі шкільного курсу хімії. І інтерес до цієї проблеми зрозумілий, адже мова йде про майбутнє людства. Зміни в озоновому шарі можуть призвести до зміни клімату на планеті в гірший бік, підніметься рівень світового океану, зросте кількість ракових захворювань через збільшення ультрафіолетового випромінювання Сонця що досягає поверхні планети. До жаль побоювання людей, про зміну озонового шару не безпідставні. Вперше про небезпеку зміни озонового шару Землі почали говорити ще на 70 роки. Але тоді мало, що було зроблено, щоб нейтралізувати цю загрозу. Якби в ті роки запровадили ефективні методи для запобігання цієї загрози, то в наш час це проблема не була б така актуальна. У першу чергу це пов'язано з економічними інтересами.
До руйнування озонового шару приводять різні хімічні речовини. Такі як фреони, що використовуються в холодильній промисловості і в аерозолях. Оксиди азоту, які утворюються при ядерних вибухах і в камерах згорання реактивних літаків і ракет. Причому останнє особливо шкідливо, тому що на великих висотах оксиди азоту живуть дуже довго. Застосування великої кількості мінеральних добрив теж шкодить озоновому шару. Димові гази електростанцій виробляють мільйони тонн закису азоту на рік.
Таким чином, велика частина впливу на озоновий шар планети пов'язана з господарською діяльністю людства. Тому швидкої зміни ситуації чекати не варто. Адже людство не може взяти і відмовитися від використання мінеральних добрив або швидко перейти на нові технології виробництва холодильних установок.
Про порушення озонового шару свідчили озонові дірки з'являлися навесні над Антарктикою. Там завдяки особливій циркуляції повітря в атмосфері в зимові і весняні місяці, присутні в стратосфері хімічні речовини, такі як хлор, фтор, азот, метан та інші, перетворюються в активні, які швидко руйнують озон. Вимірювання показали, що в такі періоди концентрація окису хлору в 100-500 разів більше ніж в середніх широтах. Тобто шкідливі речовини, які потрапляють в атмосферу переносяться рухом повітря на всі широти, але тільки в Антарктиці наприкінці зими і навесні, завдяки особливим природним умовам вони ефективно стратосферний руйнують озон. Але це не означає що проблема озонової дірки в Антарктиці регіональна, а не глобальна.
Весь озон на планеті перебуває ніби у сполучені посудини, в одних районах він утворюється регулярно, а в інших погано, десь він живе роки, а десь секунди. Відповідно, якщо він зникне без компенсації в одному місці, то загальний обсяг озону в світі зменшиться. Але в нашому техногенному світі, перекис азоту, надходить в приземної повітря великих міст у складі автомобільних вихлопних газів реагує при ультрафіолетовому опроміненні з ненасиченим вуглеводнем, тим самим, формуючи у великих містах озоновий зміг. У приземному шарі повітря озон не тільки утворюється, але й розкладається. Розкладання відбувається за рахунок рослин, тварин і промислових викидів.
Що таке озон і його роль у атмосфері
В принципі озон це різновид кисню. Озон був відкритий в 1839 році німецьким хіміком Шенбейном, а в 1873г. його виявили в приземної атмосфері. Через 8 років англійський хімік Гартлі виявив озон у верхніх шарах атмосфери.
Озоновий шар у стратосфері важливий тим, що він поглинає певний діапазон сонячного випромінювання. Сама земля теж випускає випромінювання в інфрачервоному спектрі. Так ось частина цього випромінювання теж затримується озоном, тим самим, оберігаючи планету від охолодження. Головною функцією озону є захист людини і всієї біосфери планети від жорсткого ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвиль від 250 до 320 нм.
Що призводить до руйнування озонового шару
До руйнування озонового шару призводять численні фактори:
(розглядаються найголовніші)
У першій чергу це, звичайно ж, фреони. Фреони - це збірна назва цілої групи хімічних речовин, що з'явилися на світ ще у 20 роки. В основному вони використовувалися в холодильниках як холодоагентів. Ще одна область застосування фреонів це використання їх в аерозольних упаковках як розпилювача. Тому що велика частина вироблених у світі фреонів потрапляє в атмосферу, можна сказати, що випуск фреонів майже повністю працює на скорочення озонового шару.
Фреони досить швидко піднімаються вгору, в стратосферу. У стратосфері під дією ультрафіолетового випромінювання вони досить швидко розкладаються. У результаті виділяються активні атоми хлору, які і беруть участь у розкладі озону.
Ще один фактор, що приводить до зменшення озонового шару. Це висотні літаки та запуски космічних кораблів. Висока температура в камерах згорання реактивних двигунів, призводить до утворення оксидів азоту з перебувають там азоту і кисню. Причому швидкість утворення азоту на пряму залежить від температури, тобто потужності двигуна. Але ще й дуже важливо, на якій висоті перебуває двигун і випускає в атмосферу що руйнують озон оксиди азоту. Чим вище, тим гірше для озону.
Тепер розглянемо дію мінеральних добрив на руйнування озонового шару. Озон може зменшуватися за рахунок того, що в стратосферу потрапляє закис азоту N2 O, яка утворюється при денітрифікації пов'язаного грунтовими бактеріями азоту. Таку ж денітрифікації пов'язаного азоту виробляють і мікроорганізми у верхніх шарах океанів і морів. Ці процеси безпосередньо пов'язані з вмістом азоту. Таким чином, можна бути впевненим, що зі зростанням кількості мінеральних добрив внесених у грунт буде також і рости кількість закису азоту. Далі утворюються з закису азоту, оксиди азоту призводять до руйнування озонового шару.
