Проблема разрушения озонового слоя Земли

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Проблема разрушения озонового слоя Земли

Воронков О.Н., Тлехусеж М.А.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет», Россия.

Аннотация. В данной статье приведены сведения о разрушении озонового слоя Земли. Рассмотрены различные факторы, причины, а также последствия возможной экологической катастрофы, связанной с изучаемым процессом. Установлено, что индустриальная деятельность человека, а также различные природные факторы являются основными причинами уничтожения озоносферы. Приведен перечень нормативно-правовых актов, в которых отражена рассматриваемая проблема.

Ключевые слова: озоновый слой, озоновые дыры, озон, хлорфторуглероды, галогенуглеводороды.

Voronkov O.N., Tlekhusezh M.A. Kuban state technological University, Russia. THE STUDY OF THE PROBLEM OF DESTROYING THE OZONE LAYER OF THE EARTH

Abstract. This article provides information on the study of the phenomenon of destruction of the ozone layer of the planet Earth. Various factors, causes and consequences of a possible ecological disaster associated with the studied process are investigated. It is established that industrial human activities and various natural factors are the main reasons of destruction of the ozone sphere. The list of normative legal acts, which reflect the studied problem, is given.

Key words: ozone layer, ozone holes, ozone, chlorofluorocarbons, halohydrocarbons.

Озон - трехатомные молекулы кислорода - образуется в стратосфере в результате фотохимической диссоциации молекулярного кислорода, а также азота, водорода и хлора под воздействием солнечной радиации с длиной волны менее 240 нм (k<240 нм). Этот процесс образует два атома кислорода, снова соединяющихся в молекулу, и две молекулы озона из трех молекул кислорода [1, с. 138]:

где М - любая молекула (обычно азота или кислорода), уносящая из реакции избыток энергии.

Общее количество озона в атмосфере не велико: если весь атмосферный озон привести к нормальным условиям земной поверхности, то средняя толщина озонового слоя не превысит 3 мм [2, с. 413].

Тем не менее озон -- один из наиболее важных ее компонентов. Благодаря ему смертоносная ультрафиолетовая солнечная радиация в слое между 15 и 40 км над земной поверхностью, где сосредоточена наибольшая концентрация озона, ослабляется примерно в 6500 раз [3, с. 388].

Даже при малой мощности озоновый слой в стратосфере играет важную роль, защищая живые организмы Земли от губительного ультрафиолетового излучения Солнца (УФ-излучения). Озон полностью поглощает жесткое УФ-излучение с длинами волн 100-280 нм и большую часть менее энергичного, но также опасного УФ-излучения с длинами волн 280-315 нм. Менее активное излучение (315-400 нм) озоном не абсорбируется и проникает в атмосферу [1, с. 138].

Озоносфера тоньше в экваториальных районах и толще в полярных. Она отличается значительной изменчивостью во времени и по территории вследствие колебаний солнечной радиации и циркуляции атмосферы, что маскирует антропогенные воздействия [1, с. 138].

Значительные отклонения от средних величин концентрации озона впервые были отмечены лишь в начале 80-х годов прошлого века. Тогда над южным полюсом планеты резко увеличилась озоновая дыра -- область с пониженным содержанием озона. Осенью 1985 г. его содержание снизилось относительно среднего на 40 %. Уменьшение содержания озона наблюдалось и на других широтах. В частности, на широте Москвы оно составило около 3 %. Таким образом, природные колебания концентрации озона в стратосфере усложнились из-за антропогенного воздействия [3, с. 388].

Средняя скорость глобального уменьшения озонового слоя, по оценкам разных экспертов, составляет 0,5-1,5 % в год. Если данная тенденция истощения озонового слоя будет продолжаться, то уже в середине XXI в. человечество может оказаться на пороге глобальной экологической катастрофы с непредсказуемыми тяжелыми последствиями [2, с. 414].

Уменьшение «толщины» озонового слоя приводит к увеличению количества ультрафиолетового излучения Солнца, достигающего поверхности Земли, нарушению теплового баланса планеты. Изменение интенсивности солнечного излучения заметно влияет на биологические процессы, что в конце концов может привести к критическим ситуациям. С увеличением доли ультрафиолетовой составляющей в излучении, доходящем до поверхности планеты, связывают возникновение различных болезней. Среди них рост числа раковых заболеваний кожи у людей и животных, увеличение числа патологий глаз, нарушение иммунной системы. Также серьезной проблемой является неблагоприятное воздействия на жизнедеятельность планктона в океане. Планктон находится в основании пищевых цепочек практически всех морских систем, в связи с этим жизнь в приповерхностных слоях морей и океанов оказывается под угрозой исчезновения. Немаловажной является проблема снижения урожая зерновых [1]. Установлено, что увеличение дозы ультрафиолетового излучения на 1 % приводит к увеличению раковых заболеваний на 2 % [3]. Предполагается, что жизнь на Земле возникла после образования в атмосфере озонового слоя, когда сформировалась надежная защита.

