Проблемы разрушения озонового слоя и перфторуглерода

Содержание

Введение.............................................................................................................. 3

1. Характеристика озона и озонового слоя................................................... 5

2. Разрушение озонового слоя и перфтоуглерода......................................... 8

Заключение...................................................................................................... 12

Список использованной литературы........................................................... 15

Введение

Четыреста миллионов лет назад в атмосфере появился слой озона, достаточно плотный, чтобы жизнь из океана смогла шагнуть на сушу. Это дало начало уникальной, быть может единственной во Вселенной, эволюционной цепи, породившей громадное разнообразие живых форм, включая человека. А в наши дни (ирония судьбы!) человек чуть не погубил то, благодаря чему он появился на Земле. Однако у человечества хватило ума и здравого смысла, чтобы вовремя остановиться. Озоновый слой стал предметом всеобщего внимания. К его изучению привлекли сотни тысяч специалистов во всем мире, затратили громадные материальные средства. В результате стало значительно яснее, какие процессы происходят как в озоносфере, так и во всей атмосфере.

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. Начиная от появившегося в самом начале 70-х годов прогноза о том, что полеты стратосферной авиации “съедят” слой озона уже к 80-м годам, и, кончая пресловутой “озоновой дырой”, которая будоражит умы людей.

Гипотезы о возможном разрушении стратосферного озона под действием выброса в атмосферу выхлопных газов от двигателей сверх звуковых самолетов, фреонов, использования удобрений, извержений вулканов и т. д. Неоднократно описывались в литературе. Поскольку озон задерживает активное излучение солнца, то разрушение озонного слоя может привести к целому ряду негативных последствий для растений, животных и человека.

В ряду тревожных проблем – сдвиги в мировом климате, истощение лесных, почвенных и водных ресурсов, прогрессирующее опустошение планеты – находится и проблема разрушения озонового слоя. Возможно, что антарктический озон является предвестником глобальных изменений в озоносфере.

Озоносфера - одна из поверхностных оболочек планеты. Она является составной частью биосферы Земли, включающей в себя совокупность живых организмов и неорганические вещества, находящиеся в общем круговороте.

К изучению процессов, связанных с атмосферным озоном, привлечены значительные силы ученых у нас в стране и за рубежом. Ведутся наблюдения за количеством озона и его “врагов” – различных загрязняющих веществ, анализируются данные за прошедшие годы, ставятся новые эксперименты. Однако проблема атмосферного озона к настоящему времени далеко не исчерпана, и ряд важных и интересных разделов этой проблемы ждет своего разрешения, в особенности явления, связанные с влиянием на озоновый слой некоторых естественных факторов и антропогенных воздействий. Для их осмысления необходимо постоянное и всеобъемлющее слежение за состоянием окружающей среды (мониторинг). Для выработки научно обоснованных выводов и прогнозирования изменений в состоянии озоносферы Земли в отдельных регионах и глобальном масштабе нужны регулярные измерения концентрации озона существующими приборами и разработка новых методов и средств наблюдений озона.

Из трех стихий, окружающих человека – тверди, воды и воздуха, -–последняя, является самой уязвимой. И не случайно именно в атмосфере появился первый реальный сигнал бедствия. Этот сигнал – озоновая дыра как вестник возможного глобального уменьшения.

Цель работы: выявить проблемы разрушения озонового слоя и перфторуглерода.

Данная цель решается с помощью раскрытия следующих основных задач:

1. описать содержание озона и озонового слоя;

2. описать направления разрушения озонового слоя и перфтоуглерода.

1. Характеристика озона и озонового слоя

Озон – природный газ, который присутствует в атмосфере Земли и поглощает определенные волны ультрафиолетового излучения Солнца. Концентрация озона меняется с высотой, достигая своего пика в стратосфере на высоте приблизительно 25-30 км от поверхности Земли[1]. Эта концентрация газа известна под названием озонового слоя, который уменьшает интенсивность ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли. Высокие дозы ультрафиолетового излучения определенных волн способны наносить вред зрению человека, вызывать рак кожи, уменьшать темпы развития растений, нарушать баланс экологических систем и повышать риск заболеваемости.