Ядерні вибухи теж сприяють виснаження озонового шару. При сильному нагріванні, а температура ядерного вибуху близько 6000 ° С. Відбуваються такі перетворення хімічних речовин, які за нормальних умов протікають мляво або взагалі не протікає. Випромінювання при вибуху призводить до утворення окису азоту, а відбувається це, перш за все, тому що випромінювання виробляє іонізацію атомів і молекул атмосферного газу. Потім утворені іони вступають у реакції з іншими складовими атмосфери і утворюють оксиди азоту.
Закис азоту виявляється також і в димових газах електростанцій. Це дуже сильний джерело впливу на атмосферу.
Дуже важливу роль у руйнуванні озону грає пар. Ця роль реалізується через молекули гідроксилу OH, які народжуються з молекул води і врешті-перетворюються в них. Тому від кількості пари в стратосфері залежить швидкість руйнування озону.
Методи по захисту озонового шару
У березні 1985 з'явилася Віденська конвенція, результатом якої було підписання Монреальського протоколу. Під ним, підписалися близько 150 країн, Росія в той числі. Основою його змісту було те, що людство має змириться з економічними втратами ради подальшого життя на землі. Його результатом була угода про поступове виведення фреонів з промислового обороту. Так в холодильних установках йде процес поступового переходу на більш дорогі фреони, такі як фторуглеводороди (CHF2CHF2, CH3CF3), фторхлорметани. Всі вони містять хоча б один атом водню і тому розкладаються вже в нижній атмосфері. Час їхнього життя коротше. Тому вони менш небезпечні для озону. Але й у них є свої слабкі сторони. Якщо попередні фреони нетоксичні в силу своєї хімічної інертності, то цього не можна сказати про їх замінниках та продуктів їх розкладу. Але, на жаль, якщо в західних країнах промисловість уже давно стало використовувати старі види фреонів, то в Росії цей процес йде дуже повільно. Для розпилення рідини з аерозольних балончиків, можна використовувати інші гази, такі як пропан або бутан. Щоправда, вони горючі.
Хорошим підмогою в збереження озонового шару стало заборону наземних атомних вибухів. Тільки при проведенні підземних вибухів, все одно, яка то частина окислів азоту потрапляє в атмосферу. Цей захід буде дієвою тільки після того, як усі країни відмовляться від проведення ядерних випробувань. Хоча Токаю тенденція намітилася.
У освоєнні космосу теж намітилися зміни. Так при запуски «шатлів» їх бічні прискорювачі відрегульовані таким чином, що б їх потужність знижувалася при проходженні озонового шару.
В літакобудуванні нові конструкції двигунів зменшили освіта оксидів азоту.
Висновок
У принципі можна вважати, що проблема озонового шару вирішена. Його відновлення вже почалося. Про це говорять результати аналізів останніх 4 років. У північній півкулі параметри повернулися до рівня 70-х років. Так практично зникли озонові дірки над східній Сибіром. Перестала рости Антарктична діра. Озоновий шар над європейською частиною Росії теж більше не виснажується. Правда це суперечить численним прогнозами руйнування озонового шару. Що ставить під сумнів теорію руйнування озону, де головним винуватцем є фреони. Але з'явилися нові проблеми. У зв'язку із зростанням парникового ефекту відновлений в майбутньому озоновий шар може стати товщі, ніж раніше. У цьому випадку рівень ультрафіолетового випромінювання в порівнянні зі звичайною нормою впаде, що загрожує ультрафіолетовим голодуванням. Бути може, проблема озонового шару навчить з великою увагою й побоюванням ставитися до всіх речовин, що потрапляють в атмосферу в результаті діяльності людства.
Тема: Глобальні проблеми людства (Проблема озонового шару)
План роботи
Озон та життя.
Фізико-хімічні властивості озону.
Дослідження озонової діри.
Висновок
Вступ
Терміном "глобальні проблеми" (від лат. "глобус" - земля, земна куля) позначаються найважливіші і настійні загальнопланетарні проблеми сучасної епохи, що торкаються людства в цілому. До них відносяться:
проблема війни і миру
проблеми екології
проблеми світового океану
енерго-паливна проблема.
При цьому головне - не упорядкування списку проблем, а виявлення їх походження, характеру й особливостей і, насамперед - пошук науково обґрунтованих і реалістичних у практичному відношенні шляхів їх вирішення.
Будучи наслідком (а не простою сумою) всього попереднього розвитку людства, глобальні проблеми виступають як специфічне породження саме сучасної епохи (а не минулих епох), як наслідок неприпустимої нерівномірності соціальне - економічного, політичного, науково-технічного, екологічного і культурного розвитку в умовах якісно нової, своєрідної історичної ситуації. Всі глобальні проблеми сучасності взаємозалежні, взаємозумовлені, й ізольоване їх вирішення неможливе. Забезпечення подальшого економічного розвитку природними ресурсами необхідно передбачає запобігання зростаючого забруднення навколишнього середовища, оскільки це веде до екологічної катастрофи.
Тому ці проблеми і називаються екологічними, і часто розглядаються як дві сторони однієї екологічної проблеми.
Глобальні проблеми характеризуються певною "ієрархією", тобто пріоритетністю одних з них стосовно інших, їхньою співпідпорядкованістю. Без'ядерний, ненасильницький світ є не тільки вищою соціальною цінністю, але й необхідною попередньою умовою вирішення всіх інших глобальних проблем. Адже приведення в дію всього 5% нині існуючого в світі ядерного потенціалу достатньо, щоб трапилася непоправна екологічна катастрофа.