Главными катализаторами разложения озона являются оксиды азота:

NO + Оз = N02 + О2

N02 + О =NO + О2

Оз + О = 2О2 - 391 кДж/моль,

Немаловажная роль принадлежит также атомам хлора:

С1 + Оз = CIO + O2

ClO + О = O2 + С1

В качестве катализатора реакции разложения озона может также служить ОН'- радикал, образующийся с участием паров воды:

ОН' + O3 = O2 + HO2

HO2 + O = O2 + OH'

Природной причиной разрушения озонового слоя из-за поступления в стратосферу атомарного хлора является хлорметан (CH3CI). Его источниками являются жизнедеятельность организмов в океане и лесные пожары на суше. В то же время достоверно установлено, что в результате деятельности человека в атмосфере появился значительный избыток азотных и галогеноуглеродных соединений.

Оксиды азота антропогенного происхождения образуются из азота и кислорода воздуха при высоких температурах (начиная с 1000 °С и выше) в присутствии катализаторов, в качестве которых выступают различные металлы. Такие условия складываются при сжигании топлива, причем, чем выше температура процесса горения, тем больше образуется оксидов азота (НхОу). Наиболее подходящие условия для образования оксидов азота имеются в современных двигателях, в том числе у воздушных судов, давно освоивших как тропосферу, так и стратосферу. Кроме того, зона стратосферы, где находится озоновый слой, подвергается воздействию ракетной техники. Принципиально новые проблемы возникают при использовании ракетоносителей, в первую очередь, на твердом топливе, так как оно содержит много соединений хлора и азота. К примеру, при подъеме на высоту 50 км при общей массе полезного груза 29,5 т для ускорителей американского «Спейс шатл» количество отходов, наиболее опасных для озонного слоя, составляло: хлор и его соединения 187 т; оксиды азота (ЖОу) 7 т; оксиды аллюминия (в виде аэрозолей) 177 т [3, с. 390].

Атомарный хлор образуется в стратосфере в результате фотохимического разрушения хлорфторуглеродов (ХФУ), или фреонов, или хладонов CF2CI2 и CFC13. Эти вещества летучи и устойчивы в тропосфере. Однако, в условиях стратосферы они начинают распадаться в связи с образованием свободных атомов галогенов.

Хлорфторуглероды являются стабильными веществами. Время их существования в атмосфере велико: многие десятилетия они применялись в аэрозольных баллончиках, холодильных и иных установках. Хлорфторуглерод «Хладон 12» (CC12F2) был специально подобран для замены токсичного и обладающего резким запахом аммиака, повсеместно применявшегося до того времени в холодильных агрегатах. Демонстрируя в 1930 г. новый хладагент в Американском химическом обществе, американский инженер Томас Мидгли вдыхал его в себя и задувал им свечу. Тем самым подчеркивая два основных положительных качества «Хладона 12» -- негорючесть и нетоксичность. Кроме всего, это соединение коррозионно пассивно.

«Хладон 12», а также и «Хладон 11» (CC13F) относятся к классу хлорфторуглеродов -- веществ, состоящих из хлора, фтора и углерода. Этот класс включает в себя несколько соединений с различной температурой кипения, что позволяет легко подобрать конкретное вещество для решения разнообразных задач: создания холодильного агрегата или автомобильного кондиционера; очистки поверхности печатных плат для изделий микроэлектроники; аэрозольного распыления косметических или иных средств из «аэрозольных баллончиков»; вспенивания сырья при изготовлении изделий из пластмасс; пожаротушения и пр. К ХФУ также относятся метилхлороформ (CH3CCI3), четыреххлористый углерод (СС14) и талоны - бромфторуглероды (CF3Br; CF2 BrCl; C2F4Br2), использующиеся в огнетушителях, а также в некоторых видах военной техники [3, с. 389391].

