Понятие «озоновой дыры» - суть, причины, последствия

В середине 60-х годах ученые впервые зафиксировали, что озоновый слой над Землей быстро истощатся, а в отдельных местах и вовсе исчезает, образуя отверстия в атмосфере, через которые из космоса на Земле просачиваются не самые полезные для жизни излучения. Такие места стали называть "озоновыми дырами".

Сейчас уже все понимают, что стратосферный озон является своего рода естественным фильтром, препятствующим проникновению в нижние слои атмосферы жесткого космического излучения - ультрафиолета-В.

16 сентября 1987 г. был принят Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Впоследствии по инициативе ООН этот день стал отмечаться как День защиты озонового слоя.

С конца 70-х годов ученые стали отмечать неуклонное истощение озонового слоя. Причиной тому стало проникновение в верхние слои стратосферы озоноразрушающих веществ (ОРВ), используемых в промышленности, молекулы которых содержат хлор или бром. Хлорфторуглероды (ХФУ) или другие ОРВ, выпущенные человеком в атмосферу, достигают стратосферы, где под действием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца их молекулы теряют атом хлора. Агрессивный хлор начинает разбивать одну за другой молекулы озона, сам при этом не претерпевая никаких изменений. Срок существования различных ХФУ в атмосфере от 74 до 111 лет. Расчетным путем доказано, что за это время один атом хлора способен превратить в кислород 100 000 молекул озона.

Все ученые мира отмечают, что в последнее время добавился антропогенный фактор - все наши промышленные выбросы в атмосферу. Это способствует разрушению озонового слоя. Появилось такое понятие, как "озоновая дыра". На самом деле - это не дыра, а пониженное или нулевое содержания озона.

В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхности составляет в среднем 10-6%. Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода.

Озоновый «экран» расположен в стратосфере, на высотах от7-8 км. на полюсах, 17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 – 24 километров над Землей.

Слой озона удивительно тонок. Если бы этот газ сосредоточить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку лишь в 2-4 мм толщиной (минимум – в районе экватора, максимум – у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас, почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод  (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация.

Озон поглощает некоторую часть инфракрасного излучения Земли. Благодаря этому он задерживает около 20% излучения Земли, повышая отепляющее действие атмосферы.

Озон – активный газ и может неблагоприятно действовать на человека. Обычно его концентрация в нижней атмосфере незначительна и он не оказывает вредного влияния на человека. Большие количества озона образуются в крупных городах с интенсивным движением автотранспорта в результате фотохимических превращений выхлопных газов автомашин.

Озон, также,  регулирует жесткость космического излучения. Если этот газ хотя бы частично уничтожается, то, естественно жесткость излучения резко возрастает, а, следовательно, происходят реальные изменения растительного и животного мира.

Уже доказано, что отсутствие или малая концентрация озона может или приводит к раковым заболеваниям, что самым наихудшим образом отражается на человечестве и его способностью к  воспроизводству.

Причины ослабления озонового щита

Озоновый слой защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Обнаружено, что в течение многих лет озоновый слой претерпевает небольшое, но постоянное ослабление над некоторыми районами Земного шара, включая густо населенные районы в средних широтах Северного полушария. Над Антарктикой обнаружена обширная "озоновая дыра".

Разрушение озона происходит из-за воздействия ультрафиолетовой радиации, космических лучей, некоторых газов: соединений азота, хлора и брома, фторхлоруглеродов (фреонов). Деятельность человека, приводящая к разрушению озонового слоя, вызывает наибольшую тревогу. Поэтому многие страны подписали международное соглашение, предусматривающее сокращение производства озоно-разрушающих веществ. Однако озоновый слой разрушает также реактивная авиация и некоторые пуски космических ракет.

Предполагается множество причин ослабления озонового щита.

 Во-первых, – это запуски космических ракет. Сгорающее топливо «выжигает» в озоновом слое большие дыры. Когда-то предполагалось, что эти «дыры» затягиваются. Оказалось, нет. Они существуют довольно долго.