Зміни, що відбуваються сьогодні у світі, - важливий крок на шляху переходу людства до нової цивілізації, що може бути сформована на шляхах вирішення глобальних проблем. Ця нова цивілізація майбутнього, на думку вчених, ліквідує відчуженість людини від людини, суспільства, природи та від продуктів праці, покладе кінець розподілу людства на антагоністичні класи і соціальні групи, створить реальні умови для його самопізнання і вільного самооб'єднання на принципах нового гуманізму. Нова цивілізація у тенденціях свого розвитку являє собою якісно новий щабель у розвитку людини і людських спільнот, які поступово інтегруються в єдине людство, системність якого можна порівняти в якісному відношенні з природними системами, залученими в сферу людської діяльності. Лише на цьому етапі людство посяде своє гідне, відносно самостійне місце в системі навколишніх космічних процесів і сил, стане специфічно єдиним утворенням.
Розмірковуючи над перспективами людства, слід підкреслити, що мова йде про можливість якогось єдиного демократичного і гуманного світового співтовариства, у якому будуть співіснувати різні форми власності - і суспільна, і приватна, різноманітні форми суспільних відносин. Проте за єдиної умови - це повинно бути суспільство демократії, суспільство, де людина буде центром усіх відносин.
Озон та життя
Надзвичайну важливість не тільки для історичної геології, а й для сучасної людини має питання про співвідношення життя та озону, що є в атмосфері. Можна вважати, що життя - рослинний та тваринний світ - зміг розвинутися на Землі тільки тоді, коли виник достатньо потужний "озоновий щит", що захищає її від ультрафіолетової радіації Сонця. Зрозуміло, що про цей щит ми маємо піклуватися і зараз.
Хоча вік Землі оцінено зараз доволі точно - біля 4,5x109 років, про первинну атмосферу Землі нам відомо дуже мало. Якщо Земля виникла з космічного протопластної хмари, у складі якої знаходився у великій пропорції водень, то цей водень було досить рано загублено Землею. Геологи вважають, що відома нам атмосфера Землі вторинна та утворилася з вулканічних газів або вивільнена з геологічних порід. В цих газах не було вільного кисню (так його майже немає в атмосферах інших планет). Така вулканічна атмосфера Землі складалася тоді, біля 109 років тому, мабуть, тільки з Н2, НОН, N2 та СО2. Тоді на Землі майже не було життя. Ультрафіолетова радіація з довжиною хвилі менш ніж 307 нм могла знищити ДНК живих клітин (краще сказати, зашкоджувати їх розмноженню, якщо б вони виникли). Тільки потужній шар води міг захистити живу речовину від радіації. Пізніше в атмосфері з'явився кисень, а з нього виник захисний шар озону.
Є.Хестведт та С.Хенриксен в праці, що була опублікована в університеті в Осло в 1973 p., вважають, що саме таким було джерело кисню в атмосфері давніх геологічних епох. Спеціалісти геологи вважають, що утворений О2 майже весь швидко використовувався на окислення порід земної поверхні.
Джерелом вільного озону міг також бути процес фотосинтезу.
При цьому є досить важливою більш точна оцінка небезпечної радіації, що тормозила виникнення живої речовини. Так, в роботі Беркнера и Маршалла було прийнято, що для життя - для ДНК - небезпечною є спектральна область з А=240 . . . 285нм. Пізніше М. Ратнер та Дж. Уокер вибрали інший критерій. Хоча у більш довгих хвиль ефект, що знищує ДНК, понижується, енергія променів Сонця в цих хвилях набагато більша, а захисна властивість інших органічних речовин, що оточують клітинне ядро, мала. При цьому небезпечною ультрафіолетовою радіацією є 10-1 Вт/м-2 для всієї області спектра з h < 302 нм.
Так виникло унікальне явище в геологічній історії - до так званого еволюційного вибуху. Після того як в архейській ері сотні мільйонів років існували тільки примітивні організми - бактерії та водорості, частково навіть анеробні організми в мілководних морях та озерах, в палеозойській ері розвиток життя швидко піднявся на високий рівень. В силурійській період проходив розвиток багатого життя в морі, де з'явились роди риб, а в кінці його, біля 440 млн. років тому, з'явилась рослинність на суші - предки сучасних папоротеподібних та плаунів. В девоні, приблизно 370 млн. років тому, розквітло тваринне життя в багатих лісах. Так почався період підсиленого фотосинтезу та швидкого накопичення кисню в атмосфері.
Безсумнівно, що в кисневій атмосфері виник шар озону тобто озонній екран, спочатку, біля поверхні Землі. При вмісті кисню біля 0,1 сучасної його кількості (PAL - present atmospheric level) шар озону піднявся вже в стратосферу.
Якщо врахувати, що джерелом кисню була фотодисоціація водяної пари, то еволюційний вибух міг відбутися тільки при дуже швидкому насиченні - за геологічною шкалою часу - атмосфери водяною парою, що почала енергійно розкладатися на сонячному світлі.
Якщо ж допустити, что життя поступово утворювало фотосинтетичне джерело кисню, після того як розклад пари або життя в морі утворили первинне підвищення рівня кисню до (2 ... 3)-10-3PAL, то швидкість еволюційного вибуху добре пояснюється таким механізмом з сильним додатнім зв'язком.
Пояснюється й послідовність розвитку життя у воді й на суші. Питання про озоновий шар дуже гостро постало в наші дні
Міжнародна метеорологічна організація виступила в 1976 р. з проектом "Глобального вивчення й моніторингу озону". Проект енергійно підтримала й Міжнародна комісія з атмосферного озону. В березні 1977 р. це питання було розглянуто у "Програмі Організації Об'єднаних Націй з оточуючого середовища "UNEP". В травні того ж року в Женеві зібрались спеціалісти, що вивчали новітні прибори й можливості координованих спостережень найбільш біологічно активної частини сонячного спектру - між 290 - 320 нм. Вже у 1978 р. спеціальний циркуляр ММО вже рекомендував країнам організацію спостережень ультрафіолетової радіації.
