Озоновый слой

Содержание

Меры для защиты и восстановления ОС

Попадание даже небольшого количества вредных веществ в верхние атмосферные слои оказывает негативное влияние на защитный озоновый экран. Проблема сохранения слоя стала одной из глобальных. После обнаружения дыры над Антарктидой стали приниматься меры. В 1985 г. была принята Венская конвенция, включающая такие пункты:

1. Проведение систематических исследований озонового слоя, наблюдение за его состоянием.
2. Сокращение и ликвидация эмиссии вредных веществ.
3. Проведение разработок специальных технологий, способствующих минимизации ущерба.
4. Осуществление мониторинга деятельности, приводящей к возникновению дыр.
5. Создание Озонового секретариата с целью координирования принимаемых мер по защите озонового щита.

В 1987 г. был разработан Монреальский протокол, который стал дополнением к конвенции. Он предусматривает постепенное сокращение производства и потребления озоноразрушающих веществ. Промышленности предоставили время на поиск, создание приемлемых альтернатив. В результате поправок к документу список регулируемых веществ расширился, были введены меры по ограничению их экспорта и импорта. Протокол подписали 197 государств.

Озоновый секретариат функционирует на основе программы ООН по защите окружающей среды. Его основные обязанности включают:

• организация собраний государств-участников Венской конвенции, Монреальского протокола, рабочих групп, комитетов;
• организация реализации решений, принятых на собрании;
• обработка данных, полученных от участников Монреальского протокола об использовании озоноразрушающих веществ;
• мониторинг выполнения положений конвенции и протокола, подготовка отчетов к собраниям;
• предоставление информации международным организациям по вопросам охраны озонового экрана.

Деятельность секретариата регулируется соответствующими статьями конвенции и протокола.

Найти альтернативу хлорфторуглеродам для производства холодильной техники оказалось проблематичным. Это требовало больших финансовых затрат. Однако постепенно решение было найдено. Современные холодильники оснащаются 2 типами хладагентов:

1. R134a – гидрофторуглеродное соединение с термодинамическими свойствами, имеющее нулевой озоноразрущающий потенциал.
2. R600a – изобутан, представляющий собой химическое соединение с нулевым разрушающим потенциалом. Применяется в основном для производства бытовых холодильников, обеспечивает пониженное энергопотребление.

Важно отметить, что в 2010 г. был полностью прекращен выпуск вредного хладагента R12

Однако вещество способно попадать в стратосферу, наносить вред еще в течение продолжительного времени.

Для наполнения аэрозольных баллонов стали использовать пропан-бутановую смесь, которая не уступает по свойствам хлорфторуглеродам.

Существует множество проектов по защите и восстановлению ОС. Одним из них является, например, искусственное получение озона в стратосфере.

В российском законодательстве существует закон, регулирующий производство и использование веществ, разрушающих озоновый щит Земли. Для предотвращения опасных изменений принимаются такие меры:

• контроль изменений состояния ОС, климата под влиянием различных процессов;
• соблюдение нормативов допустимых выбросов, негативно влияющих на климат и озоновый экран;
• регулирование производства, применения веществ, разрушающих слой;
• применение штрафных санкций за нарушение закона.

После принятия большинством государств мер, направленных на охрану озонового щита, ситуацию удалось улучшить.

Тигр готовится к прыжку?

Что может сделать каждый для сохранения озоносферы?

Исследователи предполагают, что на полное восстановление защитного экрана потребуется еще несколько десятилетий. Это в том случае, если прекратится его интенсивное разрушение, что вызывает немало сомнений. Парниковые газы продолжают поступать в атмосферу, производятся запуски ракет и других космических аппаратов, растет парк воздушных судов в разных странах. Это означает, что ученым еще предстоит разработать эффективные пути охраны озонового щита от разрушения.

На бытовом уровне каждый человек тоже может внести свой вклад. Озон меньше будет подвергаться разложению, если воздух станет чище, будет меньше содержать пыли, сажи, токсичных выхлопов автотранспорта. Для охраны тонкой озоносферы необходимо прекратить сжигание отходов, наладить повсеместно их безопасную утилизацию. Транспорт нужно переводить на более экологически чистые виды топлива, повсеместно экономить разные виды энергоресурсов.

