Озонов слой на Земята

Озонов слой на Земята - раздел Екология, Сборник с активни материали по дисциплината "Екология" Озон и намаляване на озоновия слой Озон (O3) - Ar.

Озон и разрушаване на озона

Озонът (O3) е корозивен газ със силно окислително действие. В превод от гръцки ozon означава "миришещ", тъй като има остра миризма. Можете да усетите тази миризма след гръмотевична буря.

Озонът се образува в атмосферата, когато кислородът е изложен на високоенергийни късовълнови UV лъчи и електрически разряди. Високата енергия разделя кислорода на отделни атоми, които се свързват с молекулярния кислород, за да образуват озон:

Молекулите на озона са много нестабилни и лесно се разграждат, така че тази реакция е обратима.

Екологичната роля на озона е двойна.

1. Образувайки се на повърхността на Земята като компонент на фотохимичния смог, озонът е изключително вреден, тъй като има силни окислителни свойства и дразни лигавицата на очите и дихателните пътища.

В близост до повърхността на Земята озонът се образува по време на изхвърляния на мълнии и в резултат на фотохимични реакции между азотни оксиди (NO и NO2) и летливи въглеводороди, изпускани от изгорелите газове от автомобила.

2. Образувайки се в горните слоеве на стратосферата, озонът образува озоновия слой, който предпазва организмите на Земята от действието на късовълновите UV лъчи. Реакциите на синтеза на озон консумират до 98% от енергията на късовълновите UV лъчи на Слънцето, поради което те не достигат до повърхността на Земята и нямат разрушителен ефект върху организмите. За това озоновият слой се нарича "защитен щит" на Земята. Без него животът на повърхността на Земята не би могъл да съществува.

Образуването на озоновия слой стана възможно, когато концентрацията на кислород в атмосферата достигна 1% от сегашното ниво. Появата на озоновия слой позволи на живота да достигне сушата, докато преди животът можеше да съществува само в океана.

Най-големи количества озон се образуват на височина 17–48 км. Максималната му концентрация е на височина 20-25 км.

Както вече беше посочено, реакцията на образуване на озон е обратима и следователно има определен баланс на озон и кислород в атмосферата. Концентрацията на озон в атмосферата се определя от съотношението между скоростите на неговото образуване и разрушаване.

Когато озонът се разпада, се отделя топлина и следователно в стратосферата се наблюдава повишаване на температурата с височина.

Озоновият слой се отличава с много високо разреждане - плътността му е само 0,01-0,06 mg/mm 3 и ако е възможно да се компресира с налягане от 1 атм., Тогава дебелината му няма да надвишава 3-5 mm. Въпреки това озоновият слой изпълнява две важни функции в атмосферата:

- предпазва организмите от вредното въздействие на UV лъчите, които коагулират цитоплазмата, причиняват слънчево изгаряне, рак на кожата, катаракта (помътняване на лещата на окото), отслабване на имунната система и др .;

- образува стратосферата - слой от атмосферата, в който температурата се повишава с височина, което ограничава процесите на формиране на времето в тропосферата: горните нагрети слоеве на атмосферата предотвратяват издигането на по-студен повърхностен въздух. Ако не беше озоновият слой, температурата на атмосферата постепенно щеше да намалява с височината и температурният режим на Земята щеше да бъде напълно различен.

Озоновият слой е неравномерно разпределен по Земята, дебелината му варира във времето: според сезоните на годината, зависи от 11-годишните цикли на слънчевата активност.

Фигура 5.1 Фактори, влияещи върху състоянието на озоновия слой

Механизмът на образуване на озон беше обяснен през 1930 г. от американския химик С. Чапман, но когато през 50-те години бяха извършени измервания на съдържанието му в стратосферата, се оказа, че количеството на озона в него е много по-ниско от предвиденото теоретично. Малко по-късно се предполага, че в атмосферата има фактори, които разрушават­разклащане на озон. В средата на 60-те години. Учените стигнаха до заключението, че такива фактори са свободните радикали от водни пари и азотни оксиди, освободени в стратосферата с изпускането на свръхзвукови самолети и идващи от долната тропосфера (Фигура 5.1).

През 1973 г. американските химици Ф. Роуланд и М. Молина установяват, че озонът се разрушава от хлорофлуоровъглеводороди (CFC), известни под търговското наименование „фреони“ - CF2Cl3, CF2C12 и др. За това откритие, F. Rowland и M. Molina в 1996 г. е удостоен с Нобелова награда.

ХФУ започват да се произвеждат в индустриален мащаб през 30-те години, а до 1973 г. годишното им производство в света достига 1 милион тона. Широкото използване на ХФУ в индустрията се дължи на техните уникални свойства: те не са запалими, не образуват експлозия смеси с въздух, устойчиви на окислители, киселини, основи, не реагират с повечето метали.

CFC са широко използвани като:

- охлаждащи течности в хладилни агрегати, климатици, топлоизолационни системи;

- органични разтворители в електронната индустрия;

- пулверизатори в аерозолни кутии.

Бромосъдържащи съединения, близки до тях по свойства - халоните са използвани като разпенващи агенти в пожарогасителите.

Повече от 80% от производството на CFC в света идва от индустриализирани страни, главно от САЩ и Япония. Основните източници на CFC в атмосферата са аерозолни кутии, изхвърлени хладилници и климатици и изгаряне на пяна.

Оказа се, че ефектът на CFC върху озоновия слой се свързва с изключителната им стабилност: след като влязат в атмосферата, CFC не се разграждат, а се разпръскват, издигат се нагоре и достигат стратосферата за 40-150 години.

