Озоновые дыры как экологическая проблема

Работа успешно защищена, получен зачет. ...

1.Введение
2.Озоновый слой
2.1. Роль и местоположение озонового слоя
2.2.История изучения озонового слоя
2.3. Разрушение озонового слоя. Озоновые дыры
2.4.Озоновая дыра над Антарктидой
2.5.Причины и механизм образования озоновых дыр
2.6.Источники загрязнения атмосферы. Антропогенный фактор
2.7. Геологические источники загрязнений
2.8. Химическое загрязнение атмосферы
2.9. Последствия истощения озонового слоя
3.Выводы. Пути решения проблем

Газообразный озон, открытый в середине прошлого века, долгое время привлекал внимание ученых лишь своими уникальными химическими и физическими свойствами.
Интерес к озону существенно возрос, после того, как выяснилась его распространенность в земной атмосфере и та особая роль, которую он играет в защите всего живого от воздействий опасного ультрафиолетового излучения. Особенно активно атмосферный озон стал изучаться в последние десятилетия. С ним, как ни с одним другим газом, в последние два десятилетия было связано несколько крупных сенсаций.

2.2.История изучения озонового слоя
Первые наблюдения за озоном относятся к 1840 г., но бурное развитие проблема озона получила в 20-е годы прошлого столетия, когда в Англии и Швейцарии появляются специальные наземные станции.
Международный геофизический год 1957-1958 г. дал энергичный толчок развитию сети наблюдений озона. В СССР был сконструирован упрощенный новый озонометр, позволивший организовать наблюдения во многих пунктах страны. С 1960 г. при содействии Всемирной метеорологической организации (ВМО) и Канадской метеорологической службы началась регулярная публикация данных всей мировой озонометрической сети об общем содержании озона.
Дополнительный путь для изучения связей переноса озона и стратификации атмосферы открыли самолетные зондирования озона атмосферы и выпуски озонныхзондов.
Новая эпоха отмечена появлением в США и в СССР искусственных спутников Земли, наблюдающих атмосферный озон и дающих обширный объем информации.
Развитие творческой мысли на основе накопленных наблюдений позволило сделать выводы об истощении озонового слоя Земли, связанного с возрастанием концентрации загрязняющих озоноразрушающих веществ (хлорфторуглеродов) в атмосфере. В 1976 г. Всемирная метеорологическая организация выступила с проектом «Глобального исследования и мониторинга озона» и рекомендовала странам-членам ВМО вести регулярные наблюдения за озоном.
С этого времени проблема озона вышла на межправительственный уровень. В 1985 г. представителями 44 государств была принята Венская «Конвенция об охране озонового слоя». Государства-участники конференции обязались вести систематические наблюдения за количеством озона и изучать как процессы, приводящие к его изменению, так и возможные биологические последствия таких изменений.
В 1986 году был подписан Монреальский протокол по ограничению производства и потребления веществ, разрушающих озоновый слой, участницей которого является и Россия. На сегодняшний день к Монреальскому протоколу присоединились 189 стран. Протокол предусматривал, например, полное прекращение производства пяти основных хлорфторуглеродов (ХФУ) в 1996 всеми промышленно развитыми странами и в 2010 г. развивающимися странами. Установлены сроки прекращения производства и других озоноразрушающих веществ. По модельным прогнозам (при соблюдении Протокола) уровень хлора в атмосфере снизится к 2050 г. до уровня 1980 г., что может привести к исчезновению антарктической «озоновой дыры».
2.3. Разрушение озонового слоя. Озоновые дыры
До самого последнего периода истории Земли живые системы планеты эволюционировали почти в полной гармонии с атмосферой, литосферой и гидросферой, не испытывая влияния человеческой деятельности. Но по мере развития сельского хозяйства и промышленности воздействие человека на среду стало заметнее. Повсеместная индустриализация, особенно развернувшаяся за последние два столетия, привела к потенциально опасным уровням загрязнения среды.
Можно сказать, что загрязнения – это поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей среде. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, в той или иной степени влияет на все параметры среды – антропогенные и природные, физические и биотические.
Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы – это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ.
Озоновая дыра— локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. По общепринятой в научной среде теории, во второй половине XX века всё возрастающее воздействие антропогенного фактора в виде выделения хлор- и бромсодержащих фреонов привело к значительному утончению озонового слоя.
Озоновая дыра диаметром свыше 1000 км впервые была обнаружена в 1985 в Южном полушарии над Антарктидой группой британских учёных. Каждый август она появлялась, к декабрю или январю прекращая своё существование. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра меньших размеров.
2.4.Озоновая дыра над Антарктидой
Впервые область пониженной концентрации озона в стратосфере над Антарктикой диаметром свыше 1000 км обнаружили в 1980-е годы. Ежегодно озоновая дыра, начиная расти в августе, достигает максимальных размеров к сентябрю-октябрю. Последние наблюдения за ней показывают, что ее размер стабилизировался, а уровень разрушающих озон веществ сократился по сравнению с данными 2001 года. Над Северным полушарием в Арктике образовывалась другая дыра меньших размеров.