Солнечное излучение разрушает в стратосфере многие газы, в составе которых содержатся хлор и бром. Высвободившиеся при этом радикалы хлора и брома могут вызывать разрушительную цепную реакцию, расщепляя другие газы в стратосфере, в том числе и озон. Разрушение молекул озона происходит с образованием кислорода и окиси хлора или брома, вследствие чего концентрация озона в атмосфере уменьшается. Один атом хлора или брома может участвовать в 100 000 таких реакций до того, как в конечном итоге перейдет из стратосферы в тропосферу.

В течение нескольких последних десятилетий хлорфторуглероды (ХФУ) поступали в атмосферу в объемах, достаточных для повреждения озонового слоя. Наибольшая потеря стратосферного озона происходит весной над Антарктикой и вызывает значительный рост уровня ультрафиолетового излучения. Сходный, хотя и более слабый процесс обнаружен и над Арктикой. Имеются доказательства того, что весной и летом уровень озона на средних и высоких широтах обоих полушарий падает на несколько процентов; в южном полушарии на этих широтах уровень озона падает также и зимой.

Второй вид воздействия, которое газ оказывает на окружающую среду, это влияние на глобальное потепление климата. Потенциал глобального потепления (ПГП) зависит от способности газа поглощать инфракрасное излучение. ПГП характеризует способность единицы массы газа воздействовать на глобальное потепление климата относительно воздействия на климат такого же количества двуокиси углерода, выброшенного в атмосферу. Воздействие на глобальное потепление Монреальским протоколом не охвачено.

Хлорфторуглероды вносят существенный вклад в глобальное потепление, однако есть предположение, что этот эффект компенсируется в глобальном масштабе охлаждением, к которому приводит разрушение озона хлорфторуглеродами в более низких слоях стратосферы. ХФУ являются полностью галогензамещенными углеводородами, содержат только хлор, фтор и углерод и обладают высокой озоноразрушающей силой. Схожие соединения, которые помимо хлора, фтора и углерода содержат водород, называются гидрохлорфторуглеводородами (ГХФУ). Присутствие водорода в ГХФУ сокращает срок жизни вещества в атмосфере и тем самым уменьшает озоноразрушающую способность по сравнению с ХФУ. Эти вещества классифицированы Монреальским протоколом как переходные, и их применение будет регулироваться в будущем.

Химические вещества, содержащие фтор, углерод и водород, но не содержащие хлор и бром, известны под названием гидрофторуглероды (ГФУ). В настоящее время разрабатываются способы применения ГФУ в качестве заменителей ХФУ. Эти вещества не разрушают озоновый слой, но могут оказывать влияние на глобальное потепление климата.

Ежегодно производится оценка потребления озоноразрушающих веществ (ОРВ) с целью их вытеснения. Потребление ОРВ, указанных в приложениях А и В Монреальского протокола, по сравнению с 1996 годом снизилось на 80%.

Согласно постановлению Кабинета Министров Республики Узбекистан от 14 марта 2000 г. № 90 введен 2000 года с 1 июля запрет на ввоз холодильного оборудования и установок кондиционирования воздуха с использованием ОРВ по списку А приложение №1. В 2002 году введен запрет на ввоз ОРВ, указанных в приложениях А и В Монреальского протокола.

Озоновый слой — это тонкий газовый слой в верхних слоях атмосферы (от 12 до 45 км от поверхности Земли), который защищает поверхность Земли от разрушительного эффекта солнечных ультрафиолетовых лучей. Известно, что воздействие усилившейся ультрафиолетовой радиации на поверхность Земли вызывает рак кожи и наносит непредсказуемый ущерб растениям, водорослям, пищевым цепям и глобальной экосистеме[2].

