Реферат: Разрушение озонового слоя Земли хлорфторуглеводородами

ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ

Разрушение озонового слояЗемли хлорфторуглеводородами

Реферат по химии ученика 9»в» класса

Калмынина Кирилла

Г. Санкт-Петербург

2004 г.

ОЗОН(от греч. ozon — пахнущий) — Оз, аллотропная модификация кислорода. Газсинего цвета с резким запахом,  t кипения— 112 °С, сильный окислитель. При больших концентрациях разлагается с взрывом.Образуется из кислорода (О2) при электрическом разряде (напр., во время грозы)и под действием ультрафиолетового излучения (напр., в стратосфере под действиемультрафиолетового излучения Солнца). Основная масса озона (Оз) в атмосферерасположена в виде слоя — озоносферы — на высоте от 10 до 50 км с максимумомконцентрации на высоте 20-25 км. Этот слой предохраняет живые организмы наЗемле от вредного влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. Впромышленности О3 получают действием на воздух электрического разряда.Используют для обеззараживания воды и воздуха.

1

Глобальная изменчивость или глобальные изменения впоследние годы превратились в основную проблему исследований в областиокружающей среды главным образом благодаря тому огромному влиянию, которое онапо всей вероятности будет оказывать на мировое сообщество.

Многие ученые — естественники рассматривают термин«окружающая среда» как синоним слову «природа». Однакоприрода становится окружающей средой только тогда когда рассматривается всоциальном контексте: человеческое общество зависит от природы и,взаимодействуя с ней, изменяет её в различных пространственно-временныхмасштабах.

В1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской АнтарктическойСлужбы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее содержание озона ватмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили другие исследователи, показавшиетакже, что область пониженного содержания озона простирается  за пределы Антарктиды и по высоте охватываетслой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Наиболееподробным исследованием озонного слоя над Антарктидой был международныйСамолетный Антарктический Озоновый Эксперимент. В его ходе ученые из 4 страннесколько раз поднимались в область пониженного содержания озона и собралидетальные сведения о ее размерах и проходящих в ней химических процессах.Фактически это означало, что в полярной атмосфере имеется озоновая«дыра». (Озоновая дыра - разрыв озоносферы  диаметром св.1000 км,  возникший над Антарктидой иперемещающийся в населенные районы Австралии. Озоновая дыра возниклапредположительно в результате антропогенных воздействий<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;color:#993300;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[1],  в т. ч. широкого использования впромышленности и быту хлорсодержащих хладонов<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;color:#993300;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[2]

(фреонов), разрушающих озоновый слой. Озоновая дыра представляет опасность дляживых организмов, поскольку озоновый слой защищает поверхность Земли отчрезмерных доз ультрафиолетового излучения Солнца. В 1985 принята Венская конвенция об охране озонового слоя, в1987 — Монреальский протокол. Озоновая дыра была обнаружена английскимисследователем Дж. Фарманом в 1982. В 1992 озоновая дыра открыта также надАрктикой.)

              В начале 80-х по измерениям со спутника«Нимбус-7» аналогичная дыра была обнаружена и в Арктике, правда онаохватывала значительно меньшую площадь и падение уровня озона в ней было не таквелико — около 9%. В среднем по Земле с 1979 по 1990 г. содержание озона упалона 5%.

             Это открытие обеспокоило какученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слойозона, окружающий нашу планету, находится в большей опасности, чем считалосьранее. Утончение этого слоя может привести к серьезным последствиям длячеловечества. Содержание озона в атмосфере менее 0.0001%, однако, именно озонполностью поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение солнца с длиной волныl<280 нм и значительно ослабляет полосу УФ-Б с 280<l<315 нм, наносящиесерьезные поражения клеткам живых организмов. Падение концентрации озона на 1%приводит в среднем к увеличению интенсивности жесткого ультрафиолета у поверхностиземли на 2%. Эта оценка подтверждается измерениями, проведенными в Антарктиде.Правда, из-за низкого положения солнца, интенсивность ультрафиолета вАнтарктиде все еще ниже, чем в средних широтах. Ультрафиолетовое излучениеСолнца  это коротковолновое электромагнитноеизлучение (400-10 нм), на долю которого приходится около 9% всей энергииизлучения Солнца. Ультрафиолетовое излучение Солнца ионизирует газы верхнихслоев земной атмосферы, что приводит к образованию ионосферы.

