Озоновые дыры. Экологические проблемы человечества - Экология - Скачать бесплатно
Введение
“Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы
заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной
шар непригодным для обитания”.
Ж.Б.Ламарк.
С возникновением человеческой цивилизации появился новый фактор,
влияющий на судьбу живой природы. Он достиг огромной силы в текущем
столетии и особенно в последнее время. 5 млрд. наших современников
оказывают на природу такое же по маштабам воздействие, какое могли оказать
люди каменного века, если бы их численность составила 50 млрд. человек, а
количество высвобождаемой энергии, получаемой землёй от солнца.
С тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное
вмешательство человека в природу резко усилилось, расширялся объём этого
вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной
опасностью для человечества.
Расход невозобновимого сырья повышается, всё больше пахотных
земель выбывает из экономики, так как на них строятся города и заводы.
Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному
воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных
процессов, любой из которых не улучшает состояние воздушного пространства
нашей планеты.
Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере.
Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию
в сторону повышения среднегодовой температуры на планете.
В результате перед обществом возникла дилемма: либо бездумно
катиться к своей неизбежной гибели в надвигающейся экологической
катастрофе, либо сознательно превратить созданные гением человека могучие
силы науки и техники из орудия, ранее обращенного против природы и самого
человека, в орудие их защиты и процветания, в орудие рационального
природопользования.
Над миром нависла реальная угроза глобального экологического
кризиса, понимаемая всем населением планеты, а реальная надежда на его
предотвращение состоит в непрерывном экологическом образовании и
просвещении людей.
Всемирная организация здравоохранения определила, что здоровье человека
на 20% зависит от его наследственности, на 20% от состояния окружающей
среды, на 50% от образа жизни и на 10% от медицины. В ряде регионов России
к 2005 году предполагается следующая динамика факторов, влияющих на
здоровье человека: роль экологии возрастет до 40%, действие генетического
фактора увеличится до 30%, до 25% уменьшится возможность поддержания
здоровья за счёт образа жизни и до 5% снизится роль медицины.
Характеризуя современное состояние экологии, как критическое, можно
выделить главные причины, которые ведут к экологической катастрофе:
загрязнение, отравление среды обитания, обеднение атмосферы кислородом,
озоновые дыры.
Целью настоящей работы явилось обобщение литературных данных о
причинах и последствиях разрушения озонового слоя, а также способах решения
проблемы образования “озоновых дыр”.
1. Озон и его роль в природе
Химические и биологические особенности озона.
Озон является аллотропной модификацией кислорода. Его молекула
диамогнитна (в отличие от парамагнитной О2 ), имеет угловую форму
О
О О
¶ связь в молекулу является делокализованной трехцентровой, предполагается
также донорно-акцепторный механизм образования химических связей в озоне:
О О
О О О О
Характер химических связей в озоне обусловливает его неустойчивость (через
определенное время озон самопроизвольно переходит в кислород: 2О3 —>3О2)
и высокую окислительную способность (озон способен на ряд реакций в которые
молекулярный кислород не вступает). Окислительное действие озона на
органические вещества связанно с образованием радикалов: RH+ О3 RО2 +OH
Эти радикалы инициируют радикально цепные реакции с биоорганическими
молекулами (липидами, белками, нуклеиновыми кислотами), что приводит к
гибели клеток. Применение озона для стерилизации питьевой воды основано на
его способности убивать микробы. Озон не безразличен и для высших
организмов. Длительное пребывание в атмосфере, содержащей озон (например, в
кабинетах физиотерапии и кварцевого облучения) может вызвать тяжелые
нарушения нервной системы. Поэтому, озон в больших дозах является токсичным
газом. Предельно допустимая концентрация его в воздухе рабочей зоны –
0,0001 мг/литр. Загрязнение озоном воздушной среды происходит при
озонировании воды, вследствие его низкой растворимости.
1.2. Условия образования и защитная роль озонового слоя.
Известно, что основная часть природного озона сосредоточена в стратосфере
на высоте от 15 до 50 км над поверхностью Земли. Озоновый слой начинается
на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается
вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень
низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности
земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм. Озон образуется,
когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода
(О2 —> О3).