Основные функции и польза

Прогноз на будущее

Ученые погружаются в изучение озоновых дыр все глубже. Обнаружено, что в крупных промышленных зонах они появляются и исчезают сами по себе. Отмечена и положительная динамика: некоторые крупные прорехи в озоновом слое стали уменьшаться. Общая концентрация озона в стратосфере тоже постепенно повышается. Это подтверждает, что конвенция ООН и другие принимаемые меры работают.

Огромный вклад внес Монреальский протокол, подписанный в 1987 году. В него вступили ряд государств, они обязались снизить количество вредного для окружающей среды транспорта и уменьшить объемы выбросов озоноразрушающих веществ

Важно и то, что человечество начало использовать альтернативные источники энергии, и теперь может беречь озоновый слой без ущерба для собственного комфорта

Озоновый слой не только защищает нас от ультрафиолета, но и способствует сохранению тепла. С его истончением климат на планете становится более холодным. Также последствиями становятся изменения направлений ветров и засухи, влекущие за собой голод.

Стратосфера

Стратосфера является вторым по величине слоём атмосферы, а также вторым, ближайшим к Земной поверхности. По оценкам, он содержит около 15% от общей массы атмосферы Земли.

Толщина стратосферы составляет 35 км от тропопаузы, что означает, что она расположена между тропосферой и мезосферой. Термин «стратосфера» происходит от греческого strato (значит «слой») для обозначения того факта, что сама стратосфера подразделяется на другие более тонкие слои.

Слои стратосферы образуются из-за отсутствия климатических явлений, которые смешивают воздух. Таким образом, существует чёткое разделение между холодным и тяжёлым воздухом внизу и тёплым, лёгким воздухом сверху. Таким образом, с точки зрения температуры стратосфера работает точно противоположно тропосфере.

Поскольку эта зона более высокой вертикальной стабильности (без перемещений воздуха), пилоты самолётов, как правило, остаются в начале стратосферы, чтобы избежать турбулентности. Именно на этой высоте самолёты и воздушные шары достигают максимальной эффективности.

Некоторые самолёты, особенно реактивные, влетают в стратосферу, чтобы избежать воздухообмен.

Стратосфера также содержит хорошо известный озоновый слой, который поглощает большую часть ультрафиолетового излучения солнца. Без озонового слоя жизнь на Земле, какой мы её знаем, была бы невозможна.

Подобно тропосфере, стратосфера также имеет область, которая ограничивает её конец и показывает начало мезосферы, которая называется стратопауза.

Состав стратосферы

Большинство элементов, найденных на поверхности Земли и в тропосфере, не достигают стратосферы. Вместо этого они обычно:

• разлагаются в тропосфере;
• могут быть устранены солнечным светом;
• могут переноситься на поверхность Земли через дождь или другие осадки.

Из-за инверсии в динамике температуры между тропосферой и стратосферой воздух практически не обменивается между двумя слоями, в результате чего испарения воды существуют в стратосфере только в незначительных количествах. По этой причине в этом слое чрезвычайно редко образование облаков.

Что касается газов, стратосфера образована преимущественно озоном, присутствующим в озоновом слое. Считается, что 90% всего озона в атмосфере находится в этой области. Кроме того, стратосфера содержит элементы, переносимые извержениями вулканов, такие, как оксиды азота, азотная кислота, галогены и т. д.

Температура стратосферы

Температура в стратосфере увеличивается с увеличением высоты, варьируя от -51 ° C в самой низкой точке (тропопауза) до -3 ° C в самой высокой точке (стратопауза).

Защита озонового слоя

Без участия государственных структур решить проблему уменьшения озона не возможно. Политики из разных стран объединили усилия и приняли ряд документов:

1. В 1985 г. выпущена Конвенция о сохранении защитного озонового слоя. Её утвердили участники из 44-х государств.
2. В 1986г. утверждён Монреальский протокол, ограничивающий потребление разрушающих веществ.
3. Определены квоты, ограничивающие количество выбросов для каждого государства.

Помимо этого, учёные работают по направлениям:

• очищение воздуха от фреона;
• применение новых технологий в производстве, создание уникальных веществ, уменьшающих разложение молекул озона;
• производство полезного озона искусственным путём и его накопление в атмосфере.

