Озонова дірка. Вимірювання озону

 

Основна маса озону атмосфери (близько 90%) міститься в стратосфері на висоті 10...50 км з максимумом на висоті 20...25 км. Решта озону зосереджена в тропосфері. Слід зазначити, що незважаючи на незначну концентрацію озону (одна молекула озону припадає на мільйон молекул повітря), він здатний поглинати ультрафіолетове сонячне випромінювання: майже все випромінювання УФ-С області (200...300 нм) та частину випромінювання УФ-В області (280...320 нм). Саме УФ-В область призводить до еритеми, небезпечних генетичних порушень в організмі людини, раку шкіри. Короткохвильове (<270 нм) ультрафіолетове випромінювання здатне розщепити молекулу кисню О2 на синглетний кисень О, що взаємодіє з О2 і утворює озон О3. Загалом, озоновий шар - це ефективний фільтр для сонячного ультрафіолетового випромінювання в ділянці 280...320 нм, в якій поглинають біологічно важливі молекули білків і нуклеїнових кислот.

 

У стратосфері під впливом сонячного випромінювання відбуваються такі процеси:

 

1) Взаємодія короткохвильового (λ<240 нм) випромінювання з молекулою озону, що зумовлює появу атомарного кисню:

 

02 + hv → 0 + O (10.1)

 

2) Взаємодія атомарного кисню з молекулярним:

 

О + 02 + М → 03 + М (10.2)

 

де М - якась інша молекула (звичайно азот або кисень).

 

3) Взаємодія довгохвильового (λ = 300...315 нм) випромінювання з озоном, що викликає зворотне перетворення останнього:

 

03 + hv → 02 + О (10.3)

 

Крім того, з озоном реагують присутні в стратосфері хлор, азот, бром та водень, що призводить до руйнування озону внаслідок таких реакцій:

 

X + 03 → О2 + ХО (10.4)

 

ХО + 0 → X + 02 (10.5)

 

де X - хімічний реагент.

 

Озонова дірка утворюється в шарі стратосферного озону, дуже чутливого до впливу різних сполук, що містять хлор, навіть при незначних концентраціях останнього. Щодо механізму утворення озонової дірки нема єдиної думки. Є дві версії стосовно причин виникнення цього явища.

 

Одні вчені вважають, що озоновий шар руйнується внаслідок послаблення потоку ультрафіолетового випромінювання, необхідного для утворення озону, наприкінці року.

 

Інші стверджують, що озоновий шар руйнується через потрапляння в атмосферу хлорфторвуглеців (фреонів), використовуваних як холодоагенти та розпилювачі в холодильних установках, вогнегасниках, аерозольних виробах.

 

У 1985 р. було прийнято Віденську конвенцію із захисту озонового шару, а у 1987 р. у Монреалі підписано міжнародний протокол щодо речовин, які руйнують озоновий шар. У 1988 р. Україна приєдналася до Віденської конвенції, підписала доповнення та поправки до Монреальського договору. В Україні нині працює мережа станцій спостереження за озоновим шаром. Глобальні вимірювання рівня озону за допомогою супутників протягом 1979...1993 pp. свідчать про істотне збільшення ультрафіолетового опромінювання в високих і середніх широтах обох півкуль. Зменшення озонового шару тривало до 1998 p., після чого прогнозується його поступове відновлення.

 

Вимірювання озону

 

Одиниці Добсона використовують для вимірювання «товщини» озонового шару. Якщо уявити, що всі молекули озону, присутні в стратосфері, можна зібрати на поверхні (при нормальних тискові та температурі), то товщина цього шару дорівнюватиме 3 мм. Ця кількість озону відповідає 300 DU (одиницям Добсона).