Больше всего озона в пятикилометровом слое на высоте от 20 до 25 км,
который называют озоновым. Концентрация озона в этом слое невелика, однако
общее его количество в стратосфере достигает очень внушительной цифры –
более 3 млрд тонн.
Образование озона из обычного двухатомного кислорода требует довольно
большой энергии – почти 150 кДж на каждый моль. Такая насыщенность озона
энергией делает его взрывоопасным. Как же образуется это вещество? Основная
реакция – взаимодействие обычного двухатомного кислорода с атомарным:
О2 + О О3.
Атомарный кислород – еще более насыщенное энергией вещество – образуется
при электрических разрядах в кислороде и воздухе, а в стратосфере
появляется под
действием постоянного и довольно мощного ультрафиолетового излучения
Солнца:
Образование озона происходит непрерывно одновременно с его расходованием:
O2+h O+O ; O+O3 2O2; O3+h
O2+O;
поэтому усредненная концентрация озона в течение длительного времени
оставалась постоянной. Процесс образования и разложение озона называют
циклом Чемпена. Результатом процессов в цикле является переход солнечной
энергии в теплоту. Озоновый цикл ответственен за повышение температуры на
высоте 15 км.
Защитная роль озонового слоя. Озон поглощает часть ультрафиолетового
излучения Солнца: причем широкая полоса его поглощения (длина волны 200–300
нм) включает и губительное для всего живого на Земле излучение.
Химические процессы в тропосфере.
В химических превращениях различных загрязняющих веществ в
тропосфере ключевое место занимает OH – радикал к образованию которого
ведут несколько процессов. Основной вклад дают фотохимические реакции с
участие озона: O3+h O2+O
O+H2O OH+OH
В образовании озона в тропосфере участвуют оксиды озона:
NO2+ h (L<400нм) NO+O
O+O2 O3
О влиянии фотохимических реакций на содержание озона в тропосфере
свидетельствует 50% уменьшение концентрации озона при солнечном затмении :
O3+NO NO2+O2 O3+NO2
NO3+O2
В образовании ОН радикалов на высоте 30 км. участвуют пары воды:
Н2О+h H+OH
H2O+O 2OH
Определённый вклад в образование ОН-групп в тропосфере могут давать
реакции фоторазложения HNO2, HNO3, H2O2
HNO2+h (L<400нм) NO+OH
HNO3+h (L<330нм) NO2+OH
H2O2+h (L<330нм) 2OH
В тропосферных процессах гидроксильный радикал играет ключевую роль в
окислении углеводородов:
RH+OH HOH+R
R+O2 RO2
RO2+HOH ROOH+OH
Наиболее типичным и основным по массе органических загрязнителем атмосферы
является CH4.Окисление CH4 под действием ОН протекает сопряженно с
окисление NO. Соответствующий радикально-цепной механизм включает общую для
всех тропосферных процессов стадию инициирования ОН и цикл экзотермических
реакций продолжение цепи, характерных для реакции окисления органических
соединений:
ОН+СН4 Н2О +СН3
СН3+О2 СН3О2
СН3О2+NО СН3О+NО2
СН3О+О2 СН2О+НО2
В результате реакция окисления СН4 в присутствии NО как катализатора и при
воздействии солнечного света с длиной волны 300-400нм запишется в виде
СН4+4О2 СН2О+Н2О+2О3
т.е. окисление метана (и других органических веществ) приводит к
образованию тропосферного озона. Скорость этого процесса тем больше, чем
выше концентрация NО. Расчеты показывают, что антропогенный выброс NО
удваивает приземную концентрацию О3, а рост утечки СН4 многократно
опережающий по темпам роста другие виды загрязнений тропосферы приводит к
ещё большему увеличению концентрации О3 по сравнению с переносом О3 из
стратосферы.
Рост приземной концентрации озона представляет опасность для зеленой
растительности и животного мира.