Ідея небезпеки знищення шару озону та його наслідках призвела до створення в США спеціальної "Програми визначення кліматичних впливів" (СІАР) (під загальним керівництвом Департаменту транспорту США), маючи на увазі викиди стратосферної авіації. З цією ціллю в 1972 . . . 1975 pp. було зроблено 4 конференції спеціалістів з проблем авіації, фізиці атмосфери, та забруднення й озону. Аналогична програма (COVOS) було утворено у Франції.
В наш час головною рисою розподілення радіації по земній кулі є її широтна залежність. Розрахунки показують, що тропічний пояс має отримувати до 360 . . . 420 Вт/чм-2 на місяць. Таким чином, знищення шару озону має по різному вплинути на тропічній та помірній зоні на населенні.
Фізико-хімічні властивості озону
Це слово в перекладі з грецької мови означає "пахучий", "запашний", "той, що пахне". Кожен is нас відчував характерний різкий запах цього синюватого газу після грози з частими блискавкам чи при перебуванні біля пристроїв або машин (в момент утворення іскор у відкритому повітрі). Втім, що речовини перебувають у газовому стані лише при температурах, сприятливих для життя людини. Озон можна перетворити у рідину при охолодженні до -111,9°С, а при вищих температурах він перебуває вже в газоподібному стані. Максимальна температура рідкого кисню (О2) при атмосферному тиску (температура його кипіння) становить -183°С.
Хімічний елемент кисень існує в атмосфері в вигляді трьох алотропічних видозмін: О2 - молекулярному, О - атомарному и О3 - трьохатомному, що власне і називається озоном та утворюється при хімічному з'єднанні перших двох. Тому більшість властивостей молекули озону можна зрозуміти краще, виходячи з властивостей молекулярного й атомарного кисню.
На основі вивчення спектральних властивостей озону були отримані дані про будову його молекули. Молекула О3 стала класичним прикладом використання спектральных даних для розрахунків довжин зв'язків та розмірів центрального кута. Відповідно до загальноприйнятої моделі молекули О3 атоми в ній розташовуються у вершинах рівнобедреного тупокутного трикутника, причому відстані між атомами дорівнюють (1,278 ± 0,003)?, а значення центрального кута складає 116°50'±30'. Маса молекулы О3 складає 7,97х10-23 г.
В молекулу озону можуть входити атоми більш важких ізотопів кисню О17 и О18.
Озон перетворюється на рідину при температурі 161,3К (температура кипіння) в темно-синю рідину.
Температура затвердіння, за даними різних авторів, відрізняється на 2-3К та складає приблизно 78К.
Тверда кристалічна структура має темно-фіолетовий колір.
Озон має характерний запах. Деякі вважають присутність запаху озону показником чистоти повітря. Як показують біологічні й медичні досліди - озон - сильнодіюча отрута, що крім загально токсичної дії, ще має такі властивості як мутагенність, канцерогенність, радіометричний ефект. За токсичністю озон перевищує, наприклад, синильною кислоту.
Озоно-кисневі суміші вибухонебезпечні при концентраціях озону від 20 до 100%. Саме вибухонебезпечність концентрованих сумішей озону довгий час була основною перешкодою вивченню його фізичних та хімічних властивостей. Не дивлячись на те, що промислове виробництво озону існувало ще з початку XX ст., найбільш фундаментальні властивості його молекули були вивчені тільки в 50-х pp., коли в багатьох країнах були зроблені спроби використання концентрованого озону як окиснювача в ракетних системах.
Потенціал іонізації озону 2,8еВ, сродство до электрону за різними даними 1,9 ... 2,7еВ, тобто достатньо сильно (більш сильне мають тільки фтор та його оксиди, а також нестабільні частки - атоми та вільні радикали).
Озон досить нестійкий у великих концентраціях може розкладатися з вибухом, тому цілком безпечне його зберігання вимагає низьких температур. Відомо, що людина не може існувати в атмосфері з чистого кисню. Певний час, щоб зменшити масу своїх пілотованих космічних апаратів, американці використовували атмосферу чистого кисню, але відмовилися від цього через надто велику небезпеку пожеж. До речі, людині корисна невелика концентрація озону в повітрі, але велика кількість його стає смертельно небезпечною.
Дослідженнями виявлено велику роль природних концентрацій озону (одна молекула озону на кілька десятків мільйонів інших молекул повітря) в окислювальних процесах, що відбуваються у клітинах людського організму. Коли ж почали широко застосовувати очищене та кондиційоване повітря у робочих приміщеннях, то помітили незрозуміле підвищення кількості захворювань людей у порівнянні з минулим періодом, коли вони дихали "неочищеним повітрям". Не відразу, але знайшли причину - повна відсутність озону в кондиційованому повітрі зумовила розлади в організмі.
Підвищена окислювальна здатність озону все ширше використовується для обеззараження від шкідливих мікроорганізмів повітря та питної води. Не обійшлось і без курйозів, кілька років тому в наших газетах тривалий час писалося про спроби використання озону при зберіганні картоплі та інших овочів. Критика з боку вчених, які вказували, що такий активний окислювач, як озон, лише прискорює процеси розкладу речовин, що входять до складу картоплі нічого не дали. Було втрачено чимало грошей, доки зрозуміли, що розв'язати проблему зберігання овочів при заміні повітря у сховищах на озон не можна.