 

Озоновий зонд - прилад, що встановлюється на повітряній кулі з газом, яка підіймається на висоту до 35 км. Він містить озоновий сенсор, джерело живлення, газову помпу та радіопередавач. Під час польоту кулі, повітря з озоном пропускається за допомогою помпи через розчин, окислення якого озоном зумовлює появу електричного струму, що реєструється. Величина цього струму пропорційна потоку озону і, таким чином, його концентрації.

 

Принцип дії озонового сенсора полягає в реалізації реакції озону з йодидом калію КІ, результатом якої є утворення вільного йоду:

 

2КІ + 03 → 2КОН + І2 + О2 (10.6)

 

Утворення йоду порушує стан електричної рівноваги в розчині, що викликає потік електронів. Кількість озону Роз (парціальний тиск озону в нанобарах) пов’язана з величиною електричного струму І співвідношенням:

 

Роз = КІТпІ, (10.7)

 

де К - константа,

 

Тп - температура помпи,

 

І - час проходження 100 мл повітря через систему.

 

Розглянемо основні типи озонових зондів.

 

Озоновий зонд Брюмера - Macma містить одну електрохімічну камеру з срібним анодом і платиновим електродом, зануреними у лужний розчин йодиду калію. До електродів прикладають напругу 0,42 В. Йод, що утворюється відповідно до реакції, надходить до платинового катода і перетворюється на йодид з захопленням двох електронів на кожну молекулу йодиду

 

I2 + 2e – Pt → 2І- (10.8)

 

На аноді відбувається вивільнення двох електронів за іонізації атомів срібла:

 

2Ag → 2Ag+ + 2e (10.9)

 

 

Таким чином, кожна молекула озону, що потрапляє в камеру, викликає появу пари електронів у зовнішньому ланцюзі зонда.

В озоновому зонді ЕКК використовують електрохімічну концентраційну камеру (ЕКК), яка складається з двох відсіків, що виконують функції катода й анода. Обидва відсіки містять платинові електроди та розчин КІ при різних концентраціях. Камери з’єднуються іонним містком для замкнення електричного ланцюга та запобігання змішуванню електролітів катода й анода. Зонд цього типу не потребує зовнішньої напруги - процеси руху електронів здійснюються завдяки електрорушійній силі, що виникає за різних концентрацій у відсіках.

 

Вуглецева-йодний зонд відрізняється від розглянутих вище конструкцій тим, що платинова сітка використовується як катод, а активований вуглець - як анод, на якому відбувається вивільнення електронів за такою реакцією

 

С + 20Н- → СО + Н2О + 2е (2.10)

 

 

1. Парниковий ефект і вимірювання його впливу

 

Внаслідок господарської діяльності людини в атмосфері збільшується вміст вуглекислого газу (CO), закису азоту (N2O), метану (СН4), галагенопохідних вуглеводнів і тропосферного озону (О3).

 

Метан потрапляє в атмосферу внаслідок діяльності мікроорганізмів у болотистих ґрунтах або в системах травлення травоїдних тварин, а також при спалюванні палива, сміття, добуванні вугілля.

 

Закис азоту надходить як результат діяльності мікроорганізмів у ґрунті й воді, через виробництво й застосування азотних добрив у сільському господарстві.

 

Специфічною особливістю цих газів є те, що вони поглинають оптичне випромінювання в інфрачервоній області спектра. Справа в тому, що сонячне випромінювання є короткохвильовим, тоді як випромінювання земної кулі - довгохвильовим. Сонячне випромінювання проникає крізь атмосферу і нагріває земну поверхню. Інтенсивність сонячного випромінювання становить 1368 Вт/ м2 (сонячна стала); якщо врахувати, що площа земної поверхні S = πR2(де R - радіус земної кулі), а також альбедо земної поверхні а = 0,3, то кількість сонячної енергії, отримуваної земною поверхнею, буде дорівнювати

 

1368 Вт/ м2 (1 - 0,3)πR2.