Образующийся при окислении метана формальдегид окисляется далее
радикалами ОН с образованием СО. Этот канал вторичного загрязнения
атмосферы моноксидом углерода сравним с поступление СО от неполного
сгорания ископаемого топлива.
ОН+СН2О Н2О+НСО
НСО+О2 НО2+СО
1.4. Причины образования “озоновой дыры”.
Летом и весной концентрация озона повышается; над полярными областями она
всегда выше, чем над экваториальными. Кроме того, она меняется по 11-
летнему циклу, совпадающему с циклом солнечной активности. Все это было уже
хорошо известно, когда в 1980-х гг. наблюдения показали, что над
Антарктикой год от года происходит медленное, но устойчивое снижение
концентрации стратосферного озона. Это явление получило название «озоновая
дыра» (хотя никакой дырки в собственном значении этого слова, конечно, не
было) и стало внимательно исследоваться.
Позднее, в 1990-е гг., такое же уменьшение стало происходить и над
Арктикой. Феномен Антарктической “озоновой дыры” пока не понятен: то ли
“дыра” возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли
это естественный геоастрофизический процесс.
Сначала предполагали, что на озон влияют частицы, выбрасываемые при
атомных взрывах; пытались объяснить изменение концентрации озона полетами
ракет и высотных самолетов. В конце концов было четко установлено, что
причина нежелательного явления – реакции с озоном некоторых веществ,
производимых химическими заводами. Это в первую очередь хлорированные
углеводороды и особенно фреоны – хлорфторуглероды, или углеводороды, в
которых все или большая часть атомов водорода, заменены атомами фтора и
хлора.
Хлорфторуглероды широко применяются в современных бытовых и промышленных
холодильниках (в России их поэтому называют «хладонами»), в аэрозольных
баллончиках, как средства химической чистки, а некоторые производные – для
тушения пожаров на транспорте. Используются они и как пенообразователи, а
также для синтеза полимеров. Мировое производство этих веществ достигло
почти 1,5 млн т.
Будучи легколетучими и довольно устойчивыми к химическим воздействиям,
хлорфторуглероды после использования попадают в атмосферу и могут
находиться в ней до 75 лет, достигая высоты озонового слоя. Здесь под
действием солнечного света они разлагаются, выделяя атомарный хлор, который
и служит главным «нарушителем порядка» в озоновом слое. CF2Cl2
CF2Cl+Cl
Последующие реакции CF2Cl с О2 и h приводят к отщеплению второго атома
хлора.
Хлор «съедает» и озон, и атомарный кислород за счет протекания довольно
быстрых реакций:
О3 + Сl = О2 + ClO
СlO + O = Cl + O2
Причем последняя реакция приводит к регенерации активного хлора. Хлор,
таким образом, даже не расходуется, разрушая озоновый слой.
Предполагается, что из-за разрушительного действия хлора и аналогично
действующего брома к концу 1990-х гг. концентрация озона в стратосфере
снизилась на 10%.
Озоноразрушающий потенциал некоторых веществ
| |Разрушающий потенциал|Продолжительнос|
| | |ть жизни |
| |(усл.ед) |(лет) |
|CFCl 1 |1.0 |75 |
|CFCl 2 |1.0 |111 |
|CFCl 3 |0.8 |90 |
|CCl 4 |1.0 |185 |
|C2FCl 5 |0.6 |380 |
|HCFCl 2 |0.05 |20 |
|Метилхлороформ |0.10 |6.5 |
|Четырехлористый углерод |1.06 |50 |
Венская конвенция. В 1985 году британские ученые обнародовали данные,
согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены
увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.
Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:
разрушение озонового слоя окисями азота - соединениями, образующимися
естественным образом на солнечном свету;
О3+NО NО2+О2
воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают
озон
разрушение озона соединениями хлора.
В 1987 г. был принят Монреальский протокол, по которому определили перечень
наиболее опасных хлорфторуглеродов, и страны-производители
хлорфторуглеродов обязались снизить их выпуск. В июне 1990 г. в Лондоне в
Монреальский протокол внесли уточнения: к 1995 г. снизить производство
фреонов вдвое, а к 2000 г. прекратить его совсем.
