Озоновая дыра

Эта статья прошла проверку экспертом
Эта статья выставлена на рецензию
Материал из «Знание.Вики»
Крупнейшая в истории Земли озоновая дыра по масштабам (сентябрь 2000 года)

Озо́новая дыра́ — локальное падение концентрации озона в озоновом слое Земли. Под «озоновыми дырами» понимают пространство в стратосфере Земли со значительно пониженным содержанием озона, по сравнению с многолетней нормой его концентрации.

Озоновый слой очень тонкий. Если весь озон, находящийся в атмосфере, переместить к поверхности Земли, то он образовал бы плёнку толщиной от 2 мм у экватора до 4 мм у полюсов. Однако и это имеющееся количество озона надежно защищает живые организмы от мощного ультрафиолетового излучения Солнца[1].

В настоящее время подтверждено, что слой озона над нашей планетой истощается, а это может вызвать изменение теплового и водного баланса планеты, растительного покрова, увеличить количество таких заболеваний как рак кожи и привести к прекращению существования человека как биологического вида[2].

Образование озона в атмосфере

Преобразования озона в озоновом слое: 1. Кислород фотолизуется до атомарного кислорода; 2. Кислород и озон непрерывно преобразуются друг в друга. Ультрафиолетовое излучение солнца разрушает озон; молекулярный и атомарный кислород объединяются. 3. Озон теряется в результате реакции с атомарным кислородом.

Озон образуется в атмосфере во время грозы, а также в верхних слоях атмосферы при реакции молекулярного кислорода О2 с атомарным кислородом О, являющимся продуктом диссоциации О2 под действием ультрафиолетового излучения Солнца[3]. Энергия коротковолнового ультрафиолетового облучения Солнца поглощается кислородом О2, и используется им для фотохимической реакции образования озона из кислорода — фотохимической диссоциации молекул кислорода. При этом образуется атомарный кислород под воздействием солнечного излучения в пределах 170—290 нм:

О2 (г.) + hv → 2 O●(г.).

Эта реакция фотохимической диссоциации молекул кислорода эндотермическая (проходит с поглощением энергии) с ΔН0298 = 249 кДж / моль. Образующийся атомарный кислород взаимодействует с молекулярным кислородом с образованием молекул озона. Дезактивация молекул озона проходит при их столкновении с молекулами кислорода или азота. Реакция образования озона также эндотермическая с ΔН0298 = 142,7 кДж/моль:

О2 (г.) + О●(г.) → O3(г.).

Вследствие этих фотохимических реакций на высоте 25 — 40 км и образуется озоновый слой с максимальной концентрацией озона 1018 — 1019 молекул в м3. Благодаря ему к поверхности Земли доходят лишь длинноволновые лучи УФ-А, к влиянию которых организм человека уже приспособился, синтезируя в коже слой меланина (загар)[4].

Поперечное сечение озонового слоя Земли

Значение озона в атмосфере

Вся жизнь на Земле зависит от энергии Солнца, поступающей в виде лучей видимого света — длинноволновых (инфракрасных и тепловых) и коротковолновых (ультрафиолетовых). Последние обладают наибольшей энергией и влияют на живую природу. Их действие зависит от длины волн (чем она меньше, тем больше энергия) и проявляется в разрыве молекул белков, негативных мутаций.

На Землю поступает три вида ультрафиолетовых излучений: УФ-А (длина волн 400—315 нм), УФ-В (315—280 нм) и УФ-С (280 нм и ниже). Самыми опасными являются УФ-В и УФ-С излучения.

В давние геологические эпохи, когда в атмосфере Земли практически не было кислорода и озона, из-за пагубного влияния ультрафиолетового излучения Солнца жизнь могла развиваться только в океане под защитой слоя воды. Именно озоновый слой защищает всю биосферу от пагубного влияния коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. Наличие в стратосфере на высоте 25 — 30 км озонового слоя определённым образом влияет и на климат нашей планеты[5].