Часть холодильных установок, по-прежнему, работает на фреоне, ведутся работы по использованию эндотермических химических реакций охлаждения. В составе аэрозолей нового поколения фреон отсутствует, его заменили безопасными компонентами (пропан, бутан).

Полученные разработки позволяют сбалансировать разрушение и производство озона. Передача безопасных технологий и полезных знаний, касающихся увеличения содержания озона в атмосфере, контролируется на международном уровне.

Защита озонового слоя в России

В нашей стране правительство старается использовать универсальные пути решения проблем, связанных с уменьшением слоя озона в атмосфере. В нормативах по охране окружающей среды чётко отражены методы предупреждающие повреждение, загрязнение, истощение природных объектов. Мероприятия по сохранению озона описаны в статье №56 ФЗ-РФ:

• изучение озоновых дыр;
• исследование климатических изменений;
• соблюдение нормативов вредных выбросов в атмосферу;
• регулирование химических предприятий – главных виновников уничтожения защитного озонового слоя;
• использование взысканий, штрафов и административных наказаний за несоблюдение норм законодательства.

Важно продолжать научные исследования и находить универсальные механизмы защиты нашей планеты от агрессивного ультрафиолетового излучения. Узнайте еще много нового:

Узнайте еще много нового:

Что такое озоновый слой и какова его роль на планете?

Причины и последствия разрушения озонового слоя

Причины и последствия истощения озонового слоя

Озоновый слой Земли и его защита

Экологические последствия загрязнения атмосферы

Влияние загрязнения атмосферы на здоровье человека и окружающую среду

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу: источники и нормирование

Основные парниковые газы и их влияние на климат

Антропогенное загрязнение атмосферы: виды, основные источники, последствия

Глобальные экологические проблемы и способы их решения

Виды, факторы и последствия деградации почв

Основные загрязнители атмосферы: классификация по агрегатному состоянию

Защита от космического излучения

Озоновый слой находится в атмосфере Земли и содержит относительно высокие концентрации О3. Он поглощает 93−99% солнечного ультрафиолетового излучения, которое потенциально угрожает жизни на планете, и расположен в нижней части стратосферы. Его толщина варьируется в зависимости от сезона и географического положения.

История открытия

Это явление было открыто в 1913 г. французскими физиками Шарлем Фарби и Анри Буассоном. Более детально его свойства исследованы британским метеорологом Дж. М. Б. Добсоном, который разработал простой спректрофотометр, использующийся для измерения содержания стратосферного газа с земли.

Между 1928 и 1958 гг. этот учёный создал всемирную сеть мониторинга. Она продолжает функционировать и по сей день, а «единица Добсона» названа в его честь и признана удобной мерой для оценки общего количества озона в верхней части колонны воздуха. С тех пор исследователи проделали большую работу для выяснения природы явления, а политики постарались на законодательном уровне затормозить разрушительные процессы в верхних слоях атмосферы.

Роль в развитии жизни на планете

Без стратосферного озона жизнь на планете не смогла бы достигнуть высокого уровня. Первая стадия развития одноклеточного организма требует бескислородной среды, и подходящие условия существовали на Земле более 3 миллиардов лет назад. По мере развития примитивные формы начали выделять в процессе жизнедеятельности незначительное количество кислорода в результате реакции фотосинтеза.

Химический процесс

Озоновый слой на самом деле таковым не является: молекулы О3 рассредоточены в атмосфере на расстоянии от 19 до 30 км от поверхности Земли. Их концентрация обычно составляет менее 10 частей на миллион. Озон образуется в стратосфере, когда ультрафиолетовое излучение Солнца попадает на молекулы кислорода О2 и вызывает расщепление двух атомов кислорода. При столкновении одного свободного атома с О2 образуется озон (О3). Этот процесс известен как фотолиз. Вещество также естественным образом разрушается в стратосфере солнечным светом и химической реакцией с различными соединениями, содержащими:

• азот;
• водород;
• хлор.