Сегодня уже разработаны и выпускаются экологически безопасные фреоны и их
заменители, но озоновый слой продолжает находиться в критическом состоянии:
Установлено, что на содержание озона оказывают влияние азотсодержащие
загрязнители воздушной среды.
2NО+О2 2NО2
О2+NО2 NО3+О2
NО3+NО2 N2О5
N2О5+Н2О 2НNО3
Происхождение NО, ОН и Сl в стратосфере возможно, как в результате
естественных процессов, так и в результате антропогенных загрязнений. Так,
NО образуется в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно запуск
ракет и сверх звуковых самололетов приводит к разрушению озонового слоя. В
любом двигателе внутреннего сгорания развиваются настоль высокие
температуры, что из атмосферного кислорода и азота образуется NО: N2+О2
2NО
Источником NО в стратосфере служит также газ N2О, который устойчив
в тропосфере, а в стратосфере распадается под действием
жесткого УФ-излучения
N2О+h (230нм) N2+О
N2O+O 2NO
Разрушение N2О в стратосфере осуществляется и по реакциям
N2О+h (250нм) N2+О
N2O+O N2+O2
Источники загрязнения атмосферы. Антропогенный фактор.
Широкое использование ископаемых богатств сопровождается выделением в
атмосферу больших масс различных химических соединений. Большинство
антропогенных источников сконцентрировано в городах, занимающих лишь
небольшую часть территории нашей планеты. В результате движения воздушных
масс с подветренной стороны больших городов образуется многокилометровый
шлейф загрязнений.
В развитых странах действует законодательство, направленное на
защиту воздушного бассейна. В результате значительно уменьшилась общая
загрязненность воздуха, однако выбросы, источником которого является
автомобильный транспорт возрастают. В США на его долю приходится 63%
выбросов углеводородов. Можно предполагать, что вклад транспорта в
загрязнение воздуха будет увеличиваться с рос-том численности автомобилей.
Вторым по мощности источником антропогенных органических загрязнителей
служит промышленное производство. Базовыми продуктами основного
органического синтеза являются этилен (на его основе вырабатывают почти
половину всех органических веществ), пропилен, бутадиен, бензол, толуол,
ксилолы и метанол. Вместе с немногими производными (этилбензол, стирол,
фенол, винилхлорид, акрилонитрил, фталевый ангидрид и терефталевая кислота)
они являются объектами крупнотоннажного производства. Эти полупродукты
используются в дальнейшем для выработки широкой номенклатуры других
органических соединений (свыше 40 тыс. наименований).
В выбросах предприятий химической и нефтехимической промышленности
присутствует широкий ассортимент загрязнителей: компоненты исходного сырья,
промежуточные, побочные и целевые продукты синтеза. Так, в газовых выбросах
заводов синтетических моющих средств содержатся алканы, а также
карбонильные соединения, эфиры, карбоновые кислоты. Заводы синтетического
каучука загрязняют воздух исходными мономерами и растворителями.
Предприятия лесохимической промышленности выделяют альдегиды, кетоны,
спирты и карбоновые кислоты, множество терпенов (терпены-углеводороды,
продукты жизнедеятельности растений молекулы которых построены из
изопреновых звеньев). Целлюлозно – бумажные комбинаты выбрасывают большие
количества дурнопахнущих газообразных веществ (одорантов), таких, как метил-
и диметилсульфиды, диметилдисульфиды, а также формальдегид, спирты и
фенолы.
Велики потери используемых в промышленности растворителей. На их долю
в индустриально развитых странах приходится 20-25% общей эмиссии
углеводородов. В США в конце 70-х годов в атмосферу выбрасывалось ежегодно
26,7 млн. т. углеводородов, из них примерно 5,2 млн. т. от промышленных
предприятий. В атмосферу поступает много летучих галогенуглеводородов
(метиленхлорида, хлороформа, четыреххлористого углерода, дихлорэтана, три-
и тетрахлорэтилена, винилхлорида ).