ЮНЕП помогла заключить, а теперь проводит в жизнь историческую Венскую конвенцию об охране озонового слоя (1985), Монреальский протокол (1987) и Поправки к нему. Согласно этим соглашениям, промышленно развитые страны запрещают производство и продажу хлорфторуглеродных веществ, истощающих озоновый слой. Развивающиеся страны должны прекратить производство к 2010 году. Планируется также постепенно ликвидировать и другие истощающие озоновый слой вещества.

В 1998 г. проведенная ЮНЕП-ВМО оценка озонового истощения, над которой работали более 200 ученых из всех стран мира, подтвердила эффективность Монреальского протокола. Из проведенной оценки вытекает, что суммарное содержание истощающих озоновый слой компонентов в тропосфере (нижний слой атмосферы) достигло наивысшего уровня в 1994 г. и в настоящее время медленно уменьшается. Если бы не были предприняты меры в соответствии с Протоколом, то озоновое истощение было бы гораздо сильнее и продолжалось бы в течение намного большего числа десятилетий. Даже с учетом того, что Протокол эффективно действует в направлении уменьшения использования и эмиссии в атмосферу веществ, истощающих озоновый слой, воздействие уже выпущенных в атмосферу химических веществ продолжается, а это означает, что истощение озонового слоя будет продолжаться еще многие годы.

2. Разрушение озонового слоя и перфтоуглерода

Земля окутана тончайшей вуалью – озоновым экраном, под которым понимают слой атмосферы (озоновый слой) в пределах стратосферы, лежащий над поверхностью планеты на высотах от 7-8 км на полюсах до 17-22 км на экваторе. Этот слой состоит из чрезвычайно химически реактивных и токсичных трехатомных молекул кислорода, т.е. озона, концентрация которого в 10 раз выше, чем в нижних слоях атмосферы. Озон нестабилен, так как окисляет практически все с чем сталкивается. Однако, в стратосфере не так много веществ, с которыми могли бы взаимодействовать молекулы озона. Кроме того, являясь продуктом реакции между ультрафиолетовой частью спектра солнечного излучения с обычными молекулами кислорода, озон в стратосфере существует в течение довольно длительного времени. Так и образуется озоносфера, которая защищает нас (и все живое) от агрессивного воздействия ультрафиолета, поглощая более 99% губительного излучения. В то же время некоторые загрязняющие атмосферу вещества способны разрушать озоновый слой, катализируя реакции распада озона. Прежде всего это относится к свободным атомам хлора. Основными поставщиками хлора служат соединения, обычно называемые хлорфторуглеводородами. Однако, это не совсем правильно. В специальной литературе различают собственно хлорфторуглеводороды (ХФУВ) и хлорфторуглероды (ХФУ); в первых из них не все, а во вторых все атомы водорода замещены атомами хлора и фтора. Более опасны для озонового слоя ХФУ – летучие и нерастворимые в воде (потому не вымываемые из атмосферы); время пребывания ХФУ в стратосфере исчисляется десятками и сотнями лет[3]. В 1974 г. американские ученые Ш.Роуленд и М.Молина опубликовали свою гипотезу о том, что именно ХФУ попадают в стратосферу и разрушают озоновый слой. (В 1995 году эти исследователи за свое открытие были удостоены Нобелевской премии по химии). Действительно, ХФУ на первый взгляд казались одними из самых полезных соединений, синтезированных человеком. Эти вещества не токсичны и стабильны, не горят, практически не реагируют с другими соединениями, обладают высокой теплоизоляционной способностью и обладают еще многими преимуществами. Благодаря этому область их применения чрезвычайно широка, а производство экономически выгодно – ХФУ используются как охладители, вспениватели жидких пластмасс, средства для очистки компьютерных микросхем, носители в аэрозольных балончиках и т.д. Еще более опасны т.н. галоны, в которых наряду с атомами хлора и фтора присутствуют атомы брома – более активного чем хлор разрушителя озона. Также способностью разрушать озон обладают и метилхлороформ и четыреххлористый углерод. Важнейшие химические агенты, разрушающие озоновый слой представлены в таблице 1.