Хотя оба вида озона содержат одни и те же молекулы, их присутствие в отдельных частях атмосферы имеет очень разные последствия:

• Стратосферный слой блокирует вредную для живых существ солнечную радиацию.
• Приземный слой является просто фактором загрязнения. Он поглощает некоторую часть излучения, но не может компенсировать разрушение озонового слоя в стратосфере.

N, H и Cl в природе встречаются в очень небольших количествах. В незагрязнённой атмосфере существует баланс между численностью образующего и разрушающегося озона. В результате общая концентрация остаётся постоянной. При разных температурах и давлениях скорость образования и разрушения отличается.

Озон имеет следующие особенности:

• бесцветный газ с резким запахом;
• встречается гораздо реже, чем О2;
• из миллиона молекул воздуха озоном являются не больше десяти.

Значительная часть находится над экватором, где уровень УФ является наибольшим. Ветрами он переносится в направлении более высоких широт. Следовательно, количество газа над разными регионами Земли изменяется естественным образом в зависимости от широты, климата и времени года ежедневно. В нормальных условиях самые высокие значения наблюдаются над канадской Арктикой и Сибирью, а низкие — в районе экватора.

Озоновые дыры

В течение XX века на планете формировалась сеть метеорологических станций, одна из задач которой заключается в проведении спектрологических измерений.

В результате наблюдений к середине 80-х годов было обнаружено существенное снижение содержания озона над территорией Антарктиды, составлявшее 40%. Диаметр обнаруженной дыры составил 1000 километров. По последним измерениям площадь крупнейшей дыры составляет 20 миллионов квадратных километров.

Подобное снижение содержания озона было обнаружено и на другом конце планеты – в Арктике. Там снижение составило 5-9%, площадь дыры регулярно меняется, причем в настоящее время она снижается. Регулярные наблюдения осуществляются только над состоянием Антарктической дыры. Третья обнаруженная крупнейшая дыра – Тибетская. По некоторым оценкам ее площадь может составлять до 2,5 миллионов квадратных километров.

Основные причины их появления

Возникновение озоновых дыр в атмосфере связано с действиями факторов двух групп:

• антропогенными;
• естественными.

Обнаружение озоносферы произошло в тот же период, что и развитие массового промышленного производства. Из-за этого невозможно точно оценить воздействие антропогенных факторов относительно прежних временных промежутков. Ученые связывают возникновение разрывов в озоновой оболочке с выбросами фреонов, содержащих бром и хлор. Подобные вещества содержатся в следующих предметах:

• холодильные установки;
• кондиционеры;
• аэрозоли.

По оценкам ученых на подобные источники приходится до 80% разрушенного озонового экрана. Разрушение происходит за счет поднятия фреона в верхние слои, во время чего выделяется хлор. В верхних слоях хлор взаимодействует с озоном, расщепляя его. Разрушение озоносферы происходит за счет воздушного транспорта: самолетов и космических ракет. При выбросах газа в атмосферу попадают элементы, способствующие уничтожению озона в стратосфере. К таким соединениям относятся: хлор, оксиды азота, двуокиси углерода. Кроме того, оксиды азота выделяются при применении сельскохозяйственных удобрений.

Крупнейшие озоновые дыры Земли расположены вокруг полюсов: Северного и Южного. Такая особенность связана с наличием полярных ночей, когда прекращается поступление ультрафиолетовых лучей, а значит – формирование озона. В это же время происходит истощение уже сформированного слоя за счет вихрей и движения облаков.

Возможные последствия

Постепенное разрушение озоновой защиты приводит к глобальным изменениям климата на Земле. За счет защитной оболочки на планете поддерживаются следующие условия:

• удерживается тепло;
• развиваются биологические процессы внутри защитной оболочки.

Истощение озонового слоя повлечет смену направлений ветра, понижение температуры, засуху, остановит развитие живых организмов на поверхности, ограничив ареол обитания только водными просторами.

Снижение толщины озоновой оболочки приведет к проникновению опасных коротковолновых ультрафиолетовых лучей и их влиянию на человека. Хватит нескольких минут, чтобы эти лучи привели к ожогам, нарушению работы дыхательных и кровеносных сосудов.