 Во-вторых, самолеты. Особенно, летящие на высотах в 12-15 км. Выбрасываемый ими пар и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время самолеты, летающие ниже 12 км.  Дают прибавку озона. В городах он – один из составляющих фотохимического смога.

В- третьих – окислы азота. Их выбрасывают те же самолеты, но больше всего их выделяется с поверхности почвы, особенно при разложении азотных удобрений.

В – четвертых, это хлор и его соединения с кислородом. Огромное количество (до 700 тысяч тонн) этого газа поступает в атмосферу, прежде всего от разложения фреонов. Фреоны – это не вступающие у поверхности Земли ни в какие химические реакции газы, кипящие при комнатной температуре, а потому  резко увеличивающие свой объем, что делает их хорошими распылителями. Поскольку при их расширении снижается их температура, фреоны широко используют в холодильной промышленности.

Каждый год количество фреонов в земной атмосфере увеличивается на 8-9%.  Они постепенно поднимаются наверх, в стратосферу и под воздействием солнечных лучей становятся активными – вступают в фотохимические реакции выделяя атомарный хлор. Каждая частица хлора способна разрушить сотни и тысячи молекул озона. 

В изучении проблемы озонового слоя наука оказалась удивительно недальновидной. Еще с 1975 г. содержание стратосферного озона над Антарктидой в весенние месяцы стало заметно падать. В середине 1980-х годов его концентрация снизилась уже на 40%. Вполне можно было говорить об образовании озоновой дыры. Ее размеры достигли примерно площади США. Тогда же появились еще слабовыраженные - со снижением концентрации озона на 1,5-2,5% - дыры вблизи Северного полюса и южнее. Край одной из них зависал даже над Санкт-Петербургом.

Однако еще в первой половине 1980-х некоторые ученые продолжали рисовать радужную перспективу, предвещая убыль стратосферного озона лишь на 1-2% и то чуть ли не через 70-100 лет.

В 1985 г., как я уже упоминала, принята Венская конвенция по защите озонного слоя Земли, которая потом дополнялась Монреальским протоколом в 1987 г. и поправками к нему Лондонской (1990 г.) и Копенгагенской (1992 г.) конференций. Ныне производство агрессивных, по отношению к озоновой оболочке, фреонов запрещено. Однако время пребывания в атмосфере уже попавших туда фреонов оценивается от 60 до 400 лет. По некоторым экспертным оценкам, озона в атмосфере Земли стало меньше на 8%, а скорость убыли ныне достигла 0,5% в год.

Современное ослабление озонового щита планеты выражается в образовании, по меньшей мере, двух гигантских сезонных озоновых дыр. Они разверзаются не только над полюсами и в высоких широтах, но часто достигают и средних.

Нет ничего удивительного в том, что в 1990-е годы природная защита от жесткого ультрафиолетового излучения оказалась существенно ослабленной почти над всей территорией бывшего СССР. Так, в 1995 г. со второй половины января над районами Сибири начала развиваться озоновая аномалия, которая в феврале-марте захватила территорию от Крыма до Камчатки. Для многих сибирских и якутских метеорологических станций в этот период зарегистрированы рекордно низкие среднемесячные значения. В отдельные дни над этими районами понижение концентрации озона достигало 40%. Согласно некоторым источникам в марте 1995 г. озоновый слой в Арктике был истощен на 50%.

Даже если причины возникновения озоновых дыр в Северном полушарии другие, нежели в Антарктиде, то вряд ли от этого легче тем, кто страдает от связанных с ними последствий. Известно, что от избыточной ультрафиолетовой радиации (УФР) растет число людей, болеющих раком кожи, меланомой, катарактой и просто испытывающих ослабление иммунной системы. Избыток УФР негативно влияет на океанические экосистемы.

Нельзя забывать и о других последствиях разрушения озонового слоя над Россией, да и над Землей в целом.