Чем же опасно разрушение озонового слоя? Естественно, что истощяясь, он теряет свойства защитного экрана, что приводит к снижению поглощения озоном ультрафиолетового света. Следует отметить, что истончение озонового слоя лишь на 1% повысит интенсивность ультрафиолетового излучения на поверхности Земли на 2%, а это в свою очередь приведет к росту заболеваемости раком кожи на 3-6%. На каждый процент истощения озонового слоя прогнозируется 0,6-0,8% увеличения частоты катаракт. Несомненно будет наблюдаться подавление иммунитета и многие другие нежелательные эффекты на организм человека и животных. Экспериментально установлено, что при 25%-ном истощении озонового слоя урожайность свеклы снижается на 30%, сои – на 25% и ячменя на 10%. Последствия же воздействия ультрафиолета описаны выше (см. раздел IV.4). Еще одна опасность, связанная с ХФУ – парниковый эффект, о котором речь пойдет ниже.

Таблица 1

Основные химические соединения, разрушающие озоновый слой

Агент	Потенциал разрушения озона	Область применения	Объем мирового производств в 1985 г. в тоннах	Время пребывания в атмосфере, лет
ХФУ-11	1,0	Искусственные охладители, аэрозоли, пены	298000	65—75
ХФУ-12	0,9-1,0	То же, а также стерилизация, косметические препараты, термодатчики, пенообразующие средства	438000	100-140
ХФУ-13	0,8-0,9	Растворители, косметические препараты	138500	100-134
ХФУВ-22	0,05	Искусственные аэрозоли, пены, охладители, огнетушители	81200	16-20
Галон-1301	10,0-13,2	Огнетушители	2600	110
Галон-1211	2,2-3,0	Огнетушители	2600	15
Метилхлороформ	0,15	Растворители	499500	5.5-10
Четырех хлористый углерод	1,2	Растворители	71200	50-69

Вообще, даже после выступлений Роуланда и Молина и их предупреждений об негативных последствиях воздействия ХФУ и истончения озонового слоя, проблема явно недооценивалась.

Однако прямое доказательство этой новой для человечества экологической опасности было получено осенью 1984 г., когда британские ученые над Южным полюсом с помощью наземных и спутниковых систем слежения обнаружили "озоновую дыру" размером с территорию США. В ней содержание озона упало на 40%, причем мониторинговые наблюдения в течение предшествующих 10 лет показали непрерывное уменьшение озона. В результате специальных экспедиций и наземных и аэростатических измерений озона и аэрозольных частиц над Гренландией, островами Шпицберген, Северной Европой также были обнаружены "озоновые дыры", хотя и меньших размеров, чем над Антарктидой. Эти разрушения озонового слоя могут вызвать серьезные последствия в Арктике и северных областях Европы и Америки," так как там гораздо большее, чем в Антарктиде, количество и разнообразие организмов, которые могут пострадать из-за губительного действия ультрафиолета. Это реально может привести к значительной потере фитопланктона – основного элемента пищевых цепей для морских животных и существенно повлияет на их численность. Поскольку в объяснении механизмов образования "озоновых дыр" огромную роль играют климатические особенности (температура, влажность) и характер движения околополюсных воздушных масс, трудно представить себе, что отдельные "озоновые дыры" будут обнаружены еще где-либо, например, на экваторе. Вместе с тем, поскольку газы в атмосфере постоянно перемешиваются, то концентрация озона в стратосфере уменьшается над всей планетой. Принимая во внимание длительный период достижения молекулами ХФУ стратосферы, дальнейшее истощение озонового слоя будет продолжаться еще, по крайней мере, на протяжении 100 лет, даже если сегодня будет полностью прекращено производство ХФУ и аналогичных соединений.

Осознание опасности "озонового кризиса" привело к подписанию в 1987 г. Монреальского протокола, по которому, начиная с 1989 г. предусматривалось замораживание производства ХФУ. Этого было недостаточно для спасения озоносферы и в июне 1990 г. было принято Лондонское соглашение, в котором предусмотрено 50% сокращение производства ХФУ к 1995 г. и полное его запрещение к 2000 году. Вследствие этих мер, начиная примерно с 2005 г. концентрация хлора в стратосфере станет снижаться.