Пути решения проблемы в мире и России

После обнаружения гигантской озоновой дыры над Антарктидой ООН собрала мировую общественность для решения проблемы. По итогам встречи был принят Монреальский протокол, регулирующий промышленные выбросы фреона и других химических элементов, способных разрушать озон. Согласно протоколу, запрещено применение хлорфторуглерода в аэрозолях. Меры по защите включают замену фреона на другие вещества:

• углекислый газ;
• нетоксичный пропан;
• аммиак;
• изобутан.

Мифы об озоновых дырах

Одно из главных заблуждений было связано с антропогенными причинами разрушения озонового слоя. Самые крупные дыры расположены в ненаселенных частях планеты, на которых полностью отсутствует какое-либо производство. Конкретно в этих зонах возникновение дыр связано с нарушением процесса образования озона из-за полярных ночей.

В остальных случаях преобладают антропогенные факторы, а не естественные. На разрушение влияют не только соединения фреона, но и другие вещества, попадающие в атмосферу и способные расщеплять озон.

5
2
голоса

Рейтинг статьи

Опасность потери озонового щита

Были ли бреши в озоносфере до полетов в космос, появления фреонов и других загрязнителей атмосферы? Перечисленные вопросы являются дискуссионными, но вывод напрашивается один: озоновый слой атмосферы необходимо изучать и сохранять от разрушения. Наша планета без экрана из молекул О₃ лишается своей защиты от жестких космических лучей определенной длины, поглощаемых слоем активного вещества. Если озоновый экран тонкий или отсутствует, то основные жизненные процессы на Земле подвергаются опасности. Чрезмерное ультрафиолетовое излучение повышает риск мутаций в клетках живых организмов.

Функции озонового слоя

На высоте 20-30 километров от поверхности Земли «живой» газ создаёт уникальную защиту. Озон необходим для жизни на Земле, поскольку поддерживает температурный режим на планете и выполняет роль фильтра в атмосфере.

Планета регулярно подвергается воздействию ультрафиолетовых лучей солнца, космического излучения. Если внешнее влияние полностью будет достигать поверхности Земли, это негативно скажется на живых организмах. «Защитное поле» становится частичной преградой для вредных факторов, влияющих на планету извне.

Озоновый слой справляется с внешней и внутренней угрозой. Регулярно предприятиями и транспортом выбрасывается множество газов в атмосферу (в том числе углекислый). Трёхатомный кислород нейтрализует опасные вещества, очищая воздух. Помимо нейтрализации, вредных примесей, озоновый слой удерживает кислород внутри атмосферы, не позволяя ему в больших количествах «вылетать» в открытый космос.

Нейтрализация углекислого газа

Причиной парникового эффекта становятся газы. На Земле ответственным за это явление считается углекислый газ, источниками которого являются природные (жизнедеятельность биосферы, извержения вулканов, пожары вследствие засухи, гниение биомассы) и антропогенные (сжигание биомассы, горение пород или топлива, промышленное производство, изготовление цемента) факторы.

Если исключить неестественное образование газа, то растения поглощают большую часть двуокиси углерода. При чрезмерном образовании вещества из-за техногенного влияния, остаток попадает в атмосферу. Молекулы озона разрушают органические соединения, в том числе углерод и его производные, нейтрализуя излишки опасного газа.

Роль озонового слоя при взаимодействии с углекислым газом — восстановление баланса веществ, наполняющих атмосферу. Состав воздуха меняется в зависимости от климатических, погодных и антропогенных условий. Реакции проходят постоянно в разных участках «щита».

Удержание кислорода

Значение озонового слоя для биосферы выражено также удерживанием нужного уровня кислорода. Озон образуется под воздействием ультрафиолетовых лучей, но содержимое защитного барьера динамично, поскольку:

• озон тяжелее воздуха, после реакции спускается ниже;
• ветер перемещает газ в разных направлениях;
• интенсивность УФ-излучения переменчива.

Для озонового слоя, имеющего небольшой объём О3, нормально постоянно менять количество содержащегося внутри газа. Озон, «покидающий» защитный барьер, замещается кислородом. После поглощения и химических реакций О2 становится О3. Озоновый слой предохраняет атмосферу от критического снижения уровня кислорода.