На высоте около 25 км вследствие интенсивной солнечной радиации происходит разрушение ХФУ с выделением атомов хлора (Cl) и молекул моноксида хлора (C1O), которые являются более сильными катализаторами процесса разрушения молекул озона, чем оксиды азота:

С1 + О3 = С1О + О2

С1О + О = O2 + С1

При этом процессе каждый атом хлора может разрушить 105 молекул озона. Подобные реакции происходят и с участием соединений брома [1, с. 139-140]. Измерения показали почти двукратное превышение фоновых концентраций хлорсодержащих частиц в зоне антарктической «дыры» и наличие в весенние месяцы в стратосфере над Антарктидой областей почти без озона.

После того, как выяснилось, что ХФУ столь губительны для стратосферного озона, было предложено использовать заменители -- хлорфторуглеводороды (ХФУВ) и фторуглеводороды (ФУВ), имеющие в составе своих молекул атом водорода, химическая связь с которым менее прочная. Эта особенность снижает стойкость соединения, и оно может разрушаться уже в тропосфере [3, с. 391].

В 1996 г. ученые-химики Шервуд Роуланд и Марио Милена из Калифорнийского университета в Беркли (США), а также Поль Крутцен из Германии были удостоены Нобелевской премии по химической экологии за научную гипотезу о механизме техногенного разрушения озонового слоя Земли и появления озоновых дыр. Согласно этой теории, причиной разрушения является попадание в верхние слои атмосферы техногенных хлора и фтора, а также других атомов и радикалов, способных активно присоединять атомарный кислород, конкурируя с реакцией [2, с. 415]:

О + О2 = О3.

Понимая остроту и сложность этой неожиданно возникшей перед человечеством глобальной экологической проблемы, участники международных переговоров в Вене в марте 1985 г. подписали «Венскую конвенцию по охране озонового слоя», призывающую страны к проведению дополнительных исследований и обмену информацией по сокращению озонового слоя. Однако, они не смогли прийти к согласию о единых международных мерах ограничения производства и выбросов ХФУ.

В 1987 г. на международной встрече в Монреале 98 стран заключили соглашение (Монреальский протокол) о постепенном прекращении производства ХФУ и запрещении выбросов их в атмосферу. В 1990 г. на новой встрече в Лондоне ограничения были ужесточены -- около 60 стран подписали дополнительный протокол с требованием полностью прекратить производство ХФУ к 2000 г. В 2015 году на 21-й сессии Конференции Рамочной конвенции ООН об изменении климата было принято Парижское соглашение [3].

В связи с тем, что подобные ограничения затрагивали экономические интересы стран, был организован специальный фонд для помощи развивающимся странам по выполнению требований Протокола. В частности, благодаря Индии было достигнуто отдельное соглашение о передаче этим странам передовых технологий для самостоятельного производства заменителей хлорфторуглеродов [3].

В нашей стране принят Федеральный закон от 10.01.2002 №7-ФЗ «Об охране окружающей среды», в котором регламентируются как охрана озонового слоя путем регулирования производства озоноразрушающих веществ, так и общие принципы взаимодействия общества и природы [4].

Именно понимание сути дела и принятые меры, о которых говорилось выше, позволили остановить губительное воздействие на озоновый слой и создать условия для восстановления «дофреонового» уровня. Темпы восстановления (при соблюдении всех поправок к Монреальскому протоколу) зависят от накопленных в атмосфере разрушающих озон соединений и их атмосферных времен жизни, которые составляют десятки и даже сотни лет. Расчеты показывают, что процесс восстановления будет происходить в течение XXI столетия, причем к его середине уровень восстановления может составить 80- 90% [5, с. 15].

К сожалению, расчеты показывают, что даже при успешном выполнении принятого графика реализации достигнутых соглашений, содержание хлора в атмосфере вернется к уровню 1986 г. (когда впервые было выявлено антропогенное воздействие на озоновый слой) только лишь в 2030 г. Причина этого -- миграция фреонов, уже попавших в атмосферу, из нижних слоев в её более высокие слои, а также продолжительное время их «жизни» в природных условиях [3, с. 391-392].

Литература

озоносфера индустриальный катализатор

1. Голубев Г.Н. Геоэкология. М.: ГЕОС, 1999. 338 с.

2. Челноков А.А., Саевич К.Ф., Ющенко Л.Ф. Общая и прикладная экология. Минск: Вышэйная школа, 2014. 654 с.

3. Николайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология. М.: Дрофа, 2004. 624 с.

4. Об охране окружающей среды: Федер. закон РФ: принят Гос. Думой 20.12.2001 // Собрание законодательств РФ. 2002. № 2. Ст. 133.

5. Ларин И.К. Химия озонового слоя и жизнь на Земле // Химия и жизнь. 2000. № 7. С. 10-15.

Размещено на Allbest.ru