Найчастіше озон одержують у великих кількостях при пропусканні електричного струму через сухий кисень. Електричний розряд розщеплює молекули кисню на дві частини - атоми кисню:
О2=О + О
Атоми рухаються швидко і часто стикаються з двохатомними молекулами кисню, що при сприятливих умовах веде до утворення комплекса і 3 трьох атомів кисню молекул озону
О + О2 = О3
Дослідження озонової діри
У 1985 р. фахівці з дослідження атмосфери Британської Антарктичної Служби повідомили про абсолютно несподіваний факт: весняний вміст озону в атмосфері над станцією Халлі-Бей в Антарктиді зменшився за період з 1977 по 1984 р. на 40%. Незабаром цей висновок підтвердили і інші дослідники, що область зниженого вмісту озону тягнеться за межі Антарктиди і по висоті охоплює шар від 12 до 24 км, тобто значну частину нижньої стратосфери. Фактично це означало, що в полярній атмосфері є озонова "діра". Найбільш докладним дослідженням озонового шару над Антарктидою був міжнародний Антарктичний Озонний Експеримент. У його ході, вчені з 4 країн декілька разів підіймалися в область зниженого змісту озону і збирали детальні відомості про розміри "діри" і проходячи в ній хімічні процеси. На початку 80-х років по вимірюваннях зі супутника "Німбус-7" аналогічна "діра" була виявлена і в Арктиці, щоправда вона охоплювала значно меншу площу і падіння рівня озону в ній було не таким значним (- біля 9%). У середньому по Землі з 1979 по 1990 р. вміст озону знизився на 5%.
Вперше думка про небезпеку руйнування озонового шару була висловлена ще в кінці 1960-х років, тоді вважалося, що основну небезпеку для атмосферного озону представляють викиди водяної пари і оксидов азоту з двигунів надзвукових транспортних літаків і ракет. Однак, надзвукова авіація розвивалася значно менш бурхливими темпами, ніж передбачається. У цей час в комерційних цілях використовується тільки "Конкорд", що здійснює декілька рейсів в тиждень між Америкою і Європою, з військових літаків в стратосфері літають практично тільки надзвукові стратегічні бомбардувальники, такі, як В1-В або Ту-160 і розвідувальні літаки типу SR-71. Таке навантаження навряд чи представляє серйозну загрозу для озонового шару. Викиди оксидів азоту з поверхні землі внаслідок спалення викопного палива і масового виробництва і застосування азотних добрив також несе певну небезпеку для озонового шару, але оксиди азоту нестійкі і легко руйнуються в нижніх шарах атмосфери. Запуски ракет також відбуваються не дуже часто, проте, тверде паливо, що використовується в сучасних космічних системах, наприклад в твердопаливних прискорювачах "Спейс-Шаттл" або "Аріан", може наносити серйозний збиток озоновому шарі в районі запуску.
У 1974 р. вчені М. Моліна і Ф. Роуленд з Каліфорнійського університету в Ірвіне показали, що хлорфторвуглероди (ХФУ) можуть спричиняти руйнування озону. Починаючи з цього часу, так звана, хлорфторвуглеродна проблема стала однією з основних в дослідженнях по забрудненню атмосфери.
Хлорфторвуглероди вже більше за 60 років використовуються як хладогенти в холодильниках і кондиціонерах, пропілленти для аерозольних сумішей, пінообразуючі агенти у вогнегасниках, очищувачі для електронних приладів, при хімічному чищенні одягу, при виробництві пінопластів. Колись вони розглядалися, як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки вони дуже стабільні і неактивні, а, значить, не токсичні. Як це ні парадоксально, але саме інертність цих з'єднань робить їх небезпечною для атмосферного озону. ХФУ не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, який тягнеться від поверхні землі до висоти 10 км), як це відбувається, наприклад, з переважно оксидів азоту, і, зрештою, проникають в стратосферу, верхній кордон якої розташовується на висоті біля 50 км. Коли молекули ХФУ підіймаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони зазнають інтенсивного впливу ультрафиолетового випромінювання, який не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону. Ультрафіолет руйнує стійкі в звичайних умовах молекули ХФУ, які розпадаються на компоненти, що володіють високою реакційною здатністю, зокрема атомний хлор. Таким чином, ХФУ переносить хлор з поверхні землі через тропосферу і нижні шари атмосфери, де менш інертні з'єднання хлора руйнуються, в стратосферу, до шару з найбільшою концентрацією озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: в ході хімічного процесу його кількість не меншає. В наслідок цього один атом хлора може зруйнувати до 100 000 молекул озону, перш ніж буде дезактивований або повернеться в тропосферу. Зараз викид ХФУ в атмосферу обчислюється мільйонами тонн, але, навіть у гіпотетичному разі повного припинення виробництва і використання ХФУ, негайного результату досягнути не вдасться: дія що вже попали в атмосферу ХФУ буде продовжуватися декілька десятиріч. Вважається, що час життя в атмосфері для двох ХФУ фреон-11, що найбільш широко використовуються і фреон-12 становить 75 і 100 років відповідно.