               По своему воздействию на живыеорганизмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-забольшей, чем у g-излучения длины волны он не способен проникать глубоко вткани, и поэтому поражает только поверхностные органы.  Жесткий ультрафиолет обладает достаточнойэнергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызватьрак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту ииммунную недостаточность. Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать иобычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числазаболевания раком кожи, однако значительно количество других факторов(например, возросшая полярность загара, приводящая к тому, что люди большевремени проводят на солнце, таким образом, получая большую дозу УФ облучения)не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержанияозона. Жесткий ультрафиолет плохо поглощается водой и поэтому представляетбольшую опасность для морских экосистем. Эксперименты показали, что планктон,обитающий в приповерхностном слое при увеличении интенсивности жесткого УФможет серьезно пострадать и даже погибнуть полностью. Планктон находится восновании пищевых цепочек практически всех морских экосистем, поэтому безпреувеличения можно сказать, что практически вся жизнь в приповерхностных слояхморей и океанов может исчезнуть. Растения менее чувствительны к жесткому УФ, нопри увеличении дозы могут пострадать и они.

            Если содержание озона в атмосферезначительно уменьшится, человечество легко найдет способ защититься от жесткогоУФ излучения, но при этом рискует умереть от голода.

2

Образованиеозона описывается уравнением реакции

O2+O=O3

Необходимыйдля этой реакции атомарный кислород выше уровня 20 км образуется прирасщеплении кислорода  под действиемультрафиолетового излучения с l<240 нм

O2+h0=2O

Нижеэтого уровня такие фотоны почти не проникают, и атомы кислорода образуются, восновном, при фотодиссоциации двуокиси азота

NO2+h0=NO+O

фотонами мягкого ультрафиолета сl<400 нм.

Разрушение молекул озона происходитпри их попадании на частицы аэрозолей или на поверхность земли, но основнойсток озона определяют циклы каталитических реакций в газовой фазе:

O3+Y=YO+O2

YO+O=Y+O2

гдеY=NO, OH, Cl, Br

Впервые мысль обопасности разрушения озонного слоя была высказана еще в конце 1960-х годов,тогда считалось, что основную опасность для атмосферного озона представляютвыбросы водяного пара и оксидов азота (NOx)из двигателей сверхзвуковых транспортных самолетов и ракет. Однакосверхзвуковая авиация развивалась значительно менее бурными темпами, чемпредполагалось. В настоящее время в коммерческих целях используется только«Конкорд», совершающий несколько рейсов в неделю между Америкой иЕвропой, из военных самолетов в стратосфере летают практически толькосверхзвуковые стратегические бомбардировщики, такие как B1-B или Ту-160 иразведывательные самолеты типа SR-71. Такая нагрузка вряд ли  представляет серьезную угрозу для озонногослоя. Выбросы оксидов азота с поверхности земли в результате сжиганияископаемого топлива и массового производства и применения азотных удобренийтакже представляет определенную опасность для озонного слоя, но оксиды азотанестойки и легко разрушаются в нижних слоях атмосферы. Запуски ракет такжепроисходят не очень часто, впрочем, хлоратные твердые топлива, используемые всовременных космических системах, например в твердотопливных ускорителях«Спейс-Шаттл» или «Ариан», могут наносить серьезныйлокальный ущерб озонному слою в районе запуска.

В 1974 г. М. Молинаи Ф. Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине показали, чтохлорфторуглероды (ХФУ) могут вызывать разрушение озона. Начиная с этоговремени, так называемая хлорфторуглеродная проблема, стала одной из основных висследованиях по загрязнению атмосферы. Хлорфторуглероды   уже более 60 лет используются как хладагентыв холодильниках и кондиционерах, пропелленты для аэрозольных смесей,пенообразующие агенты в огнетушителях, очистители для электронных приборов, прихимической чистке одежды, при производстве пенопластов.