Стратосферный озоновый слой защищает Землю от перегрева. По данным доктора физико-математических наук Ракиповой, количество тепла, поглощаемого озоном (3% приходящей солнечной радиации), - это больше, чем вклад озона в парниковый эффект. В основном озон - антипарниковый газ. Районы в Северном полушарии, где содержание озона максимально, практически совпадают в холодное время года с основными очагами холода в Канаде и Восточной Сибири.

Негативные изменения в стратосфере в последние 15-20 лет не могли не привести к снижению эффективности природного компенсатора парникового эффекта - стратосферного озона. Территория России в силу ее географического положения и размеров страдает больше, чем любая другая страна от перипетий с озоном.

Вот уже не первый год на юге Сибири, а иногда и в центральной части фиксируются необычно ранние волны теплой и жаркой погоды. Их причину ищут в усилении парникового эффекта. Но не парниковый эффект, а ослабление антипарниковой функции озонового слоя больше ответственно за происходящее. Например, можно с большой долей вероятности утверждать, что необычно ранняя сверхтеплая погода на юге Сибири весной 1997 г. - отклик на осязаемое и чрезвычайно неприятное событие.

На карте, по состоянию на 15 апреля 1997 г., видно, что большую часть России поглотила озоновая аномалия, и за ее края выходили в основном лишь большая часть Камчатки, Сахалин, юг Дальнего Востока, а также европейская Россия без Кольского полуострова и бассейнов рек Северная Двина и Печора.

В случае с озоновым слоем Россия щедро платит, как это ни парадоксально, за техническое несовершенство и экологическую безграмотность наиболее продвинутых в промышленном отношении стран. Вполне может быть выявлена Мера ответственности конкретных государств. Медвежью услугу человечеству, особенно России, оказали научные круги, явно раздувавшие опасность грядущего потепления климата. Ныне каждый школьник в Европе и, по-видимому, в США и Японии уверен, что приоритет экологической геополитики состоит в воздействии на климат.

Чрезмерная забота о климате, а точнее, о парниковых газах и в особенности о контроле над СО2, оттеснили на второй план проблему стратосферного озона. Ее явно запоздалое осознание бумерангом ударило по природе.

Похоже на то, что международная наука выпустила пар в гудок по поводу грядущей мезозойской жары. Из-за этого мы прозевали куда более серьезную опасность, связанную с разрушением озонового слоя. А рассчитываться за это больше всех придется, по-видимому, нашей стране.

Последствия от разрушения озонного слоя:

По мнению врачей, каждый потерянный процент озона в масштабах планеты вызывает до 150 тысяч дополнительных случаев слепоты из-за катаракты, на 2,6 процента увеличивается количество раковых заболеваний кожи, значительно  возрастает  число болезней, вызванных ослаблением иммунной системы человека. Наибольшему риску подвержены жители северного полушария со светлой кожей. Но страдают не только люди. УФ-В излучение, к примеру, крайне вредно для планктона, мальков, креветок, крабов, водорослей, обитающих на поверхности океана.

Озоновая проблема, первоначально поднятая учеными, вскоре стала предметом политики.

Задача 1

Рассчитать допустимую концентрацию загрязняющих веществ в стоках предприятия при сбросе их в открытый водоем.

Определить эффективность очистки по каждому загрязняющему веществу.

Исходные данные: сточные воды до очистных сооружений содержат (мг/л)

Фоновые концентрации загрязняющих веществ Cф мг/л равны: нефтепродукты  - 70,4, фенолы -  15,3, взвешенные вещества – 104,0, NO3 – 48,5,  Cr  - 25,8.

