Озоновый слой разрушают удобрения фреоны гербициды стимуляторы роста

Разрушение озонового слоя, кислотные дожди, токсичные туманы

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Мухина И.В., Бородкина Т.А

Видео

Озоновый слой и УФ-излучение

Главная задача озонового слоя — оберегать планету от опасной солнечной радиации.

УФ-излучение в малых дозах полезно для человеческого организма, потому что напрямую связано с выработкой витамина D.

В современной медицине это излучение используется для лечения псориаза, остеопороза, желтухи, экземы и рахита. При лечении также учитывается риск негативного воздействия, поэтому любое использование данного излучения происходит под четким медицинским наблюдением.

Долгосрочное воздействие солнечного ультрафиолетового излучения на человека может спровоцировать развитие острых и хронических заболеваний кожи, глаз и иммунной системы.

Солнечные ожоги случаются в результате долгого влияния УФ-излучения на кожу. Оно способно вызвать дегенеративные изменения клеток кожи, фиброзной ткани и кровеносных сосудов. Рак кожи и катаракта — самые серьезные и нередкие последствия облучения ультрафиолетом.

Озоновый слой служит естественным щитом Земли и спасает человечество от ультрафиолетовой радиации, которая также вызывает мутации ДНК.

Мощность ультрафиолетового излучения Солнца чаще всего делят на три категории:

1. УФ-А (от 320 до 400 нанометров): не поглощаемая озоном длина, так как находится на безопасном расстоянии.
2. УФ-В (от 280 до 320 нанометров): большая часть поглощается озоном, но данная длина излучения может быть вредна для чувствительной кожи.
3. УФ-С (менее 280 нанометров): полностью поглощается озоном. Наиболее опасная длина, потому что она самая короткая и может уничтожить добрую часть нашей экосистемы.

Озоновые дыры

Под действием природных и антропогенных факторов антирадиационная защита планеты слабеет в некоторых районах. Молекулы озоны в них не исчезают, но происходит истощение озонового слоя. На поверхность Земли проникает больше солнечной радиации.

История обнаружения

В 1840 году немец X. Ф. Шёнбейн описал новое вещество — озон. Существование слоя из этого вещества доказали в 1912 году, проведя спектроскопические измерения атмосферы. Истончения озонового слоя обнаружили только в 1970-х годах. С тех пор проблема разрушения естественной антирадиационной защиты стала обсуждаться в научных кругах.

Механизм образования

Из-за выбросов ТЭЦ, заводов и фабрик в воздух попадают разрушающие озоновый слой вещества:

• азот и его окислы;
• фреон;
• бром;
• хлор.

Полёт самолётов на высоте 12-16 километров (нижняя граница слоя) также влияет на состав атмосферы.

Антарктическая озоновая дыра

Эта аномалия диаметром до 1000 км стала первой и самой крупной обнаруженной озоновой дырой. Истончение наблюдается не постоянно: в период полярной ночи поступления ультрафиолета нет, поэтому измерения не проводятся. По состоянию на 2019 год аномалия достигла минимальных за 37 лет наблюдений размеров, уменьшившись на 2,5 млн км 2.

Наличие дыры над Южным полюсом, а не над Северным, где содержание фреона в атмосфере выше, вызвано более сильным полярным вихрем. Вихрь сильнее из-за наличия в Антарктике континента, в то время как в районе Северного полюса преобладают ровные ледовые поля. В составе полярного вихря есть фреоны, на разрушение влияет и содержащаяся в полярных облаках азотная кислота.

Причины разрушения озонового слоя

Несмотря на непродолжительный период наблюдений и недостаток информации, учёные выделили две группы факторов, влияющих на истончение антирадиационной защиты Земли. Ведутся споры о том, какая группа оказывает большее негативное влияние.

Естественные факторы

Для образования озона необходимо солнечное излучение. Следовательно, во время полярных ночей процесс прекращается, но естественные факторы, влияющие на разрушение, сохраняются. Из-за полярных вихрей и азотнокислых полярных стратосферных облаков слой истончается. В умеренных, тропических и экваториальных широтах процесс менее заметен.

Во время извержений вулканов в атмосферу попадают тысячи тонн пепла, в составе которого есть соединения, способствующие распаду молекул озона.

Антропогенные факторы

Основной причиной истончения антирадиационного слоя считают хлорфторуглероды (ХФУ). Эти вещества стабильны и не представляют опасности для человека, но при взаимодействии с воздухом способствуют распаду молекул озона.