Когда-то онирассматривались как идеальные для практического применения химические вещества,поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны. Как это нипарадоксально, но именно инертность этих соединений делает их опасными дляатмосферного озона. ХФУ не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слоеатмосферы, который простирается от поверхности земли до высоты 10 км), как этопроисходит, например, с большей частью окислов азота, и, в конце концов,проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около50 км. Когда молекулы ХФУ поднимаются до высоты примерно 25 км, гдеконцентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействиюультрафиолетового излучения, которое не проникает на меньшие высоты из-за экранирующегодействия озона. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулыХФУ, которые распадаются на компоненты, обладающие высокой реакционнойспособностью, в частности атомный хлор. Таким образом, ХФУ переносит хлор споверхности земли через тропосферу и нижние слои атмосферы, где менее инертныесоединения хлора разрушаются, в стратосферу, к слою с наибольшей концентрациейозона. Очень важно, что хлор при разрушении озона действует подобнокатализатору: в ходе химического процесса его количество не уменьшается.Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона,прежде чем будет дезактивирован или вернется в тропосферу. Сейчас выброс ХФУ ватмосферу исчисляется миллионами тонн, но следует заметить, что даже в гипотетическомслучае полного прекращения производства и использования ХФУ немедленногорезультата достичь не удастся: действие уже попавших в атмосферу ХФУ будетпродолжаться несколько десятилетий. Считается, что время жизни в атмосфере длядвух наиболее широко используемых ХФУ фреон-11 (CFCl3) и фреон-12 (CF2Cl2) составляет75 и 100 лет соответственно.

Оксиды азотаспособны разрушать озон, однако, они могут реагировать и с хлором. Например:

O3+Cl=ClO+O2

ClO+NO=NO2+Cl

NO2=NO+O

O2+O=O3

в ходе этой реакции содержание озонане меняется. Более важной является другая реакция:

ClO+NO2=ClONO2

образующийся в ее ходе хлористыйнитрозил является так называемым резервуаром хлора. Содержащийся в нем хлорнеактивен и не может вступить в реакцию с озоном. В конце концов, такая молекула-резервуар  может поглотить фотон или вступить в реакциюс какой-нибудь другой молекулой и высвободить хлор, но она также может покинутьстратосферу.  Расчеты показывают, чтоесли бы в стратосфере отсутствовали оксиды азота, то разрушение озона шло бынамного быстрее. Другим важным резервуаром хлора является хлористый водородHCl, образующийся при реакции атомарного хлора и метана СH4.

3

Под давлением этихаргументов многие страны начали принимать меры направленные на сокращениепроизводства и использования ХФУ. С 1978 г. в США было запрещено использованиеХФУ в аэрозолях. К сожалению, использование ХФУ в других областях ограничено небыло. В сентябре 1987 г. 23 ведущих страны мира подписали в Монреале конвенцию,обязывающую их снизить потребление ХФУ. Согласно достигнутой договоренностиразвитые страны должны к 1999 г. снизить потребление ХФУ до половины уровня1986 г. Для использования в качестве пропеллента в аэрозолях уже найденнеплохой заменитель ХФУ — пропанобутановая смесь. По физическим параметрам онапрактически не уступает фреонам, но, в отличие от них, огнеопасна. Тем неменее, такие аэрозоли уже производятся во многих странах, в том числе и вРоссии. Сложнее обстоит дело с холодильными установками — вторым по величинепотребителем фреонов. Дело в том, что из-за полярности молекулы ХФУ имеютвысокую теплоту испарения, что очень важно для рабочего тела в холодильниках икондиционерах. Лучшим известным на сегодня заменителем фреонов является аммиак,но он токсичен и все же уступает ХФУ по физическим параметрам. Неплохиерезультаты получены для полностью фторированных углеводородов. Во многихстранах ведутся разработки  новыхзаменителей и уже достигнуты неплохие практические результаты, но полностью этапроблема еще не решена.

Использование фреоновпродолжается и пока далеко даже до стабилизации уровня ХФУ в атмосфере. Так, поданным сети Глобального мониторинга изменений климата, в фоновых условиях — наберегах Тихого и Атлантического океанов и на островах, вдали от промышленных игустонаселенных районов — концентрация фреонов -11 и -12 в настоящее времярастет со скоростью 5-9% в год. Содержание в стратосфере фотохимическиеактивных соединений хлора в настоящее время в 2-3 раза выше по сравнению суровнем 50-х годов, до начала быстрого производства фреонов.