Российские ученые подтвердили выводы своих западных коллег о том, что ледовый покров Антарктиды увеличивается, вопреки глобальному потеплению. Причиной такой парадоксальной ситуации является наличие над Южным полюсом озоновой дыры, вызывающей понижение температуры.
За 30 лет наблюдений рост ледовитости в Южном океане, окружающем Антарктиду, более 4%. У Северного полюса ситуация прямо противоположная. Здесь количество льда сокращается, и в 2007 - 2008 гг. в регионе был зафиксирован исторический минимум за всю историю наблюдений.
Лед в Антарктиде растет неравномерно. Самыми быстрыми темпами его толщина увеличивается в западной части материка, у моря Росса. Это связано с сильными холодными ветрами, вызванными пониженной концентрацией озона в воздухе. Ранее британские ученые заявили, что уровень вещества в атмосфере Антарктиды восстановится к концу XXI в., и тогда материк может потерять до трети ледовой поверхности.
Исследователи уверены, что изучение Северного и Южного полюса позволит выработать меры для противодействия изменению климата во всем мире.
2.5.Причины и механизм образования озоновых дыр
К уменьшению концентрации озона в атмосфере ведёт совокупность факторов, главными из которых является гибель молекул озона в реакциях с различными веществами антропогенного и природного происхождения, отсутствие солнечного излучения в течение полярной зимы, особо устойчивый полярный вихрь, который препятствует проникновению озона из приполярных широт, и образование полярных стратосферных облаков (ПСО), поверхность частиц которого катализируют реакции распада озона. Эти факторы особенно характерны для Антарктики, в Арктике полярный вихрь намного слабее в виду отсутствия континентальной поверхности, температура выше на несколько градусов, чем в Антарктике, а ПСО менее распространены, к тому же имеют тенденцию к распаду в начале осени. Будучи химически активными, молекулы озона могут реагировать со многими неорганическими и органическими соединениями. Главными веществами, вносящими вклад в разрушение молекул озона, являются простые вещества (водород, атомы кислорода, хлора, брома), неорганические (хлороводород, моноксид азота) и органические соединения (метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые выделяют атомы хлора и брома). В отличие, например от гидрофторфреонов, которые распадаются до атомов фтора, которые, в свою очередь, быстро реагируют с водой образуя стабильный фтороводород. Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона. Йод также не разрушает стратосферный озон, так как йодсодержащие органические вещества почти полностью расходуются ещё в тропосфере.
2.6.Источники загрязнения атмосферы. Антропогенный фактор.
Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в атмосферу больших масс различных химических соединений. Большинство антропогенных источников сконцентрировано в городах, занимающих лишь небольшую часть территории нашей планеты. В результате движения воздушных масс с подветренной стороны больших городов образуется многокилометровый шлейф загрязнений.
В развитых странах действует законодательство, направленное на защиту воздушного бассейна. В результате значительно уменьшилась общая загрязненность воздуха, однако выбросы, источником которого является автомобильный транспорт, возрастают. В США на его долю приходится 63% выбросов углеводородов. Можно предполагать, что вклад транспорта в загрязнение воздуха будет увеличиваться с ростом численности автомобилей.
Вторым по мощности источником антропогенных органических загрязнителей служит промышленное производство. Базовыми продуктами основного органического синтеза являются этилен (на его основе вырабатывают почти половину всех органических веществ), пропилен, бутадиен, бензол, толуол, ксилолы и метанол. Вместе с немногими производными (этилбензол, стирол, фенол, винилхлорид, акрилонитрил, фталевый ангидрид и терефталевая кислота) они являются объектами крупнотоннажного производства. Эти полупродукты используются в дальнейшем для выработки широкой номенклатуры других органических соединений (свыше 40 тыс. наименований).
В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленности присутствует широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья, промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза. Так, в газовых выбросах заводов синтетических моющих средств содержатся алканы, а также карбонильные соединения, эфиры, карбоновые кислоты. Заводы синтетического каучука загрязняют воздух исходными мономерами и растворителями. Предприятия лесохимической промышленности выделяют альдегиды, кетоны, спирты и карбоновые кислоты, множество терпенов (терпены-углеводороды, продукты жизнедеятельности растений молекулы которых построены из изопреновых звеньев). Целлюлозно – бумажные комбинаты выбрасывают большие количества дурнопахнущих газообразных веществ (одорантов), таких, как метил- и диметилсульфиды, диметилдисульфиды, а также формальдегид, спирты и фенолы.
Велики потери используемых в промышленности растворителей. На их долю в индустриально развитых странах приходится 20-25% общей эмиссии углеводородов. В США в конце 70-х годов в атмосферу выбрасывалось ежегодно 26,7 млн. т. углеводородов, из них примерно 5,2 млн. т. от промышленных предприятий. В атмосферу поступает много летучих галогенуглеводородов (метиленхлорида, хлороформа, четыреххлористого углерода, дихлорэтана, три- и тетрахлорэтилена, винилхлорида).
