Формирование и разрушение озонового экрана

Озон в стратосфере – это продукт воздействия самого ультрафиолета (УФ) на молекулы кислорода (О₂). В результате некоторые из них распадаются на свободные атомы, а те в свою очередь могут присоединяться к другим молекулам кислорода с образованием озона О₃ (рис.3.2). Однако весь кислород не превращается в озон, так как свободные атомы О, реагируя с молекулами озона, дают две молекулы О₂. Таким образом, количество озона в стратосфере не статично; оно представляет собой результат равновесия между этими двумя реакциями.

 

Рис. 3.2. Формирование и разрушение озонового экрана

Однако в 1970-е гг. ученые предположили, что свободные атомы хлора катализируют процесс разложения озона. А люди невольно поставляют такие атомы в стратосферу десятилетиями. Основным источником атомов хлора являются хлорфторуглероды (ХФУ). Когда-то они рассматривались как идеальные для практического применения вещества, поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит, не токсичны (табл.3.2). Как это не парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их врагами стратосферного озона. Инертные газы не распадаются быстро в тропосфере и проникают в стратосферу, верхняя граница которой на высоте 50 км. Когда молекулы этих веществ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетовой радиации, которая не проникает на меньшие высоты из-за блокирующего действия озона.

Таблица 3.2

Виды использования ХФУ

Область использования ХФУ	Доля от общего использования, %
Пропелленты аэрозолей
Растворители для чистки металлических поверхностей и деталей электронных устройств
Стерилизация медицинского оборудования и инструментов
Производство пенопластов и пеноизоляции
Торговые и бытовые холодильники
Кондиционеры в транспортных средствах
Неучтенное производство

УФ – излучение разрушает ХФУ, высвобождая атомы хлора Сl (рис.3.3). Свободные атомы хлора затем вступают в реакцию с озоном:

Cl + О₃ = ClO + O₂,

ClО + О = Cl + O₂

и в результате получается

О + О₃ = 2О₂.

Озон

Рис.3.3. Разрушение озонового экрана

Оценки степени уменьшения толщины озонового слоя заметно различаются между собой в зависимости от полноты учета всех факторов: от 3% до 7% (через 20-40 лет).

Для предотвращения возможной глобальной экологической катастрофы, разработана комплексная программа, включающая:

Ø наблюдение за озоновым слоем и измерение полей ультрафиолетового излучения в тропосфере и на поверхности Земли;

Ø углубленное изучение процессов, определяющих образование и разрушение озона в атмосфере;

Ø определение влияния изменения концентрации озона на климат и биосферу;

Ø анализ основных причин его разрушения, как антропогенного, так и естественного происхождения;

Ø поиск научно-технических мероприятий, направленных на восстановление озонового слоя Земли;

Ø анализ эффективности и экологической безопасности различных методов его восстановления.

Мероприятия, направленные на восстановление озонового слоя Земли, можно разделить на пассивные и активные. К пассивным относятся меры по уменьшению или полному исключению промышленных выбросов веществ, прямо и косвенно разрушающих озон в атмосфере. Так как помимо ХФУ к таким веществам относятся оксиды азота, водорода, серы, углерода, метан и другие соединения, то понятно, что эти мероприятия уменьшат антропогенное загрязнение атмосферы и улучшат общую экологическую обстановку. Именно им сейчас и уделяется большее внимание. Однако пассивные методы, хотя и позволяют уменьшить вредное воздействие антропогенных факторов на озоновый слой, все таки не решают проблемы в целом. Поэтому необходимы исследования и по активным методам, основанным на сложных физико-химических процессах, способствующих либо уменьшению скорости разрушения озона в стратосфере, либо ускорению его образования. Из опубликованных в научной литературе серьезных предложений по активным методам воздействия для сохранения озонового слоя Земли, по-видимому, особое внимание следует обратить на метод инжекции в атмосферу над Арктикой этана или пропана (связывание атомарного хлора) и использование озонаторов.

В настоящее время существуют другие гипотезы причин разрушения озонового слоя, однако теория, изложенная выше, считается в мире основной.

Кислотные дожди

Кислотными называют любые осадки – дожди, туманы, снег, кислотность которых превышает нормальную. К ним также относят выпадение из атмосферы сухих кислых частиц, более узко называемых кислотными отложениями. Чтобы понять существо проблемы, в первую очередь необходимо кое-что знать о природе кислотности.