Антропогенные причины разрушения озонового слоя

Выбросы фреона в атмосферу

Ярчайший пример хлорфторуглеродов — фреоны, которые могут быть в агрегатном состоянии жидкости или газа. Их используют как дешёвый хладагент в холодильниках, они содержатся в аэрозольных баллончиках. Ранее фреоны считали главным виновником разрушения озонового слоя. Сейчас учёные склоняются к мнению, что их влияние переоценено.

Запуск спутников и ракет

При прохождении ракеты-носителя через стратосферу её двигатели выбрасывают колоссальное количество газов (оксидов азота, двуокиси углерода). По оценкам некоторых исследователей, 300 запусков шаттла хватило бы для полного истощения озонового слоя.

Твердотопливные ракетные двигатели опаснее жидкостных ракетных двигателей, так как выбрасывают соединения хлора.

Использование авиатранспорта на больших высотах

Гражданская авиация летает на высотах до 13 км. Военные самолёты могут подниматься выше, в стратосферу. При работе реактивный или ракетный двигатель выделяет окиси азота. Так как полёт проходит на высоте формирования озонового слоя, окись азота немедленно вступает в реакцию с молекулами озона и разрушает их.

Применение азотных удобрений

Азотные удобрения используются с конца XIX века, но сейчас масштабы их применения представляют угрозу для атмосферы. Обычно используют следующие вещества:

• аммофос и диаммофос;
• хлористый аммоний;
• карбонат аммония;
• сульфид аммония;
• сульфат аммония.

При их разложении выделяются окислы азота, которые в атмосфере вступают в реакцию с молекулами озона и разрушают их.

Другие причины

Исследования в данной области продолжаются, и не исключено выявление новых факторов, сопутствующих истончению озонового слоя Земли. Истинное положение дел остаётся предметом споров. Не до конца ясно, насколько существенно влияние на природный антирадиационный экран современных хладагентов и аэрозолей.

Технический прогресс и озоновые дыры

Озоновая дыра (или аномалия) – это снижение концентрации озона в стратосфере над определенным районом планеты. Наиболее известна антарктическая озоновая дыра. Когда после полярной ночи здесь наступает весна, над значительной частью Антарктиды наблюдается снижение общего содержания озона до 220, иногда даже до 80 единиц Добсона. Одновременно с этим в нижних слоях стратосферы наблюдаются температуры ниже –80 градусов и стратосферные полярные облака. Ученые полагают, что на поверхности этих облаков происходят реакции, разрушающие озон. Катализаторами этого процесса выступают фтор- и хлорсодержащие вещества.

Вещества, разрушающие озон, попадают в воздух из выбросов теплоэлектростанций, заводов, фабрик. Молекулы О3 ввиду своей активности могут реагировать с ними. Таким образом, деятельность человека способствует истощению слоя этого газа.

В осенний и зимний период над Арктикой также образуются озоновые дыры. Однако они имеют меньшую площадь. Время их «жизни» – не более недели.

История обнаружения

Вред, наносимый озоновому экрану хлорфторуглеродами, гирохлорфторуглеродами был обнаружен случайно. В 1974 г. химики Марио Молина и Фрэнк Роланд, работающие в Калифорнийском университете, высказали предположение, что хлорфторуглероды способны разрушать озон. С подобной гипотезой выступил П. Крутцен, исследуя свойства закиси азота.

Но такая связь человеческой деятельности и разрушения озонового слоя была на то время неочевидной. Более того, производители фреонов жестко критиковали ученых. Доказательства о существовании озоновых дыр и связи с ними человеческой деятельности были получены в 1985 г.

В этом году впервые группой британских ученых была обнаружена озоновая дыра над Антарктидой диаметром более 1 тыс. км. Тогда же была опубликована статья об этом в журнале Nature. Дыра появлялась каждый август, а в декабре «затягивалась». Вскоре были установлены некоторые закономерности этого процесса.

Результаты исследований оказались пугающими. Американские ученые, проводившие спутниковые исследования, подтвердили наличие озоновой аномалии. В дальнейшем обнаружено ее увеличение. Стало очевидно, что на решение проблемы разрушения озонового слоя могут уйти десятилетия, и то при условии, что использование озоноразрушающих веществ полностью прекратится.

Механизм образования

Во время полярной ночи озон не образуется, потому что ультрафиолет не может воздействовать на молекулы кислорода. В свою очередь молекулы озона опускаются и разрушаются, потому что являются неустойчивыми в нормальных условиях. Препятствовать проникновению озона из приполярных широт могут полярные вихри и образование стратосферных облаков. Все это – естественные механизмы образования озоновых дыр.