 

Водночас енергетична світність земної поверхні, дає змогу оцінити кількість енергії, що посилається земною поверхнею у вигляді інфрачервоного випромінювання. Враховуючи баланс між сонячним випромінюванням, що сягає земної поверхні, та інфрачервоним випромінюванням її поверхні, можна визначити, що температура земної поверхні має бути 253 К. Але насправді, як очевидно, ця температура не відповідає реальній ситуації. Справжня температура земної поверхні близько 288 К. Причиною такої температурної різниці є парниковий ефект.

 

Теплове довгохвильове випромінювання Землі поглинається атмосферними газами (СО2, Н2О, СН4,), що зумовлює нагрівання при поверхневого шару атмосфери, оскільки ці гази відіграють роль віконного скла у парнику. Внаслідок цього ефекту порушується тепловий баланс; цілком імовірним є підвищення глобальної температури поверхні Землі внаслідок зміни концентрації парникових газів, що може призвести до зміни клімату.

 

Розглянемо кілька методичних прийомів кількісної оцінки можливого впливу парникового ефекту.

 

Вимірювання температури морської поверхні як з борту океанських суден, так і супутників за допомогою інфрачервоних і надвисокочастотних радіометрів дає змогу оцінити електромагнітне випромінювання, що посилається та відбивається морською поверхнею, а також посилається та поглинається атмосферою (у разі використання супутників). Моделювання цих процесів приводить до точних оцінок глобальних змін температури навколишнього середовища.

 

Оцінка глобального нормалізованого диференційного вегетаційного індексу (НДВІ). Для встановлення функціональних зв’язків між вегетаційними характеристиками рослин, що перебувають у стресових умовах, і спектральними параметрами цих рослин доцільно вживати так звані спектральні вегетаційні індекси як суму, різницю або відношення спектральних параметрів, визначених на певних аналітичних довжинах хвиль. Нормалізований диференційний вегетаційний індекс визначається як:

 

НДВІ = (NIR - RED)/(NIR + RED) (11.1)

 

Тут NIR відповідає ближній інфрачервоній області спектра (750…1359 нм), в якій мезофільні структури рослини відповідають за відбивання випромінювання, a RED - червоній області видимого спектра (600…700 нм), з якою пов’язане поглинання оптичного випромінювання хлорофілом. Перевагою цього індексу є близька до лінійної залежність його величини від кількості рослинної продукції, що залежить від температури.

 

Визначення концентрації атмосферних газів дає змогу оцінити випромінювальний баланс Землі, температуру земної поверхні, температурний профіль атмосфери та фізичні властивості хмар. Перспективним методом кількісної оцінки атмосферних газів є спектроскопія на основі Фур’є перетворення.

 

Вимірювання температури при поверхневого шару ґрунтується на оцінці інфрачервоного випромінювання, що надсилається системою «земна поверхня-атмосфера» на 19 спектральних ділянках в межах 3,7...15 мкм, а також надвисокочастотного випромінювання на чотирьох ділянках близько 50 МГц спектра випромінювання кисню. Комбінація двох спектральних областей дає можливість обмежити вплив хмарності та точніше оцінити температуру приповерхневого шару атмосфери.

 

 

2. Водний баланс атмосфери. Параметри опадів

 

 

Водний баланс атмосфери - то кількість опадів, що випадають на земну поверхню та вологи, що випаровується з цієї поверхні. Вода випаровується з поверхні океанів, ґрунту, озер та річок, переноситься вгору повітряними потоками, конденсується з утворенням хмар і врешті-решт повертається на земну поверхню у вигляді опадів. Таким чином, випаровування, конденсація й опади є основними процесами гідрологічного циклу. Процес випаровування буде розглянуто у лекції «Едафічні фактори», тоді як процеси конденсації та опадів відбуваються саме в атмосфері.

