Последствия загрязнения атмосферы озоноразрушающими веществами
Наряду с видимым светом Солнце излучает ультрафиолетовые волны. Эти лучи невидимы, но они обладают большей энергией, чем видимые. Проникая сквозь атмосферу и поглощаясь тканями живых организмов, они разрушают молекулы белков и ДНК. Если бы все ультрафиолетовое излучение Солнца достигало Земли, жизнь на ней стала бы невозможна. Мы защищены от агрессивного действия ультрафиолетового излучения, так как большая его часть (свыше 99%) поглощается слоем озона в стратосфере на высоте около 25 км от поверхности Земли. Этот слой называют «озоновым экраном». Необходимость его сохранения очевидна. Однако, некоторые антропогенные загрязнители атмосферы его разрушают.
Общее количество озона в атмосфере не велико, тем не менее, озон – один из наиболее важных ее компонентов. Благодаря озоновому экрану, губительная для всего живого ультрафиолетовая солнечная радиация в слое между 15 и 40 километрами над земной поверхностью ослабляется примерно в 6500 раз.
Озон образуется в основном в стратосфере под действием коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца, когда некоторые молекулы кислорода распадаются на свободные атомы, а те могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона. Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы кислорода, реагируя с молекулами озона, дают по две молекулы кислорода. Таким образом, количество озона в стратосфере не статично, оно является результатом равновесия между двумя противоположными реакциями его образования и распада.
|
|
|
В зависимости от времени года и удаленности от экватора содержание озона в верхних слоях атмосферы меняется, однако 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 года его содержание снизилось относительно среднего на 40%. Уменьшение содержания озона наблюдалось и на других широтах. В частности, на широте Москвы оно составило около 3%.
По современным данным, «озоновая дыра» существовала практически всегда, то появляясь время от времени, то исчезая, в соответствии с сезонными изменениями состава атмосферы. В начале 80-х годов прошлого века произошли серьезные изменения в динамике этого явления – «дыра» перестала восстанавливаться до исходного состояния. Таким образом, природные колебания озона в стратосфере усложнились из-за антропогенного воздействия.
Уменьшение «толщины» озонового слоя приводит к росту количества ультрафиолетового излучения Солнца, достигающего поверхности Земли, к 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 рост числа раковых заболеваний кожи у людей и животных. У человека это три вида быстротекущих раковых заболеваний – меланома и две карценомы.
|
|
|
Установлено, что увеличение дозы ультрафиолетового излучения на 1% приводит к увеличению раковых заболеваний на 2%. Однако, у жителей высокогорных районов, где интенсивность излучения в несколько раз выше, чем на уровне моря, рак крови встречается реже, чем у жителей низменностей. Это противоречие пока объясняют тем, что не столько увеличился уровень облучения, сколько произошли изменения в образе жизни людей, которые стали значительно больше времени проводить на солнце. В то же время жесткое (l<320 ни) ультрафиолетовое излучение относится к числу ионизирующих излучений, а следовательно, является мутагенным фактором среды.
В 1970-ые годы ученые предположили, что некоторые элементы и их соединения в атмосфере катализируют процесс разложения озона. А люди поставляют такие вещества в атмосферу десятилетиями. Среди катализаторов разложения озона наиболее важная роль принадлежит оксидам азота:
|
|
|
NO2+O3=NO2+O2
NO2+O=NO+O2
O3+O=2O2-391 кДж/моль;
А также атомам хлора:
Cl+O3=ClO+O2
ClO+O=O2+Cl
В качестве катализатора реакции разложения озона может служить ОН-радикал, который образуется при участии паров воды:
ОН+O3=O2+H2O
Н2O+O=O2+OH
По расчетам одна молекула оксида азота способна разрушить до 10 молекул О3, а одна молекула хлора – до 1 миллиона молекул озона в стратосфере. Небольшое их количество может наносить значительный ущерб озоновому экрану, причем это влияние может продолжаться неопределенно долго, так как атомы хлора покидают атмосферу очень медленно.