Химические вещества – фреоны, закись азота и некоторые другие вещества разлагают озон, способствуют увеличению озоновой дыры.

Это – антропогенный фактор в разрушении озонового слоя.

Антарктическая озоновая дыра

Эта озоновая аномалия образуется в течение продолжительных полярных ночей. Однако в результате техногенных выбросов площадь озоновой дыры заметно увеличилась. Впервые ученые с тревогой заговорили о ней в середине 1980-х гг.

В последние годы размеры антарктической озоновой дыры значительно увеличился. В октябре 2020 года ее площадь составила примерно 24 млн. км2. Это тревожная тенденция: дальнейшее истощение озоновой защиты грозит жизни на Земле.

Распространенные мифы

Многие люди считают, что причины и последствия разрушения озонового экрана не являются проблемой.

В результате этого появились многочисленные ненаучные мифы, поддерживаемые конспирологами. Вот наиболее распространенные заблуждения относительно озоновых дыр.

1. Фреоны тяжелые, а поэтому не достигают стратосферы. Действительно, они тяжелые, однако они в результате постоянного движения воздушных потоков равномерно распределяются в атмосферной оболочке, достигая за определенное время стратосферы. Если бы эта теория была правильной, то, к примеру, углекислота, являющаяся тяжелее воздуха, образовала бы мощный приземный слой, и жизнь на планете была бы невозможной.
2. Вред от фреонов – вымысел, поддерживаемый производителями более дорогих хладагентов. В то же время фреоны дешевые, и их можно активно использовать в технологическом процессе. Этот миф легко опровергается результатами научных исследований.
3. Озоновые дыры должны быть не над Антарктидой, а над промышленными центрами. Это было бы правильно, если бы воздух в атмосфере не перемешивался бы.

Время чинить небо

В 1974-м году события развивались стремительно. Широкая общественность сильно обеспокоилась, и уже в декабре 1974 года Роуленд и Молина были приглашены на слушания в палату представителей США, где было принято решение более детально изучить этот вопрос. В 1976 году академия наук США, проведя собственные исследования, подтвердила выводы ученых.

В 1985 году Британская антарктическая служба опубликовала данные об аномально низкой концентрации озона на антарктической станции Халли Бэй. В то же время измерения химического состава стратосферы показало аномально высокое содержание хлора. Так человечество осознало, что «озоновая дыра» — реальность, в которой мы уже существуем какое-то время.

Монреальские завоевания

Все страны более или менее честно соблюдали Протокол — об этом можно судить по инструментально наблюдаемому снижению концентрации фреонов в атмосфере. Рост ХФУ не остановился сразу (потому что молекулы хлора еще какое-то время продолжали «добегать» из тропосферы в стратосферу), но замедлился: где-то в 90-х годах их концентрация достигла максимума, после чего начала снижаться. Концентрация ГХФУ, напротив, продолжает расти — поскольку именно этими веществами были поначалу заменены ХФУ. Тем не менее, общая концентрация фреонов, приведенная к эквиваленту «эффективного хлора» (верхняя панель на рисунке ниже), уже преодолела максимум в конце XX века.

Меры по восстановлению озонового слоя

Для недопущения развития климатической катастрофы и восстановления озонового слоя мир наработал ряд защитных мер. Они призваны ограничивать использование веществ, губительных для озона, использовать экологически чистое топливо, охранять леса. Все это делается для недопущения гибели всего живого на планете.

Монреальский протокол

Этот протокол был разработан в 1985 г. и полностью подготовлен в 1987 г. Документ вступил в силу в 1989 г. Протокол пересматривался всего 7 раз, последний раз в 1999 г. Подписан 197 странами. Предполагается, что если все страны, которые подписали документ, будут придерживаться его, то озоновый экран может восстановиться к 2050 г.

Протокол предполагает постепенное снятие с производства фторхлоруглеродов. В результате к 2010 году производители полностью отказались от наиболее опасных фреонов. Отказ от менее опасных веществ произойдет до 2030 г. Анализ содержания атмосферы показал, что концентрация озоноразрушающих веществ в воздухе действительно начала снижаться.

Производство озона

Устройства, производящие озон, называются озонаторами. Теоретически, если запустить большое количество таких «фабрик» по всему миру и создав «запас» О3, можно замедлить разрушение защитной оболочки. Существуют такие способы производства озона:

• применение искусственного ультрафиолетового излучения;
• выработка О3 электроразрядами;
• электролиз хлорной кислоты;
• окисление пинена (одного из компонентов скипидара, эфирных масел многих растений).