В стратосферата CFC се разграждат от къси вълни от слънчевите лъчи, отделяйки хлор, който засилва естествения процес на разрушаване на озона. Хлорът реагира с озона, образувайки хлорен диоксид и кислород:

Хлорният оксид е нестабилен, той също реагира с озона и хлорните атоми се освобождават и започва нов цикъл:

По този начин разделянето на CFC от UV лъчите предизвиква верижна реакция, при която един хлорен атом, подобно на „ненаситно чудовище“, може да унищожи до 100 хиляди озонови молекули. Това продължава докато срещне азотни или водородни съединения по пътя си, свързвайки го в неактивна форма.

В този случай хлорът се превръща в HCl и ClONO2 и престава да влияе на озона. По този начин тези съединения са резервоари за хлор:

При наличие на твърди частици (ледени кристали) или течни капчици (киселини) хлорът се отделя от резервоарите. Тези реакции са особено бързи при много ниски температури.

Беше наречено намаляване на концентрацията на озон над Антарктида "Озонова дупка" В момента размерът на "дупката" е почти равен на площта на този континент.

Рязкото намаляване на концентрацията на озон над Антарктида се обяснява с няколко причини:

- образуването на озон е възможно само при наличие на UV лъчи, не се случва през полярната нощ;

- ниските температури допринасят за образуването на ледени стратосферни облаци над Антарктида, върху частиците на които реакциите на разрушаване на озона се ускоряват;

Основната причина за намаляването на концентрацията на озон над Антарктида е образуването над него на ледени стратосферни облаци, върху частиците на които се активират процесите на разрушаване на озона с хлор. Реакциите на отделяне на хлор от резервоарите протичат върху частиците и по този начин процесът на разрушаване на озона от хлора започва отново.

Стратосферните облаци са два вида: водно-ледени облаци и облаци от трихидрат на азотна киселина (HNO3 • 3H2O). И в двата случая капчиците сярна киселина са ядрата на тяхната кондензация. За образуването на тези облаци са необходими много ниски температури - под -80 ° C и следователно те се образуват главно над Антарктида и в по-малка степен над Арктика, тъй като няма такива мощни и постоянни вихрови течения.

След откриването на „озоновата дупка“ над Антарктида бяха проведени научни изследвания за изследване на ефекта от намаляването на концентрацията на озон в атмосферата върху биологични обекти. Установено е, че с намаляване на концентрацията на озон с 1%, степента на проникване на UV лъчи в атмосферата се увеличава с 1,5-2%. Това допринася за увеличаване на честотата на рак на кожата, катаракта, намаляване на имунитета на организмите и др.

Учените са стигнали до заключението, че повишените дози UV лъчение намаляват качеството на семената, устойчивостта на растенията към суша, болести, намаляват производството на антарктически фитопланктон и оцеляването на рибните запръжки, което може да има катастрофален ефект върху световния риболов. С 25% намаление на озона в атмосферата, производството на фитопланктон може да намалее с 35%.

Освен това се оказа, че CFC имат „парников ефект“ и с увеличаване на интензивността на UV лъчението в градовете се увеличава рискът от образуване на фотохимичен смог.

Установено е също, че други халогенсъдържащи вещества имат свойства, подобни на тези на CFC - тетрахлорметан (CCl4), метил хлороформ (CH3CCl3) и други, широко използвани като органични разтворители.

През 1989 г. CFC са открити над Северния полюс, но там намаляването на озоновия слой е по-малко значително - до 6%.

Тъй като производството на фреони започва през 30-те години на миналия век, а максималният му брой е през 80-те години, пълното увреждане на озоновия слой все още не е очевидно, тъй като са необходими поне 40-150 години, за да се издигнат фреоните в стратосферата. В зависимост от вида на CFC, времето им на престой в атмосферата е 20-210 години. По този начин, вече въведени в атмосферата­сферата на замърсяване ще се прояви само в бъдеще.

След като оцениха обема на производството на фреони и изпускането им в атмосферата, учените стигнаха до заключението, че това води до неизбежно разрушаване на озоновия слой.

Бяха проведени международни срещи за намаляване на емисиите на CFC в атмосферата и бяха подписани редица споразумения. През 1989 г. на международна конференция в Хелзинки 81 държави се съгласиха да спрат производството на всички видове фреони до 2000 г. По-късно споразуменията също допринесоха за намаляване на производството на въглероден тетрахлорид и хлороформ и изхвърлянето на фреони от излезли от употреба устройства на експлоатация.

В момента озоновият слой се изчерпва със скорост 0,5-0,7% годишно.

Мерките за намаляване на разрушаването на озона са:

- глобална забрана за използване на фреони в тези области, където те могат да бъдат заменени с други вещества;

- Използване на CFC от използвани хладилници­ков и климатици;

- пълна забрана за производството на CFC, халони, хлороформ и тетрахлорид въглерод.

До 1996г. много развити страни напълно премахнаха производството на трайни озоноразрушаващи фреони. Те са заменени с други вещества. Много страни получиха финансова помощ за техническото преоборудване на своите индустрии. Благодарение на тези мерки, глобалното производство на озоноразрушаващи вещества е намаляло няколко пъти.

Но дори и да беше възможно напълно да се спре производството на всички тези вещества, тогава ефектът от тези мерки можеше да се усети само след няколко десетилетия. Това се дължи на високата стабилност на CFC и продължителността на миграцията им в стратосферата - до 150 години.