Понятие кислотности

Кислотные свойства (кислый вкус и разъедание твердых материалов) обусловлены присутствием чрезвычайно активных ионов водорода, т.е. атомов водорода без электронной оболочки. Все кислоты диссоциируют, т.е. распадаются на ионы водорода и отрицательный ион кислотного остатка. Чем больше концентрация водородных ионов в растворе, тем выше его кислотность.

Для характеристики кислотности воды обычно пользуются не концентрацией ионов водорода, а ее отрицательным десятичным логарифмом – водородным показателем рН:

рН = – lg [Н ].

Вследствие логарифмической зависимости между значением рН и концентрацией ионов водорода десятикратное изменение концентрации соответствует изменению рН на единицу. Концентрация ионов водорода может изменяться в интервале от 10 до 10^-14. Таким образом рН принимает значения от -1 до 14 (рис.3.4).

Рис. 3.4. Шкала pH

Источники кислотных осадков

Установлено, что из-за углекислого газа, находящегося в атмосфере, и попавших туда естественным путем микроэлементов вода осадков может быть кислой и без воздействия человека (рН=5,6), т.е. существует «естественный кислотный дождь».

Химический анализ кислотных осадков показывает присутствие серной и азотной кислот. Обычно кислотность на две трети обусловлена первой из них и на одну треть – второй. Присутствие в этих формулах серы и азота показывает, что проблема связана с выбросом этих элементов в воздух. В результате деятельности человека соединения серы и азота попадают главным образом в виде оксидов. Среди источников SO₂ соединения на первом месте стоит уголь, сжигаемый в зданиях и на электростанциях, который дает 70% антропогенных выбросов. Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т.д.).

Загрязняющие вещества, выделяющиеся из источников, близких к поверхности Земли, естественно, не задерживаются на одном месте, а распространяются в вертикальном и горизонтальном направлениях, частично преобразовываясь при этом. Механизм превращения оксида серы в серную, окислов азота в азотную кислоты в атмосфере достаточно сложный и не будет рассматриваться в данном пособии.

Согласно данным об общих объемах выбросов диоксида серы и оксидов азота из разных источников, кислотные осадки связаны в первую очередь с работой угольных электростанций, транспорта и промышленных предприятий. Так как кислотность осадков на две трети обусловлена диоксидом серы, а три четверти этого вещества выбрасываются в воздух угольными электростанциями, их работой объясняется более 50% кислотных осадков.

Влияние кислых осадков на окружающею среду и на
человека (рис.3.5).

1. Влияние на водные экосистемы. Значение рН среды черезвычайно важно, так как от него зависит деятельность почти всех ферментов, гормонов и других белков в организме, регулирующих метаболизм, рост и развитие. На крупные виды незначительные изменения рН внешней среды могут и не оказывать сильного влияния, так как метаболизм поддерживает внутренний рН на должном уровне, а кожа обеспечивает белее или менее надежную защиту от нарушений. Однако молодь водных обитателей защищена недостаточно. При изменении реакции воды всего лишь на одну единицу рН, по сравнению с оптимумом, она в большинстве случаев испытывает серьезный стресс и часто погибает. Когда среда водных экосистем подкислена, практически все организмы быстро вымирают, если не из-за прямого воздействия ионов водорода, то из-за невозможности размножения.

2. Влияние на растительность. Наряду с гибелью озер становится очевидной и деградация лесов. Многие ученые считают кислотные осадки, как и озон, одной из важнейших причин деградации лесов, так как обнаружены следующие пути их влияния на растительность:

Ø нарушение поверхности при прямом контакте;

Рис. 3.5. Влияние кислотных осадков на окружающую среду и на человека

Ø вымывание биогенов (ионы водорода легко вытесняют ионы биогенов с частиц почвы и гумуса);

Ø мобилизация алюминия и других токсичных элементов (под действием кислот разрушаются соединения токсичных веществ, высвобождая их в раствор).

3. Влияние на людей и изделия. С точки зрения неспециалиста, одно из наиболее ощутимых последствий кислотных осадков –разрушение произведений искусства. Известняк и мрамор – излюбленные материалы для оформления фасадов зданий и сооружения памятников. Взаимодействие кислоты и известника приводит к их очень быстрому выветриванию и эрозии. Памятники и здания, простоявшие сотни и даже тысячи лет лишь с незначительными изменениями, сейчас растворяются и рассыпаются в крошево.