Однако эти способы малопроизводительны, дорогостоящи, потребляют большое количество энергии.

Использование экологически чистого топлива

Использование топлива на основе нефти повышают концентрацию в воздухе веществ, разрушающих озон. Внедрение электромоторов и двигателей, работающих на биодизеле, отходах жизнедеятельности способствуют уменьшению использования минералов, горючих полезных ископаемых.

Пока что применение экологически чистого топлива в ракетах маловероятно из-за неэкологичности и несовершенства современных технологий.

Высадка лесов

Высадка лесовых насаждений в городах и на месте разрушенных лесных массивов – перспективный метод борьбы с загрязнением атмосферы. Растения выделяют значительное количество кислорода, который в дальнейшем превращается в озон.

Прочие методы борьбы с проблемой

Для решения проблемы истощения озонового слоя отдельные ученые предлагают выводить на орбиту спутники, оснащенные лазерными излучателями. Каждый излучатель – это конвектор, работающий на солнечной энергии. Он накапливает ее и превращает в электрическую. Электричество тратится на работу лазеров, вырабатывающих озон. Пока что такой проект является фантастическим.

Пути решения глобальной проблемы озоновых дыр

В 1985 году в мире начали принимать серьезные меры, чтобы защитить озоновый слой. Озоновые дыры стали новой экологической проблемой. Вначале были введены ограничения на выбросы фреонов. Затем правительствами была утверждена Венская конвенция. Она направлена на обеспечение охраны слоя озона в атмосфере. В конвенции сказано, что:

• Делегации, являющиеся представителями различных государств, принимают соглашение, предусматривающее сотрудничество в области исследований процессов и веществ, оказывающих влияние на озоновый слой и оказывающие провоцирующее воздействие на изменения в нем.
• Страны обязуются обеспечить систематическое наблюдение за озоновым слоем.
• В государствах организуется работа над созданием технологий, а также веществ, обладающих уникальными свойствами, помогающими свести к минимуму вред, наносимый озону, находящемуся в атмосфере.
• Страны обязуются сотрудничать при разработке мер и из использования, а также обеспечивать постоянный контроль за деятельностью, способной провоцировать образование озоновых дыр.
• Разработанные технологии и полученные знания страны передают друг другу.

В течение времени, прошедшего со дня принятия Венской конвенции, страны подписали много протоколов, предусматривающих снижение выпуска фторхлоруглеродов. При этом оговорены случаи, когда их производство должно быть полностью прекращено.

Восстановление озонового слоя

Причины и последствия разрушения озонового слоя известны. Наибольшей проблемой, влекущей опасность, считается технология, используемая при производстве холодильных установок. Данный отрезок времени порой даже называли фреоновым кризисом. Для новых разработок требовались значительные вложения капиталов. Это отрицательно сказывалось на производствах. Тем не менее, выход удалось найти. Оказалось, фреоны можно заменить другими веществами. Ими помимо газов пропана и бутана оказался углеводородный пропелеллент. В наши дни распространение получают установки, в которых используются эндотермические химические реакции.

Карта озоновых дыр, . На карте можно заметить истощение озонового слоя в районе экватора, России (голубой цвет).

Идет речь и о восстановлении озонового слоя. По утверждению ученых-физиков, атмосферу планеты можно очищать от фреонов, используя энергоблок АЭС мощностью минимум 10 rBT. По подсчетам Солнце способно производить до 6 тонн озона в секунду, но его разрушение идет быстрее. Если, использовать энергоблоки в качестве озоновых фабрик, то возможно достижение баланса. То есть, озона будет создаваться столько же, сколько его будет разрушаться.

Подпитка озонового слоя

Проект создания озонового производства не единственный. К примеру, по расчетам ученых, в стратосфере озон можно создавать искусственно. Это же можно делать и в атмосфере.

Подпитывать стратосферу озоном, созданным искусственно, предлагается с помощью грузовых самолетов, которые могут распылять этот газ на нужных высотах.

Молекулы озона можно получать из обыкновенного кислорода, используя инфракрасные лазеры. Для этого можно использовать аэростаты.

Если использование платформы с лазерами обеспечат положительный эффект в решении проблемы озоновых дыр, то можно разместить такие устройства на космической станции. В таком случае можно обеспечить постоянную подпитку озоном.

Главный недостаток всех таких разработок – цена. Затраты на реализацию любого проекта слишком велики. Именно из-за этого значительная часть проектов не реализуется.

Источник