4

Вместе с тем, ранниепрогнозы, предсказывающие, например, что при сохранении современного уровнявыброса ХФУ, к середине XXI в. содержание озона в стратосфере может упастьвдвое, возможно были слишком пессимистичны. Во-первых, дыра над Антарктидой вомногом является следствием метеорологических процессов. Образование озонавозможно только при наличии ультрафиолета и во время полярной ночи не идет.Зимой над Антарктикой образуется устойчивый вихрь, препятствующий притокубогатого озоном воздуха со средних широта. Поэтому к весне даже небольшоеколичество активного хлора способно нанести серьезный ущерб озонному слою.Такой вихрь практически отсутствует над Арктикой, поэтому в северном полушариипадение концентрации озона значительно меньше. Многие исследователи считают,что на процесс разрушения озона оказывают влияние полярные стратосферныеоблака. Эти высотные облака, которые гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой,чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и вусловиях метеорологической изоляции Антарктиды температура в стратосфере падаетниже -80°. Можно предположить, что соединения азота конденсируются, замерзают иостаются связанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможностивступить в реакцию с хлором. Возможно также, что облачные частицы способныкатализировать распад озона и резервуаров хлора. Все это говорит о том, что ХФУспособны вызвать заметное понижение концентрации озона только в специфическихатмосферных условиях Антарктиды, а для заметного эффекта в средних широтах,концентрация активного хлора должна быть намного выше. Во-вторых, приразрушении озонного слоя жесткий ультрафиолет начнет проникать глубже ватмосферу. Но это означает, что образование озона будет происходить по-прежнему,но только немного ниже, в области с большим содержанием кислорода. Правда, вэтом случае озонный слой будет в большей степени подвержен действию атмосфернойциркуляции.

              Хотя первые мрачные оценки былипересмотрены, это ни в коем случае не означает, что проблемы нет. Скорее, что сталоясно нет серьезной немедленной опасности. Даже наиболее оптимистичные оценкипредсказывают при современном уровне выброса ХФУ в атмосферу серьезныебиосферные нарушения во второй половине XXI в., поэтому сокращать использованиеХФУ по-прежнему необходимо.

5

Возможностивоздействия человека на природу постоянно растут и уже достигли такого уровня,когда возможно нанести биосфере непоправимый ущерб. Уже не в первый развещество, которое долгое время считалось совершенно  безобидным, оказывается на самом деле крайнеопасным. Лет двадцать назад вряд ли кто-нибудь мог предположить, что обычныйаэрозольный баллончик может представлять серьезную угрозу для планеты в целом.К несчастью, далеко не всегда удается вовремя предсказать, как то или иноесоединение будет воздействовать на биосферу. Однако в случае с ХФУ такаявозможность была: все химические реакции, описывающие процесс разрушения озонаХФУ крайне просты и известны довольно давно. Но даже после того, как проблемаХФУ была в 1974 г. сформулирована, единственной страной, принявшей какие-либомеры по сокращению производства ХФУ были США и меры эти были совершеннонедостаточны. Потребовалась достаточно серьезная демонстрация опасности ХФУ длятого, чтобы были приняты серьезные меры в мировом масштабе.

 Следует заметить, что даже после обнаруженияозонной дыры, ратифицирование Монреальской конвенции одно время находилось подугрозой. Быть может, проблема ХФУ научит с большим вниманием и опаскойотноситься ко всем  веществам, попадающимв биосферу в результате деятельности человечества.

<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;color:blue;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[1]

АНТРОПОГЕННЫЕВОЗДЕЙСТВИЯ на природу, различные формы влияния деятельности человека наприроду. Антропогенные воздействия охватывают отдельные компоненты природы иприродные комплексы. Количественной и качественной характеристикойантропогенных воздействий является антропогенная нагрузка. Антропогенныевоздействия могут носить как позитивный, так и негативный характер; последнеевызывает необходимость в применении специальных природоохранных мер.<span Times New Roman"; color:blue">

<span Arial",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;color:blue;mso-ansi-language:RU; mso-fareast-language:RU;mso-bidi-language:AR-SA">[2]

ХЛАДОНЫ (фреоны) -  техническое название группы насыщенныхалифатических галогенсодержащих углеводородов, применяемых в качествехладагентов; газы (напр., CCl2F2, t кип — 29,8 °C) или летучие жидкости (напр.,CCl3F, t кип 23,7 °C). Нетоксичны, не образуют взрывоопасных смесей с воздухом,не реагируют с большинством металлов. Используются как пропелленты,растворители и др. Некоторые хладоны разрушающе действуют на озоновый слойатмосферы Земли, в связи, с чем объем их производства сокращается.