Заключение

Озоновый слой (озоносфера) охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 20—25 км. Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярное области.

Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, получившее название «озоновой дыры». С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете. Так, например, в России за последние десять лет концентрация озонового слоя снизилась на 4—6% в зимнее время и на 3% — в летнее.

В настоящее время истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ-радиация). Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергии даже одного фотона из этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул. Не случайно поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается увеличение заболевания людей раком кожи и др. Так, например, по мнению ряда ученых-экологов, к 2030г. в России при сохранении нынешних темпов истощения озонового слоя заболеют раком кожи дополнительно 6 млн. человек. Кроме кожных заболеваний возможно развитие глазных болезней (катаракта и др.), подавление иммунной системы и т. д.

Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем, и т. д.

Наука еще до конца не установила, каковы же основные процессы, нарушающие озоновый слой. Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу, фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.

По данным международной экологической организации «Гринпис», основными поставщиками хлорфторуглеродов (фреонов) являются США – 30,85%, Япония – 12,42%, Великобритания – 8,62% и Россия – 8,0%. США –пробили в озоновом слое «дыру» площадью 7 млн. км², Япония – 3 млн. км², что в семь раз больше, чем площадь самой Японии. В последнее время в США и в ряде западных стран построены заводы по производству новых видов хладореагентов (гидрохлорфторуглеродов) с низким потенциалом разрушения озонового слоя.

Согласно протоколу Монреальской конференции (1990 г.), пересмотренному затем в Лондоне (1991 г.) и Копенгагене (1992 г.), предусматривалось снижение выбросов хлорфторуглерода к 1998 г. на 50%. Согласно ст. 56 Закона Российской Федерации об охране окружающей природной среды, в соответствии с международными соглашениями, все организации и предприятия обязаны сократить и в последующем полностью прекратить производство и использование озоноразрушающих веществ. Даже если протокол будет выполнен всеми странами, необходимо продолжать решать проблему защиты людей от УФ-радиации, поскольку многие из хлорфторуглеродов могут сохраняться в атмосфере сотни лет.

Ряд ученых продолжают настаивать на естественном происхождении «озоновой дыры». Причины ее возникновения одни видят в естественной изменчивости озоносферы, циклической активности Солнца, другие связывают эти процессы с рифтогенезом и дегазацией Земли.

Помимо разрушения озонового слоя, выбросы ХФУ и ряда других фторсодержащих веществ (перфторуглеродов и SiF6) способствуют глобальному потеплению.

В 2003 году США прекратили производство вещества HCFC-141b для эмиссионных вариантов использования, прежде всего в качестве вспенивателей. По сравнению с США, ЕС более активно сокращает производство озоноразрушающих ГХФУ, а также намерен, в соответствии с Киотским протоколом, сократить производство ГФУ, вызывающих парниковый эффект.

В настоящее время на смену ГХФУ и ХФУ приходят ГФУ, ФУ и другие фторозамещенные соединения, а также ряд альтернативных веществ совершенно другого класса.

Ученые прогнозируют, что восстановление защитного озонового слоя начнется в ближайшем будущем и полностью завершится к 2050 году, но при условии, что Протокол будет неукоснительно выполняться.

Список использованной литературы

            Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000. – 576 с.

            Одум Ю. – Основы экологии. – М., 1998.

            Охрана окружающей среды /Под ред. С.А. Брылова. – М., 1999.

            Охрана окружающей среды/ Справочник. Составитель Л.П. Шариков. – М., 1999.

            Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в России. – М., 1998.

            Розанов Б.Г. Основы учения об окружающей среде. – М.: изд-во МГУ, 2000.

---

[1] Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. – Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000. – с.156

[2] Одум Ю. – Основы экологии. – М., 1998. – с.169

[3] Розанов Б.Г. Основы учения об окружающей среде. – М.: изд-во МГУ, 2000. – с.215