Решение:

Распределяем загрязняющие вещества по группам лимитирующего показателя вредности для водоема рыбохозяйственной категории:

Токсилогические отсутствуют

Санитарно-токсилогические: NO3 (40,0), Cr (0,001)

Органолептические: отсутствуют

рыбохозяйственные: нефтепродукты (0,05), фенолы (0,001), взвешенные вещества (104,75)

Рассчитаем Cор мг/л, загрязняющих веществ в стоках без учета их совместного слияния в водоеме:

Cор(NO3)=(0,37*5,4)/0,71*(40,0-48,5)+ 40,0=16,08

Cор(Cr)= (0,37*5,4)/0,71*(0,001-25,8.)+ 0,001=-9,04

Cор(нефтепродукты)= (0,37*5,4)/0,71*(0,05-70,4)+ 0,05= -197,9

Cор(фенолы)= (0,37*5,4)/0,71*(0,001-15,3)+0,001=-43,02

Cор(взвешенные в-ва.)= (0,37*5,4)/0,71*(104,75-104,0)+ 104,75=106,86

Рассчитаем ожидаемую концентрацию, мг/л, каждого из загрязняющих веществ:

Санитарно-токсилогическая группа:

C(NO3)=(0,71*16,08+0,37*5,4*48,5)/(0,71+0,37*5,4)=39,9

C(Cr)= (0,71*(-9,04)+0,37*5,4*25,8)/(0,71+0,37*5,4)=16,7

рыбохозяйственная группа:

C(нефтепродукты)=( 0,71*(-197,9)+0,37*5,4*70,4)/ (0,71+0,37*5,4)=0,06

C(фенолы)=( 0,71*(-43,02)+0,37*5,4*15,3)/(0,71+0,37*5,4)=0,009

C(взвешенные в-ва.) = (0,71*106,86+0,37*5,4*104,0)/ (0,71+0,37*5,4)=104,7

Проведем проверку по каждой группе веществ на соответствие нормам

Санитарно-токсилогическая группа:

39,9/40,0+16,7/0,001=16700,99

Так как суммарная величина больше единицы снижаем С каждого компонента в 16700,99 раза.

0,002/40,0+0,00099/0,001=0,99

рыбохозяйственная  группа:

0,06/0,05+0,009/0,001+104,7/104,75=11,19

Так как суммарная величина больше единицы снижаем С каждого компонента примерно в 11,19 раза.

0,0053/0,05+0,0008/0,001+9,35/104,75=0,99

Определяем допустимую концентрацию, мг/л загрязняющих веществ в стоках после очистки с учетом совместного влияния веществ в каждой группе лимитирующего показателя:

Санитарно-токсилогическая группа:

C NO3= (0,002*(0,71+0,37*5,4)-0,71*5,4*48,5)/0,71= -254,27

C Cr =(0,00099*(0,71+0,37*5,4)-0,71*5,4*25,8)/0,71=-135,5

Рыбохозяйственная группа:

C нефтепродукты = (0,0053*(0,71+0,37*5,4)-0,71*5,4*70,4)/0,71= -62,4

C фенолы = (0,0008*(0,71+0,37*5,4)-0,71*5,4*15,3)/0,71= -82,62

C взвешенные в-ва. = (9,35*(0,71+0,37*5,4)-0,71*5,4*104,0)/0,71=35100

Определим эффективность работы очистного оборудования, %, по каждому виду загрязняющих веществ:

Э NO3 = ((48,5-(-254,27))/ 48,5)*100=624,2

Э Cr = ((25,8-(-135,5))/ 25,8)*100=310,5

Э нефтепродукты = ((70,4-(-62,4))/ 70,4)*100=101,4

Э фенолы =((15,3-(-82,62))/ 15,3)*100=640

Э взвешенные в-ва =((104-35100)/104)*100=-336,5

Задача 2

Рассчитать предотвращаемый экономический ущерб в результате работы биоочистных сооружений предприятия в одном из регионов России (Московская обл.), при условии, что биоочистныесистемы работают при температуре окружающей среды >= +10 С.