 

Конденсація - це процес переходу речовини в результаті охолодження або стиснення з газоподібного стану в конденсований (рідкий або твердий). Насичена пара в атмосфері конденсується на дрібних частинках - так званихядрах конденсації. Залежно від температури Та атмосфери утворюються краплі води (Та < 273,2 К) або частинки льоду (Та< 233 К), розміри яких не перевищують 2 мкм. Ці краплі та частинки, що формують хмари, здатні зростати за розмірами, що приводить до опадів - дощу, снігу, граду, роси, паморозі, туману.

 

Розглянемо основні параметри опадів - твердих або рідких продуктів конденсації водяної пари, що падають з хмар чи осаджуються з повітря на земну поверхню.

 

Кількість опадів, що випали, вимірюють товщиною (в міліметрах) того шару, який би утворився на земній поверхні, коли б опади не стікали, не випаровувалися і не просочувалися в грунт.

 

Інтенсивність опадів відповідає кількості опадів у міліметрах, що випадає за 1 хв. За інтенсивністю опади поділяються на слабкі, помірні та сильні. Якщо інтенсивність опадів перевищує 1 мм за 1 хв., такі опади відносять до злив.

 

Тривалість опадів - параметр, що характеризує, як довго тривають опади.

 

Треба розрізняти ці параметри - помірний дощ протягом доби може дати 120 мм опадів, тоді як під час зливи цю кількість опадів можна зареєструвати за 20 хв. Отже, кількість опадів у розглянутих двох прикладах однакова, а інтенсивність і тривалість - різні.

 

2. 1. Вимірювання опадів

 

Дощомір складається з ємності, відкритої зверху, що містить два елементи - колектор і приймач (рис. 11.1). Колектор має циліндричну або конусоподібну форму; площа отвору його близько 400 см2. Приймач обладнано шкалою для вимірювання зібраної води. Для запобігання випаровуванню на поверхню води наносять шар нафти товщиною 5 мм.

 

Нахилені черпаки використовують на автоматизованих станціях за спостереженням погоди. Вони складаються з двох черпаків трикутної форми, з’єднаних з одного боку. Вся конструкція може обертатися навколо горизонтальної осі (рис. 11.2). Під час дощу один з черпаків заповнюється водою та перекидається; з цього моменту починає заповнюватися інший черпак. Невеликий магніт виконує функції контакту, що замикає електричний ланцюг. Кількість опадів відповідає кількості замикань ланцюга, тоді як час між двома замиканнями дає змогу оцінити інтенсивність дощу.

 

Сифонний дощомір - циліндричний резервуар, обладнаний поплавком, з’єднаний з пером самопису (рис. 11.3). За допомогою сифона резервуар звільнюється від води, коли кількість її сягає певного рівня, і перо самопису повертається в початковий стан.

 

Ваговий опадомір ґрунтується на постійному контролі ваги води, зібраної в контейнері за допомогою вимірювальної системи. Цей тип приладу використовують для оцінки твердих опадів.

 

Ваговий опадомір ґрунтується на постійному контролі ваги води, зібраної в контейнері за допомогою вимірювальної системи. Цей тип приладу використовують для оцінки твердих опадів.

 

 

2.2. Кислотні дощі

 

Кислотні дощі виникають унаслідок природних та індустріальних викидів оксидів сірки та азоту в атмосферу, де вони перетворюються на частинки сульфатів і нітратів, що змішуються з водяною парою й утворюють сірчану та азотну кислоти, які повертаються на земну поверхню седиментації або у вигляді опадів. Сірка потрапляє в атмосферу в результаті руйнування біосфери, вулканічної діяльності, випаровування води з поверхні океанів. Азот надходить в атмосферу за ґрунтової емісії окису азоту, грозових розрядів, горіння біомаси, спалювання природного палива, роботи двигунів внутрішнього згорання, активності транспорту. Всі ці гази поширюються у вертикальних і горизонтальних напрямках; під час цих переміщень забруднюючі речовини зазнають певних фізико-хімічних перетворень за індукованих сонячним світлом хімічних реакцій.

 

Результатом цих реакцій є утворення сірчаної або азотної кислот.