Це відкриття стурбувало як вчених, так і широку громадськість, оскільки з нього слідувало, що шар озону, навколо нашої планети, знайдеться в більшій небезпеці, ніж вважався раніше. Потоншення цього шару може привести до серйозних наслідків для людства. Вміст озону в атмосфері менше за 0.0001%, однак, саме озон повністю поглинає жорстке ультрафіолетове випромінювання сонця, що завдає серйозної шкоди клітинам живих організмів. Падіння концентрації озону на 1% приводить, в середньому, до збільшення інтенсивності жорсткого ультрафиолету у поверхні землі на 2%. Ця оцінка підтверджується вимірюваннями, проведеними в Антарктиді (правда, через низьке положення сонця, інтенсивність ультрафіолету в Антарктиді все ще нижче, ніж в середніх широтах). По своєму впливу на живі організми жорсткий ультрафіолет близький до іонізуючих випромінювань, однак, через більші, ніж у у-випромінюванні довжини хвилі, він не здатний проникати глибоко до тканини, і тому вражає тільки поверхневі органи. Жорсткий ультрафіолет володіє достатньою енергією для руйнування ДНК і інших органічних молекул, що може викликати рак шкіри, катаракту і імунну недостатність. Природно, жорсткий ультрафиолет здатний викликати звичайні опіки шкіри та рогівки ока. Вже зараз у всьому світі помітно збільшило число захворювань на рак шкіри, однак, значна кількість інших чинників (наприклад, популярність загару, що зросла, що приводить до того, що люди більше часу проводять на сонці, отримуючи велику дозу УФ опромінення) не дозволяє однозначно затверджувати, що в цьому помітне зменшення вмісту озону. Жорсткий ультрафіолет погано поглинається водою і тому несе велику небезпеку для морських екосистем. Експерименти показали, що планктон, що мешкає в приповерховому шарі, при збільшенні інтенсивності жорсткого УФ опромінення може серйозно постраждати і навіть загинути повністю. Планктон знаходиться в основі харчових ланцюжків практично всіх морських екосистем, тому без перебільшення можна сказати, що практично все життя в приповерхових шарах морів і океанів може зникнути. Рослини менш чутливі до жорсткого УФ опроміненню, але при збільшенні дози можуть постраждати і вони. Якщо вміст озону в атмосфері значно поменшає, людство легко знайде спосіб захиститися від жорсткого УФ випромінювання, але при цьому ризикує померти від голоду.
Під тиском цих аргументів багато які країни почали вживати заходів, направлені на скорочення виробництва і використання ХФУ. З 1978 р. в США було заборонене використання ХФУ в аерозолях. На жаль, використання ХФУ в інших областях обмежене не було. У вересні 1987 р. 23 ведучих країни світу підписали в Монреалі конвенцію, що зобов'язує їх знизити споживання ХФУ. Згідно з досягнутою домовленістю, розвинені країни повинні до 1999 р. знизити споживання ХФУ до половини рівня 1986 р.
Для використання в якості пропеллента в аерозолях вже знайдений непоганий замінник ХФУ - пропан-бутановий суміш. По фізичних параметрах вона практично не поступається фреонам, але, на відміну від них, вогненебезпечна. Проте, такі аерозолі вже проводяться в багатьох країнах, в тому числі і в Україні.
Складніше йде справа з холодильними установками - другим по величині споживачем фреонів. Справа в тому, що через полярність молекули ХФУ мають високу теплоту випаровування, що дуже важливо для робочого агрегату в холодильниках і кондиціонерах. Кращим відомим на сьогодні замінником фреонів є аміак, але він токсичний і все ж поступається ХФУ по фізичних параметрах. Непогані результати отримані для повністю фторированих вуглеводородів. У багатьох країнах ведуться розробки нових замінників, і вже досягнуті непогані практичні результати, але повністю ця проблема ще не вирішена.
Використання фреонів продовжується, і поки далеко навіть до стабілізації рівня ХФУ в атмосфері. Так, за даними мережі Глобального моніторингу змін клімату, в фонових умовах - на берегах Тихого і Атлантичного океанів і на островах, вдалині від промислових і густо населених районів - концентрація фреонів -11 і -12 в цей час зростає з швидкістю 5-9% в рік. Разом з тим, ранні прогнози, що кажуть про те, що при збереженні сучасного рівня викиду ХФУ, до середини XXI ст. кількість озону в стратосфері може впасти вдвічі, можливо були дуже песимістичні. Бо, як з'ясувалося, діра над Антарктидою багато в чому є слідством метеорологічних процесів. Утворення озону можливо тільки при наявності ультрафіолету і під час полярної ночі не йде. Взимку над Антарктикою утвориться стійкий вихор, перешкоджаючий притоці багатого озоном повітря зі середніх широт. Тому до весни навіть невелику кількість активного хлору здібно нанести серйозний збиток озонному шару. Такий вихор практично відсутній над Арктикою, тому в північній півкулі падіння концентрації озону значно менше. Багато які дослідники вважають, що на процес руйнування озону впливають полярні стратосферні хмари. Ці висотні хмари, які набагато частіше спостерігаються над Антарктикою, чим над Арктикою, утворяться взимку, коли при відсутності сонячного світла, в умовах метеорологічної ізоляції Антарктиди, температура в стратосфері падає нижче мінус 80°С. Можливо, що частки цих хмар здатні каналізувати розпад озону. Все це говорить про те, що ХФУ здатні викликати помітне пониження концентрації озону тільки в специфічних атмосферних умовах Антарктиди, яке для середніх широт не характерне в наслідок інших кліматичних умов.
Зображення озонової діри над Антарктидою складене за даними, одержаними в жовтні 1999 року орбітальним спектрометром для глобального картографування озонового шару TOMS
Хоч перші похмурі оцінки були переглянені, це ні в якому разі не означає, що проблеми немає. Швидше., стало ясно, що немає негайної серйозної небезпеки. Навіть найбільш оптимістичні оцінки передбачають при сучасному рівні викиду ХФУ в атмосферу серйозні біосферні порушення у другій половині XXI в., тому скорочувати використання ХФУ, як і раніше, необхідно.