Причины разрушения озонового слоя

Основной причиной разрушения озонового слоя является поступление в стратосферу фреонов и оксида азота вследствие промышленной деятельности человека. Фреоны — полностью замещённые фторхлорпроизводные углеводороды, широко используют как хладагенты, распылители в аэрозольных упаковках, а также образуются как побочные продукты, например, при электролизе металлов на графитовых анодах из расплавов фторидов и хлоридов. Самые распространённые: фреон — 11 (CFCl3) и фреон — 12 (CF2Cl2). По подсчётам учёных в атмосферу в течение 1958 —2000 годов выброшено около 2,9 × 106 т фреона — 11 и 4,4 × 106 т фреона — 12.

Химические реакции превращения озона в стратосфере

На высоте озонового слоя молекулы фреонов под действием ультрафиолетового излучения разлагаются с образованием атомарного хлора по реакции:

CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl;

CF2Cl2 + hν → CF2Cl + Cl.

Атомарный хлор далее взаимодействует с озоном:

Cl + O3 → ClO + O2.

Образующийся оксид хлора может реагировать с атомарным кислородом или оксидом азота, снова образуя атомарный хлор и вызывая цепную реакцию распада озона. Следовательно, при наличии в стратосфере оксида азота и фреонов также может возникать синергетический эффект распада озона:

ClO + O → Cl + O2;

CIO + NO → Cl + NO2.

Оксиды азота попадают в стратосферу, например, при запуске ракет. Разложение озона оксидом азота происходит по реакции:

NO + O3 → NO2 + O2.

Кроме этого, озон поглощает и определённую часть (до 20 %) инфракрасного излучения Земли, благодаря чему он, как и углекислый газ, значительно влияет на тепловой баланс планеты[6].

И всё же, в настоящее время к единому мнению о причинах появления озоновых дыр учёные ещё не пришли, мнений о факторах, влияющих на истощение озонового слоя, в настоящее время достаточно[7]. Однако известно, что ряд химических элементов, вступая в реакцию с озоном, разлагают его на кислород, аналогично приведённым выше реакциям. К таким химическим элементам относятся хлорфторметаны, которые широко используются в промышленности (как хладагенты в холодильниках и для очистки микросхем) и в быту (лаки, краски и духи в аэрозолях). Ежегодно выпускают несколько миллионов тонн фреонов, безопасных для человека, но очень устойчивых в биосфере (они сохраняются в атмосфере до 80 лет). Попадая в стратосферу, под воздействием УФ-излучения Солнца, их молекулы распадаются, высвобождая атомы хлора, которые являются сильным катализатором и разлагают затем атомы озона до кислорода (один атом хлора может разложить 100 тысяч атомов озона)[8].

Но не только промышленные фреоны — источники возникновения озоновых дыр. В последние годы установлено, что выбросы космических ракет и реактивных высотных самолётов могут приводить к разрушению стратосферного озона и на долю этих источников приходится до 10 % разрушенного озона. Твёрдое топливо (гептил — несимметричный диметилгидразин), которое используется в космических носителях, при сгорании образует значительные количества оксидов азота (II), которые могут легко вступать в реакцию с озоном:

(CH3)2N-NH2 + 5 O2 (горение) → 2 CO2 + 2 NO + 4 H2O;

NO + O3 → NO2 + O2.

Так, запуск одного космического самолёта типа «Шаттл», приводит к разрушению до 10 млн тонн озона. Подсчитано, что 300 запусков «Спейс Шаттлов» подряд могли бы полностью разрушить весь озоновый слой Земли[9].

Проблема сохранения озонового слоя Земли

Проблема сохранения озонового слоя Земли является приоритетной проблемой выживания биосферы в целом, и человечества в частности. Явление образования озоновых дыр является частью сложной экологической проблемы — истощения озонового слоя Земли. Эта экологическая проблема представляет прямую угрозу биосфере Земли, ведь рост потока ультрафиолетового излучения, достигающего земной поверхности, создает опасность всему живому. По данным Всемирной организации здравоохранения, уменьшение содержания озона в стратосфере на 1 %, приводит к росту заболеваемости людей раком кожи на 6 %, катаракты глаз — на 4 % и это сопровождается значительным ослаблением иммунной системы человека. Эта проблема касается и всего животного мира.