В качестве летучих компонентов (пропелентов) в аэрозольных упаковках широко применяются фторхлоруглеводороды (фреоны). Для этих целей использовалось около 85% фреонов и только 15% в холодильных установках и установках искусственного климата. Специфика использования фреонов такова, что 95% их количества попадает в атмосферу через 1-2 года после производства. Считают, что почти всё произведённое количество фтортрихлор- и дифтордихлорметана (5,27 млн. т. и 7.75 млн. т. соответственно в 1981 году) рано или поздно должно поступить в стратосферу и включиться в каталитический цикл разрушения озона.
Заметным источником органических загрязнителей атмосферы становится коммунальное хозяйство городов (жилые и общественные здания, предприятия тепло- и водоснабжения, химчистки, свалки). Хотя вклад этого источника в суммарную антропогенную эмиссию невелик, отсюда поступают основные количества опасных долгоживущих загрязнителей (например, диоксидов), поэтому они участвуют в формировании глобального фона некоторых органических экотоксикантов.
В выбросах вентиляционных систем жилых домов идентифицировано более 40 токсичных и дурнопахнущих веществ: меркаптанов и сульфидов, аминов, спиртов, предельных и диеновых углеводородов, альдегидов и некоторых гетероциклических соединений. При сжигании в горелке кухонной плиты 1м.куб. природного газа образуется до 150 мг формальдегида, а в сумме в продуктах горения газа обнаружено 22 различных компонента.
Источником одорантов служат сооружения по очистке сточных вод и свалки твердых отходов. На городских свалках накапливаются огромные количества бытовых отходов и мусора с высоким содержанием органических веществ.
2.7. Геологические источники загрязнений
При составлении глобального баланса органической составляющей атмосферы вклад геологических источников обычно не учитывался. Между тем процессы дегазации мантии Земли сопровождаются выделением широкого спектра органических соединений. Так, в пробах газов вулканов о-ва Кунашир и Камчатки идентифицировано около 100 органических соединений с длиной цепи до 12 углеродных атомов. Источником богатых углеводородами газов являются грязевые вулканы, чаще всего встречающиеся в нефтеносных областях.
Земная кора содержит различные газы в свободном состоянии, сорбированные разными породами и растворённые в воде. Часть этих газов по глубинным разломам и трещинам достигают поверхности Земли и диффундирует в атмосферу.
Можно предположить, что дегазация недр планеты происходит по всей ее поверхности, но наиболее интенсивно по бесчисленным разломам коры. В связи с этим большой интерес представляет изучение спонтанных газов гидротермальных источников в районах сейсмической активности. В результате таких исследований в пробах газов было идентифицировано более 60 неорганических и органических соединений. Последние представлены углеводородами, легколетучими карбонильными соединениями и спиртами, галогенуглеводородами.
Проведенные исследования показали, что в газах вулканов Никарагуа содержится заметные количества HF. Анализ проб воздуха, отобранных из кратера вулкана Масайя, также показали наличие в них фреонов наряду с другими органическими соединениями. Присутствуют галогенуглеводороды и в газах гидротермальных источников. Эти данные потребовали доказательств того, что обнаруженные фторуглеводороды не имеют антропогенного происхождения. И такие доказательства были получены. Фреоны были обнаружены в пузырьках воздуха антарктического льда возрастом 2000 лет. Специалистами НАСА было предпринято уникальное исследование воздуха из герметично запаянного свинцового гроба, обнаруженного в штате Мериленд и достоверно датированного 17 веком. В нем также были обнаружены фреоны. Ещё одно подтверждение существования природного источника фреонов было “поднято ” c морского дна. Фтортрихлорметан обнаружен в воде, извлеченной в 1982 году с глубины более 4000 метров в экваториальной части Атлантического океана, у дна Алеутской впадины и на глубине 4500 метров у берегов Антарктиды.
Южнополярный район: весной 1998 г. озонная дыра достигла рекордной площади — примерно 26 млн км2, что приблизительно втрое превышает территорию Австралии. В середине августа началось резкое истощение озоносферы, максимум которого наступил 21 сентября. По данным, полученным с зондов, почти полное разрушение озона отмечалось на высотах 14—22 км.
Исследуя это явление совместно с австралийскими коллегами, одна из его первооткрывателей С.Соломон установила, что химические реакции, разрушающие озон, происходят на поверхности ледяных кристаллов и любых иных частиц, попавших в высокие стратосферные слои над полярными районами. Так, до сих пор способствуют образованию озонных дыр твердые частицы, попавшие в стратосферу еще в 1991 г. при извержении вулкана Пинатубо на Филиппинских о-вах. Эти частицы вулканического происхождения придают хлору, поступающему в атмосферу с аэрозолями хлорфторуглеводородов, большую эффективность в процессах разрушения ими озоносферы.
Химические реакции с участием сульфатных частиц, извергнутых вулканом, значительно ускоряют истощение озона над Южным полушарием Земли: согласно наблюдениям, реакции ускорялись почти на 3%, и только теперь данный эффект начал исчезать.