Природной причиной разрушения озонового слоя из-за поступления в стратосферу атомарного хлора является хлорметан (CH3Cl) – продукт жизнедеятельности организмов в океане и лесных пожаров 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 (от 1000°С и выше) в присутствии катализаторов (разные металлы). Такие условия складываются при сжигании топлив, причем, чем выше температура процесса горения, тем больше образуется оксидов азота (NOх). 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. При подъеме на высоту 50 километров при общей массе полезного груза 29,5 килограммов для ускорителей американского «Спейс шатл» количество отходов, наиболее опасных для озонового слоя, составляет:
ü Хлор и его соединения – 187 тонн
ü Оксиды азота – 7 тонн
ü Оксиды аллюминия в виде аэрозолей – 177 тонн.
Феномен антарктической «озоновой дыры» по одной из теорий объясняется воздействием хлорфторуглеродов (фреонов) антропогенного происхождения. Измерения показали почти двукратное превышение фоновых концентрация хлорсодержащих частиц в зоне антарктической «дыры» и наличие в весенние месяцы в стратосфере над Антарктидой областей почти без озона.
Большая часть хлора, используемого на Земле, например для очистки воды, представлена его растворимыми в воде соединениями или ионами. Следовательно, попадая в атмосферу, такие ионы вымываются осадками задолго до того, как попадают в стратосферу. Хлорфторуглероды (ХФУ), то есть обычные углеводородные молекулы, в которых некоторые атомы водорода заменены хлором и фтором – исключение. Они очень летучие, газообразные вещества, нерастворимые в воде. Значит, они не вымываются из атмосферы и распространяются в ней, достигая стратосферы. Там они разлагаются, высвобождая атомарный хлор, который разрушает озон. Таким образом, ХФУ служат переносчиками атомов хлора в стратосферу.
Атомарный хлор образуется в стратосфере в результате фотохимического разрушения хлорфторуглеродов (ХФУ), или фреонов, или хладонов (CF2Cl3 и CFCl3) Эти вещества летучи и устойчивы в тропосфере. Однако, в условиях стратосферы они начинают разлагаться в связи с образованием свободных атомов галогенов.
Хлофторуглероды являются очень стабильными веществами. Время их существования в атмосфере велико: многие десятилетия и даже столетия они долгое время широко применялись в аэрозольных баллончиках, холодильниках и других установках. Хлорфторуглерод “Хладон 12” (CCl2F2) был специально подобран для замены токсичного и обладающего резким запахом аммиака, который повсеместно применялся в холодильных агрегатах. Демонстрируя в 1930 году новый хладоагент в Американском химическом обществе, американский инженер Томас Мидгли вдыхал его в себя и задувал им свечу. Тем самым подчеркивалось два основных положительных качества «Хладона 12» – отсутствие горючести и токсичности (ПДК рабочей зоны 1000-5000 мг/м3). Кроме того, это соединение коррозионно пассивно. Находясь в газообразном состоянии при комнатной температуре, ХФУ сжижаются при небольшом давлении с выделением тепла, а испаряясь вновь его поглощают и охлаждаются. Эти свойства позволили применять фреоны в следующих целях: производство холодильных установок, производство пористых пластмасс, электронная промышленность. При производстве пластмасс ХФУ подмешивают в жидкие пластмассы под повышенным давлением, так как они растворимы в органических веществах. Когда давление понижают, ХФУ вспенивают пластмассу, как углекислый газ содовую воду, и при этом улетучиваются в атмосферу.
«Хладон 12», а также «Хладон 11» (CCl3F) относятся к классу хлорфторуглеродов – веществ, состоящих из хлора, фтора и углерода. Эти соединения обладают разной 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 косметики или иных средств из аэрозольных баллончиков; вспенивания сырья при изготовлении изделий из пластмасс; пожаротушения и др. К ХФУ относятся метилхлороформ (CH3CCl3), четыреххлористый углерод (CCl4) и галоны (бромфторуглероды), которые используются в огнетушителях и в некоторых видах военной техники (CF3Br и др.).