На представителей растительного мира рост интенсивности ультрафиолетового излучения влияет по-иному. Проведённые научные исследования доказывают, что при росте интенсивности ультрафиолетового излучения будет наблюдаться нарушение обмена веществ в растениях. Это может стать причиной гибели фитопланктона Мирового океана. Последствия этих процессов могут быть катастрофическими. Во-первых, нарушение обмена веществ в растениях вызовет уменьшение урожайности сельскохозяйственных культур, что обострит пищевую проблему настоящего. Кроме того, возможны нежелательные мутации у вредителей этих растений. Во-вторых, гибель фитопланктона Мирового океана приведёт к нарушению глобального баланса диоксида карбона и кислорода.

Учёные обеспокоены тем, что в последние годы озоновый слой над Антарктидой настолько уменьшился, что образовалась дыра, в которой содержание озона на 40 — 50 % меньше обычного. Эта дыра появляется в антарктическую зиму (с августа до октября), затем её размеры уменьшаются. Сегодня обнаружено, что она не затягивается летом, и её площадь превышает площадь материка Антарктида. В то же время наблюдают повышение ультрафиолетового фона в странах, расположенных в Южном полушарии ближе к Антарктиде, где врачи констатируют рост заболеваний, вызванных УФ-излучением (рак кожи, катаракта глаз). Недавно озоновая дыра (меньшего размера) обнаружена и в Северном полушарии над Шпицбергеном[10].

Из приведенных данных видно, что проблема сохранения озонового слоя Земли должна решаться на международном уровне и её следует рассматривать как приоритетную. В 1985 году в городе Вена (Австрия) представители 197 стран подписали Конвенцию об охране озонового слоя, которая в 1987 году была ратифицирована. 16 сентября 1987 года в Монреале (Канада) правительствами большинства стран мира был подписан и вступил в силу 1 января 1989 года Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой, по которому все страны обязались до начала XXI века уменьшить использование фреонов (на 50 %) и других химических веществ, разрушающих озоновый слой, чтобы в дальнейшем совсем отказаться от их производства и использования[11].

Примечания

  1. ↑ Звягинцев А. М., Иванова Н. С., Кузнецова И. Н. и др. Мониторинг общего содержания озона и УФ облучённости: основные результаты // ПЭММЭ : журнал. — 2017. — Т. ХХVIII, № 6. — С. 85—98.
  2. ↑ Андреев В. В. и др. Российские исследования атмосферного озона и его предшественников в 2019-2022 гг. // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. — 2023. — Т. 59, № 7. — С. 1034—1060.
  3. ↑ Шаманский Ю. В., Потёмкин В. Л. Приземный озон и электрическое состояние атмосферы // Известия Иркутского государственного университета. — 2011. — Т. 4, № 1. — С. 213—220.
  4. ↑ Звягинцев А. М., Варгин П. Н. Российские исследования озонового слоя в период 2014-2016 гг. // Труды Гидрометцентра России : журнал. — 2017. — Вып. 365. — С. 101—117.
  5. ↑ Кашкин В. Б. Стратосферный озон: вид с космической орбиты: монография. — Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2015. — С. 11—18. — 184 с.
  6. ↑ Смышляев С. П. Теоретическое исследование естественных и антропогенных воздействий на долгопериодную изменчивость атмосферного озона. — СПб.: РГГМУ, 2003. — С. 12—15, 20—22. — 36 с.
  7. ↑ Зуев В. В. Вулканы и озоновый слой // Наука из первых рук. — 2010. — С. 69—75.
  8. ↑ Дерябин В. А. Экология : учебное пособие. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2016. — С. 58—59. — 136 с.
  9. ↑ Мухина И. В., Бородкина Т. А. Разрушение озонового слоя // Территория науки : журнал. — 2014. — № 1. — С. 107—110.
  10. ↑ Мазурин И. М., Герасимов Р. Л., Королёв А. Ф., Уткин Е. Ф. Озонобезопасные фреоны. История легенды и простое решение // Пространство и время : журнал. — 2014. — № 3 (17). — С. 250—255.
  11. ↑ Бюллетень ВМО по озону и ультрафиолетовому излучению // Погода. Климат. Вода : бюллетень. — 2023. — Июнь (№ 1).
WLW Checked Off icon.svg Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Озоновая_дыра&oldid=616389