Исходные данные:

Vсток., куб. м/сутки=1105

Решение

Рассчитаем фактическую массу каждого загрязнителя, мг/л или г/куб. м:

М(Хром)=1,5-0,002=1,498

М(Свинец)=3,4-0,2=3,2

М(Взвеш. в-ва)=150-30=120

М(Нитрит ион)=5-0,1=4,9

М(Нитрат ион)=150-42=108

Определим  степень   токсичности каждого загрязнителя в стоках:

А (Хром)=1/0,001=1000

А(Свинец)=1/0,1=10

А(Взвеш. в-ва)=1/25=0,04

А(Нитрит ион)=1/0,08=1,25

А(Нитрат ион)=1/40=0,025

Определим приведенную массу годового сброса загрязнителя, г/куб. м

Ам=1,498*1000+3,2*10+120*0,04+4,9*1,25+108*0,025=1543,625

Рассчитаем Эу:

Эу=1440р.год*2,60*397800куб.м/год*0,001543625=2299018,27р/год

Задача 3

Рассчитать ПДВ конкретных загрязняющих компонентов от нагретого источника, определить их фактический выброс, необходимость установки улавливающего оборудования, плату за выброс.

Исходные данные: Горячий источник – реостатная установка локомотивного депо (150 тепловозных секций), вид топлива – дизельное топливо. Расход топлива, т/год – 0,22 на одну тепловозную секцию. время работы в год, ч/год – 9 на одну тепловозную секцию. Температура: газовоздушной смеси – 370, наружного воздуха –(-4). Н, м – 3, D, м – 0,15, загрязнители: формальдегид (Концентрация загр. веществ Cмах= 50,4 и Сф =0,03) и сажа (Cмах= 170,8 и Сф =0,14)

Решение:

Рассчитаем объем газовоздушной смеси продуктов сгорания, мг/куб м

V = (150*0,9*1000*10,8)/9*150*3600=0,73

Рассчитаем скорость выхода газовоздушной смеси

Wo=(4*0,73)/3,14*0,15*0,15=41,3

А= 250(Читинская обл), F=3.

Найдем коэффициент f, м

f= 10*10*10 *(41,3*41,3*0,15)/(3*3*366)=77,7

м=0,22

Vм=(1,3*41,3*0,15)/3=2,7, так как Vм <0,3: n=3

Тогда ПДВ формальдегида = 0,00000567 г/с

ПДВ сажи =0,000011 г/с

Определим фактический выброс м:

м формальдегида = (50,4*0,73*150)/1000=5,5

м сажи = (170,8*0,73*150)/1000=18,7

Так как фактический выброс обоих веществ больше предельно допустимого, то следует установить улавливающие оборудования.

Рассчитаем плату за выброс, р./год.

Формальдегид: Плата за выброс в пределах ПДВ

П1=(440*1*5,5*9*150*3600)/1000000=11761,2

П2=(5*0,8*2200*(5,5-0,00000567)*9*150*3600) /1000000=29402,9

П=29402,9+11761,2=41164,2

Сажа:

П1=(26,4*1*18,7*9*150*3600) /1000000=239,9

П2=(5*0,8*132*(18,7-0,000011)*9*150*3600) /1000000=4798,6

П=239,9+4798,6=5038,5

Задача 4

Рассчитать:

1.     Максимальное значение приземной концентрации загрязняющего вещества при выбросе из одиночного горячего источника;

2.     Х-расстояние от источника выброса

3.     Uв - опасную скорость ветра

4.     С-значение приземных концентраций раасматриваемого вещества на различных расстояниях от источника выброса

5.     Определить размер С33 предприятия

Исходные данные: Котельная работает на твердом топливе, предприятие находится в Московской области. Согласно расчете в подразделе 3 V=0.73куб.м/с, Н=3 м, D=0,15, Wo = 41,3 м/с, Т=366С,  м формальдегида = 5,5

Значения рассчитанных и принятых безразмерных коэффициентов:

f=77,7, м=0,22, Vм=2,7, n = 3, F=3

Решение:

Рассчитаем максимальное значение приземной концентрации формальдегида См, мг/ куб.м

См=5,2

Найдем опасную скорость ветра Uв:

Uв=2,7м/с, так как Vм <=2,7

Хм=12,5*3*(5-3)/4=18,75

-10м-Х/Хм=0,53

-50м-Х/Хм=2,6

-100м-Х/Хм=5,3

-200м-Х/Хм=10,6

-300м-Х/Хм=16

Найдем безразмерный коэффициент S

S(10м)=3*0,53*0,53*0,53*0,53-8*0,53*0,53*0,53+6*0,53*0,53=0,73

S(50м)= 1,13/(0,13*2,6*2,6+1)=0,6

S(100м)= 1,13/(0,13*5,3*5,3+1)=0,24

S(200м)= 1/(0,1*10,6*10,6+2,47*10,6-17,8)=0,05

S(300м)= 1/(0,1*16*16+2,47*16-17,8)=0,021

С(10м)= 0,73*5,2=3,796

С(50м)= 0,6*5,2=3,12

С(100м)= 0,24*5,2=1,248

С(200м)= 0,05*5,2=0,26

С(300м)= 0,021*5,2=0,1

ПДКмр. формальдегида = 0,035 мг/куб.м

Из расчетов видно, что на расстоянии 300 м от источника С=0,1 следовательно L=300 м.

С учетом среднегодовой розы ветров находим L, м

L=300*14/12,5=336

Данное предприятие по величине С33 относится к II классу.

Задача 5

Оценить экологический ущерб

Исходные данные: Локомотивное депо (реостатная установка на 150 тепловозных секций в год), Загрязнители – формальдегид и сажа, S зоны загрязнения 6 км, коэффициент: территория предприятия – 75%, населенный пункт -20%, лес 5%.

Решение:

б=(6*0,75*4+6*0,2*8+6*0,05*8)/6=5

f=100/(100+5.88*3)* 100/(100+5,88*3)*(4/(1+2,7)=1,7

ф=1+366/75=5,88

Найдем приведенную массу годового выброса  веществ в атмосферу

Д формальдегид=1/0,012

М=1/0,012*5,5=458,3 усл. т./год

Д сажа = 1/1,4

М=1/0,05*18,7=374 усл. т./год

Уа (формальдегид)=192*5*1,7*458,3 =747945,6р./год

Уа (сажа)= 192*5*1,7*374=610368./год

Если сравнить Уа формальдегида и сажи с величинами платы за выброс, то очевидно, что экологический ущерб, причиняемый окружающей среде выше, чем плата предприятия за вредные выбросы в атмосферу.

Задача 6

Оценить экологический ущерб от загрязнения рыбохозяйственных вод бассейна реки Амура.

Исходные данные:

Расход  сточных вод q=0,025 куб. м /с.

В сточных водах после очистных сооружений присутствуют взвешенные вещества (С=64,3>Сдоп.), нефтепродукты (С=10,13>Сдоп.), и фенолы (С=0,005=Сдоп.).

Решение:

Рассчитаем фактическую массу каждого из  веществ, т/год:

м(взв. в-ва)=( 64,3*0,025 *3600*24*320)/1000000=44,4

м(нефтепродукты)=( 10,13*0,025 *3600*24*320)/1000000=7

м(фенолы)=( 0,005*0,025 *3600*24*320)/1000000=0,034

Рассчитаем приведенную массу годового сброса каждого из загрязняющих веществ, усл.т/год:

Мвз. в-ва=1/150,75*44,4=0,3

Мнефтепродукты=1/0,05*7=140

Мфенолы=1/0,001*0,034=34

Определим удельный ущерб от сброса каждого вещества:

Увз. в-ва=1180,0р./усл.т (сверхнормативные выбросы)

Унефтепродукты=17740,0./усл.т (сверхнормативные выбросы)

Уфенолы=177400,0 (в пределах нормы)

Определим коэффициент экологической ситуации рек

К=1,0-1,53(примем 1,26)

Рассчитаем экологический ущерб от загрязнения поверхностных вод:

Ув=1,26*(1180,0*0,3+17740,0*140+177400,0 *34)=10729598,04 р./год

Таким образом, экологический ущерб водам составляет около11 млн.р. в год.