Согласно оценкам экспертов Всемирной метеорологической организации при уровне поступления в атмосферу фреонов, который имел место в начале 90-х годов, концентрация озона в стратосфере через 15-20 лет должна уменьшиться на 17%, а затем стабилизироваться. При этом климат у поверхности Земли изменится незначительно, а уровень ультрафиолетового излучения возрастет на треть.
Вскоре после появления в начале 1970-х годов гипотезы о связи ХФУ с озоном, в США и ряде других стран запретили их использование в аэрозольных баллончиках, но большинство стран не последовали этому примеру, не отказались от использования ХФУ и в других целях. Выпуск и использование ХФУ продолжали расти, а так как анализы показали небольшое уменьшение содержания озона (1-2%), вплоть до 1985 года на это обращали мало внимания. Осенью 1985 года спутниковые наблюдения обнаружили «дыру» в озоновом экране над Антарктидой. На территории, равной по площади США, содержание озона сократилось на 50%. Ранее предполагалось, что потеря озона будет происходить медленно и равномерно над всей Землей, а дыра появилась неожиданно, и если бы она возникла не над полюсом, а в другом месте, последствия были бы катастрофичны. Это пример того, что серьезные изменения в биосфере могут происходить внезапно. Ученые не смогли предугадать, что частицы облаков, формирующихся при низких температурах, стимулируют высвобождение атомов хлора из ХФУ. Таким образом, во время холодной антарктической зимы накапливается их большое количество, а затем весеннее Солнце приводит к разрушению озона активным хлором. В 1989 году ученые исследовали стратосферу над Арктикой и обнаружили наличие тех же факторов. Был сделан вывод, что и здесь может произойти резкое сокращение озона, что зависит только от погодных условий. Последствия будут более серьезными, так как в Арктике больше организмов, которые могут пострадать. Даже в Антарктиде периодическое раскрытие такой дыры чревато большими потерями морского фитопланктона. Это сильно повлияет на всех антарктических животных: от пингвинов до китов, так как фитопланктон – основа всех пищевых цепей данного региона. Если выбросы в атмосферу ХФУ сохраняться, это приведет к расширению и углублению «дыр» над полюсами, к разрежению озонового слоя над всей планетой.
Понимая остроту и сложность этой неожиданно возникшей перед человечеством глобальной экологической проблемы, участники международных переговоров в Вене в марте 1985 года 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 соглашению о единых международных мерах ограничения производства и выбросов ХФУ.
В 1987 году на международной встрече в Монреале 98 стран заключили соглашение (Монреальский протокол) о постепенном прекращении производства ХФУ и запрещении выбросов их в атмосферу. В 1990 году на новой встрече в Лондоне ограничения были ужесточены – около 60 стран подписали дополнительный протокол с требованием полностью прекратить производство ХФУ к 2000 году.
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, было достигнуто соглашение о передаче этим странам передовых технологий для самостоятельного производства заменителей ХФУ.
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 разрушиться уже в тропосфере, а не только когда попадает в стратосферу.
В мае 1995 года принято постановление Правительства РФ № 526 «О первоочередных мерах по выполнению Венской конвенции об охране озонового слоя и Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой». В мае 1996 года появилось постановление Правительства РФ № 563 «О регулировании ввоза в РФ и вывоза из РФ озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции».
К сожалению, расчеты показывают, что даже при успешном выполнении принятого графика реализации достигнутых соглашений содержание хлора в атмосфере вернется к уровню 1986 года (когда впервые было выявлено антропогенное воздействие на озоновый слой) только лишь к 2030 году. Причина этого – миграция фреонов, уже попавших в атмосферу, из ее нижних слоев в более высокие и большое время их жизни в природных условиях.
Проблема еще и в том, что в уже существующих холодильниках и кондиционерах накоплено слишком много ХФУ: по мере их выхода из строя количество ХФУ в атмосфере будет расти многие годы, даже в случае полного и немедленного прекращения их производства. Поэтому, чем скорее это произойдет, тем лучше.
Дата добавления: 2016-01-06; просмотров: 20; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!