Можливості впливу людини на природу постійно зростають і вже досягли такого рівня, коли можливо нанести биосфере непоправний збиток. Вже не в перший раз речовина, який довгий час вважався абсолютно нешкідливим, виявляється, насправді, надто небезпечним. Років двадцять назад навряд чи хто-небудь міг передбачити, що звичайний аерозольний балончик може представляти серйозну загрозу для планети загалом. До нещастя, далеко не завжди вдається вчасно передбачити, яким чином те або інше з'єднання буде впливати на біосферу. Однак, у випадку з ХФУ така можливість була. Але навіть після того, як проблема ХФУ була в 1974 р. сформульована дуже небагато країн прийняли заходи по захисту природи від ХФУ, але ці заходи були недостатні. Була потрібна досить серйозна демонстрація небезпеки ХФУ для того, щоб були прийняті серйозні заходи в світовому масштабі. Потрібно помітити, що навіть після виявлення озонної діри, ратифікування Монреальської конвенції один час знаходилося під загрозою. Бути може, проблема ХФУ навчить з великою увагою відноситись до всіх речовин, що попадають в біосферу внаслідок діяльності людства.
Висновок
Сучасна теорія ПСХ-ХФВ утворення озонової діри пояснює більшість даних спостережень. Виділення ХФВ в результаті лядської діяльності відповідає головним чином за виснаження шару озону в Північній півкулі. Озонова діра біля Антарктики весною виникає тому, що для утворення діри необхідна присутність стратосферних хмар, що утворюються тільки в найхолоднішу пору року. Перші ж промені сонця ініціюють хімічні реакції, що виснажують озоновий шар. Втрата озону відчутніше над Антарктикою ніж над Арктикою, тому що антарктична стратосфера холодніша і тут утворюється більше хмар, особливо на висоті менше 20 км. Більше хмар - більше активних атомів хлору та інтенсивніше видалення азотних сполук. - більші втрати озону.
Можливо, "більш важлива відмінність між полюсами повязана з антарктичною циркуляцією - кільцем швидко циркулюючого повітря, що обмежує зону виснаження озону. Руйнування озону починається на вересні з поверненням сонячного світла, та його втрати досягають піку в жовтні.
Певний внесок в руйнацію озонового шару вносять також вулканічна діяльність та викиди стратосферної авіації.
Так у 1982 р. відбулося виверження вулкана Ель-Чічон у Мексиці. Виверження не було катастрофічним чи надзвичайно великим за масштабами, але дещо незвичайним: струмінь його викиду мав дуже велику швидкість і швидко досяг стратосфери. Особливість циркуляції повітря на цих висотах така, що хмара переноситься вітрами на схід, завершуючи приблизно за два тижні рух навколо Землі. Одночасно хмара розширюється і поступово розпорошується на всю територію планети. Дуже дрібненькі часточки можуть опускатися з таких висот донизу довго - протягом років.
Названий вулкан викинув чималу кількість хлору, крім звичних для вулканів пилу і вуглекислого газу. Хмара, що утворилася після його викиду, була помітною тривалий час у повітрі завдяки посиленому розсіюванню сонячного проміння. Тож з'являлися незвичайно гарні та інтенсивні кольори неба в час заходу Сонця та перед його появою із-за лінії горизонту.
З часом від зони екватора атмосферні домішки переносяться до полюсів, тому викиди хлору вулканом Ель-Чічон могли досягнути району Південного полюса. Співставленням розпорошення інших викидів різних вулканів свідчить, що з часом їхній вплив повинен зменшуватися. Враховуючи, то зниження вмісту озону над Антарктидою розпочалося задовго до виверження мексиканського вулкана, і особливо швидке поглиблення озонової діри припадає на період з 1985-1987рр.
Деякі вчені (Кандидат хімічних наук М. Подклетнов) свідчать про реальну загрозу озоновому шару від вулканів Камчатки.
Доктор технічних наук В.П. Бурдаков та кандидат технічних наук В.М.Філій в своїх працях дають багато цікавих та переконливих даних про дію викидів стратегічних ракет та шатлів, використовуючи порівняльну характеристику хімічного складу цих викидів.
За їх свідченнями у викидах всіх літаків 0,1% оксидів азоту NO та NO2, що під дією УФ-випромінювання сонця майже не утримується в атмосфері. Потім молекули NO грають роль руйнівників озону за реакціями:
NO + O3 = NO2+O2 NO2 + O3 = NO + 2O2 NO2 = O = NO + O2
Ітогову реакцію можна записати так:
О + О3 = 2О2
Було підраховано, що до моменту свого зникнення кожна молекула оксиду азоту знищує в середньому 10 молекул озону.
Ще більш вражаючі данні вони наводять щодо американського корабля багаторазового використання ШАТТЛ
Незважаючи на наведені цифри, все ж таки внесок вулканічної діяльності та викиди стратосферної авіації, в руйнацію озонового шару незначний порівняно з таким хлорфторвуглецевих сполук спільно з полярними стратосферними хмарами.
Дослідники передбачають, що кількість хлору в атмосферу досягне свого піка в першому десятиріччі наступного століття, тому, що хлорфторвуглецеві сполуки мають настільки великий час життя, що кількість хлору в атмосфері буде не тільки залишатися постійною (не дивлячись на численні міжнародні конференції, угоди тощо), а буде продовжувати рости до середини наступного сторіччя, а може й далі.
Отож втрати озону найближчим часом будуть зростати в зоні антарктичної озонової діри. Можливе подвоєння цих втрат.
Реальних результатів боротьби за озоновий шар планети поки що ніхто не знає...
Кислотні опади: причини виникнення, наслідки, заходи по запобіганню негативних впливів
Реферат з курсу
«Основи екології»
студентa курсу
факультету
(спеціальність «»)
КИЇВ – 2007
ЗМІСТ
Вступ…………………………………………………………………………… .3
Основна частина
1. Причини виникнення і механізми утворення .………………………… 5
2. Наслідки кислотних опадів… ……………………………………………7
3. Заходи по запобіганню негативних впливів……… .……………………9
Висновки……………………………………………………………………… .11
Список використаних джерел……………………………………………… .12
Вступ
Актуальність дослідження
Кислотні дощі – одна з глобальних екологічних проблем людства. Вона з’явилась внаслідок забруднення атмосфери. Стоїть поряд з парниковим ефектом, озоновими дірками і смогом. Сам термін «кислотні дощі» ввів англійський хімік більш ніж 100 років тому. Прагнучи досягти однохвилинну користь, людина різко змінила склад дощових та снігових опадів, наносячи цим самим шкоду всій біосфері.