В качестве летучих компонентов (пропелентов) в аэрозольных упаковках
широко применяются фторхлоруглеводороды (фреоны). Для этих целей
использовалось около 85% фреонов и только 15% в холодильных установках и
установках искусственного климата. Специфика использования фреонов такова,
что 95% их количества попадает в атмосферу через 1-2 года после
производства. Считают, что почти всё произведённое количество фтортрихлор-
и дифтордихлорметана (5,27млн. т. и 7.75 млн. т. соответственно в 1981
году) рано или поздно должно поступить в стратосферу и включиться в
каталитический цикл разрушения озона.
Заметным источником органических загрязнителей атмосферы становится
коммунальное хозяйство городов (жилые и общественные здания, предприятия
тепло- и водоснабжения, химчистки, свалки). Хотя вклад этого источника в
суммарную антропогенную эмиссию невелика, отсюда поступают основные
количества опасных долгоживущих загрязнителей (например, диоксидов),
поэтому они участвуют в формировании глобального фона некоторых
органических экотоксикантов.
В выбросах вентиляционных систем жилых домов идентифицировано
более 40 токсичных и дурнопахнущих веществ: меркаптанов и сульфидов,
аминов, спиртов, предельных и диеновых углеводородов, альдегидов и
некоторых гетероциклических соединений. При сжигании в горелке кухонной
плиты 1м.куб. природного газа образуется до 150 мг формальдегида, а в сумме
в продуктах горения газа обнаружено 22 различных компонентов.
Источников одорантов служат сооружения по очистке сточных вод и
свалки твердых отходов. На городских свалках накапливаются огромные
количества бытовых отходов и мусора с высоким содержанием органических
веществ.
Геологические источники загрязнений
При составлении глобального баланса органической составляющей
атмосферы вклад геологических источников обычно не учитывался. Между тем
процессы дегазации мантии Земли сопровождаются выделением широкого спектра
органических соединений. Так, в пробах газов вулканов о-ва Кунашир и
Камчатки идентифицировано около 100 органических соединений с длиной цепи
до 12 углеродных атомов. Источников богатых углеводородами газов являются
грязевые вулканы, чаще всего встречающиеся в нефтеносных областях.
Земная кора содержит различные газы в свободном состоянии,
сорбированные разными породами и растворённые в воде. Часть этих газов по
глубинным разломам и трещинам достигают поверхности Земли и диффундирует в
атмосферу. О существовании углеводородного дыхания земной коры говорит
повышенное по сравнению с глобальным фоновым содержанием метана в приземном
слое воздуха над нефтегазоносными бассейнами.
Можно предположить, что дегазация недр планеты происходит
по всей ее поверхности, но наиболее интенсивно по бесчисленным разломам
коры. В связи с этим большой интерес представляет изучение спонтанных газов
гидротермальных источников в районах сейсмической активности. В результате
таких исследований в пробах газов было идентифицировано более 60
неорганических и органических соединений. Последние представлены
углеводородами, легколетучими карбонильными соединениями и спиртами,
галогенуглеводородами.
Впервые получены данные о присутствии в геологических
выделениях летучих галогенуглеводородов представляют наибольший интерес.
Они показывают, что концентрации CFCL3 в вулканических газах в 2,5-15 раз
больше их содержания в морском воздухе. Для хлороформа и CCl4 эта разница
достигла 1,5-2 порядка величины. К сожалению, пока ещё отсутствует надежные
данные об этих масштабах геологической эмиссии галогеноуглеводородов,
равно как и других ЛОС, включая метан.
Проведенные исследования показали, что в газах вулканов
Никарагуа содержится заметные количества HF. Анализ проб воздуха,
отобранных из кратера вулкана Масайя, также показали наличие в них фреонов
наряду с другими органическими соединениями. Присутствуют
галогенуглеводороды и в газах гидротермальных источниках. Эти данные
потребовали доказательств того, что обнаруженные фторуглеводороды не имеют
антропогенного происхождения. И такие доказательства были получены. Фреоны
были обнаружены в пузырьках воздуха антарктического льда возрастом 2000
лет. Специалистами НАСА
|