Отражение космического и частично ультрафиолетового излучения

Озоновый слой атмосферы предохраняет всё живое на Земле от действия космической радиации, излишка опасных солнечных лучей. В малой концентрации длинные волны ультрафиолета полезны для людей, животных и растений. Естественный фильтр планеты защищает человека и другие организмы от электромагнитного излучения солнца разной длины (больше 90%). Но губительны для всего живого именно короткие волны. Они вызывают:

• ожоги кожи разной степени тяжести;
• мутации;
• новообразования (злокачественные, доброкачественные);
• ожог роговицы глаза;
• высыхание слизистых, тканей;
• снижение защитных сил организма;
• при больших дозах и частом воздействии — летальный исход.

Озоновый слой выполняет роль преграды для ближнего ультрафиолета, обеспечивая безопасность для живых организмов. Это обусловлено тем, что защитный барьер планеты Земля обладает экранирующими свойствами, отражает УФ-излучение.

Ещё один опасный для жизни на планете внешний фактор — космическое излучение, которое также «фильтруется» озоновым слоем.

Значение озонового слоя, как терморегулятора атмосферы

Роль газового барьера на планете не только в экранировании и поглощении опасного излучения (космического, ультрафиолетового), но и поддержании температурного режима Земли.

Озоновый слой частично пропускает тепло в открытый космос, не давая «утекать» массово. Озон задерживает двадцать процентов тепловой энергии Земли. Это требуется, чтобы внутри биосферы сохранялась требуемая для живых организмов температура.

Если барьер будет абсолютно непроницаем, то возникнет парниковый эффект. При потери большего количества тепла, атмосфера недостаточно прогреется, что приведёт к гибели растений и животных. Частично могут сохраниться организмы, живущие на дне Мирового океана или внутри глубокого грунта.

Пути гибели озона

Стратосферная химия озона

Кроме реакций, входящих в механизм Чепмена, имеется целый ряд других реакций, приводящих к гибели озона. Их все объединяют в несколько семейств, главными из которых является азотное, кислородное (из механизма Чепмена), водородное и галогеновое. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.

Азотный цикл (NO_x):

N2O+O⋅(Δ1)→2NO{\displaystyle {\mathsf {N_{2}O+O\cdot (\Delta ^{1})\rightarrow 2NO}}}

O3+NO→NO2+O2{\displaystyle {\mathsf {O_{3}+NO\rightarrow NO_{2}+O_{2}}}}

NO2+O→NO+O2{\displaystyle {\mathsf {NO_{2}+O:\rightarrow NO+O_{2}}}}

Водородный цикл (HO_x):

H2O+O→2HO⋅{\displaystyle {\mathsf {H_{2}O+O:\rightarrow 2HO\cdot }}}

HO⋅+O3→HO2⋅+O2{\displaystyle {\mathsf {HO\cdot +O_{3}\rightarrow HO_{2}\cdot +O_{2}}}}

HO2⋅+O3→HO⋅+2O2{\displaystyle {\mathsf {HO_{2}\cdot +O_{3}\rightarrow HO\cdot +2O_{2}}}}

Хлорный цикл (ClO_x):

CFCl3+hν→CFCl2⋅+Cl⋅{\displaystyle {\mathsf {CFCl_{3}+h\nu \rightarrow CFCl_{2}\cdot +Cl\cdot }}}

Cl⋅+O3→ClO⋅+O2{\displaystyle {\mathsf {Cl\cdot +O_{3}\rightarrow ClO\cdot +O_{2}}}}

ClO⋅+O→Cl⋅+O2{\displaystyle {\mathsf {ClO\cdot +O:\rightarrow Cl\cdot +O_{2}}}}

Доля в расходовании озона различных химических семейств на разных высотах:

Давление, гПа	азотное	кислородное	водородное	галогеновое
1,31	0,10	0,26	0,41	0,21
3,78	0,50	0,14	0,11	0,25
8,93	0,68	0,11	0,08	0,13
21,9	0,46	0,12	0,19	0,20
55,8	0,12	0,03	0,48	0,14

Доля галогенового пути распада стратосферного озона увеличилась в результате деятельности человека, что привело к возникновению озоновых дыр. Генеральная ассамблея ООН в 1994 году провозгласила 16 сентября ежегодным Международным днём охраны озонового слоя.