Так, ще 200 років тому дощова та снігова вода була майже нейтральною з рН=7. Дощова вода вважається кислою, якщо її рН менше, чи рівний 5. В наш час дощова та снігова вода часто є просто слабким розчином сірчаної та азотної кислоти, попередниками яких були сірка та азот.
Світовий рекорд по випадінню кислотного дощу належить шотландському місту Пітлохрі, де 10 квітня 1974 р. пройшов дощ з рН=4! Це вже не вода, а щось більше схоже на столовий оцет.
Цією проблемою займається екологічна служба кожного міста. Шкідливий вплив полягає в тому, що кислотні дощі збільшують розчинність сполук важких металів.
Тому вивчення даної проблеми є особливо актуальним в наш час: необхідно знати не тільки причини виникнення кислотних дощів і наслідки негативних впливів, а й засоби подальшого запобігання розповсюдженню кислотних опадів.
Актуальністю даної проблеми зумовлений вибір теми реферату «Кислотні опади: причини виникнення, наслідки, заходи по запобіганню негативних впливів».
Існує велика кількість журнальних статей, присвячених дослідженню нашої теми. Зокрема, в статті Лигіна С. А. [3] досить докладно розглядаються причини виникнення і механізми утворення кислотних опадів. Гільметова О. В. [2] розкриває більшість наслідків даної екологічної проблеми, а Халікова І. В. [5] – засоби запобігання негативних впливів і методи боротьби із забрудненням атмосфери. Білявський Г. О. [1] описує конкретні приклади, наводить фактичний матеріал, а Новіков Ю. В. [4] розглядає проблему у багатьох аспектах одночасно.
Огляд навчальної та науково-популярної літератури дозволяє стверджувати, що інтерес дослідників до проблеми дослідження кислотних опадів у екології не згасає.
Мета реферату: з’ясувати сутність поняття «кислотні опади» та основні аспекти дослідження цієї проблеми у екології.
Завдання реферату:
· розкрити причини виникнення і механізми утворення кислотних опадів;
· розглянути наслідки негативних впливів даної частини глобальної проблеми людства;
· проаналізувати, які заходи здатні перешкодити негативному впливу, і які з них є найбільш ефективними.
Основна частина
1. Причини виникнення і механізми утворення
Оксиди сульфуру й нітрогену, що викидаються в атмосферу внаслідок роботи теплових електростанцій та автомобільних двигунів, сполучаються з атмосферною вологою й утворюють дрібні крапельки сульфатної та нітратної кислоти, які переносяться вітрами у вигляді кислотного туману й випадають на землю кислотними дощами. Ці дощі згубно впливають на навколишнє середовище [5, с. 51].
Механізми утворення кислотних дощів в атмосфері:
1) В утворенні сірчаної кислоти із діоксиду сірки SO2 в атмосфері приймають участь радикали ОН˙, котрі присутні в атмосфері із середньою річною концентрацією близько 5·105 – 106 частинок в 1 см3. Радикали ОН˙ утворюються в атмосфері за рахунокфотолізу озону в ультрафіолетових променях з присутністю парів води. Схеми реакцій, які ведуть до утворення сірчаної кислоти, наступні:
ОН˙ + SO2 → НSO3˙;
НSO3˙ + O2 → SO3 + НO2˙;
SO3 + Н2О → Н2 SO4.
В подальшому сірчана кислота або випадає на поверхню Землі, або дає солі, реагуючи головним чином із аміаком. Солі зазвичай виводяться із атмосфери разом із дощами за рахунок гравітації. Даний механізм забезпечує вивід діоксиду сірки із атмосфери приблизно за 12 днів.
2) Інший механізм утворення сірчаної кислоти пов’язаний з окисненням діоксиду сірки в краплинках хмар, проходить також за рахунок радикала ОН˙. В цьому випадку в процесі беруть участь іониSO2–3 і НSO3–, а окисником виступає кисень, і процес може носити ланцюговий характер, особливо в урбанізованих районах, де концентрація діоксиду сірки велика:
ОН˙ + НSO3– → НO2 + SO3˙– ;
SO3˙– + O2 → SO5˙– ;
SO5˙– + НSO3– → НSO5– + SO3˙–.
Утворений в останній реакції радикал SO3˙– знову вступає в реакцію з киснем, що і забезпечує протікання ланцюгових реакцій. Поряд з цим процес окиснення діоксида сірки в краплях каналізують іони заліза, а одночасна присутність іонів марганцю суттєво прискорює даний процес.
3) Третій механізм окиснення діоксиду сірки киснем має каталітичну природу. Каталіз здійснюється на поверхні аерозольних частинок, насамперед сажі.
4) Утворення азотної кислоти проходить в атмосфері двома основними шляхами. Перший з них – реакція радикала ОН˙ сNO2:
ОН˙+NO2 → НNO3.
Ця реакція проходить вдень, так як радикал ОН˙присутній в атмосфері у великій концентрації тільки в денний час.
5) Існує також і «нічний» механізм утворення азотної кислоти, який проходить через реакцію з озоном з утворенням радикала НNO3˙:
NO2 + O3 → NO3˙ + O2;
NO3˙ + NO2 → N2O5˙;
N2O5˙ + Н2О → 2НNO3 [3, с. 36].