- •Введение
- •Глава 1. Структура и химический состав атмосферы
- •Распределение давления и температуры в земной тропосфере по модели стандартной атмосферы*
- •Нижняя атмосфера
- •Химический состав атмосферы*
- •Растворимость о2 в воде при парциальном давлении, соответствующем его содержанию в атмосфере [34]
- •Растворимость со2 в воде при парциальном давлении, соответствующем его содержанию в атмосфере [34]
- •Глава 2. Радиационный, тепловой и водный обмен атмосферы
- •Шкала электромагнитных волн
- •Средний годовой водный баланс Земли[18]
- •Глава 3. Глобальные биогеохимическме циклы вещества с участием атмосферы
- •Глава 4. Техногенные источники загрязнения атмосферы
- •Глава 5. Экологические последствия техногенного загрязнения атмосферы
- •Парниковый эффект
- •Кислотные дожди
- •Выбросы оксидов азота и серы в атмосферу на территории сша [9]
- •Уровни заболевания злокачественными новообразованиями взрослого населения г. Н. Новгорода в 2005 гг.
- •Предметный указатель
Глава 5. Экологические последствия техногенного загрязнения атмосферы
В 1985 г в журнале «Nature» была опубликована статья сотрудников Британской антарктической службы, в которой сообщалось, что, начиная с 1977 г. в небе над Антарктидой незадолго до окончания антарктической ночи наблюдается сезонное снижение концентрации озона. Так мир впервые узнал о существовании озоновых дыр.
ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ
Дальнейшие наблюдения привели к неутешительному результату: из года в год озоновая дыра разрасталась, и слой озона в ней становился все тоньше и тоньше. Кроме того, обнаружили, что еще одна дыра располагается над Северным полюсом. Площади этих дыр очень велики. Например в 90-е годы ее площадь над Антарктидой достигала 22 млн км2 (рис. 20) Это больше, чем площадь России. Размеры озоновых дыр меняются в течение года они как бы дышат. Они увеличиваются летом и уменьшаются в зимнее время [1,6,27].
В отличие от безопасных для живых организмов, включая человека, видимого света (=540 – 740 нм) и ИК-излучения (>740 нм), УФ-излучение (<400 нм) обладает энергией, достаточной для разрыва химических связей в молекуле. В стратосфере, в слое, расположенном на высоте 2550 км от поверхности Земли, беспрерывно идут фотохимические процессы, обеспечивающие поглощение самого опасного для всего живого на Земле УФ-излучения. Как мы уже упоминали в предыдущих главах, коротковолновое, жесткое излучение (<240 нм) вызывает диссоциацию молекул кислорода и образование озона в стратосфере по следующим реакциям:
О2 +h (<240 нм) 2О
О2 + О + М О3 + М,
где М и М – любая невозбужденная и возбужденная молекулы, например N2. Гибель стратосферного озона происходит в результате следующих двух процессов:
О3 + h (= 220 – 350 нм) О2 + О
О3 + О О2 + О2
Рис. 20. Озоновая дыра над Антарктидой по данным, полученным в октябре 1999 г. орбитальным спектрометром для глобального картографирования озонового слоя ТОМS. Черный контур соответствует площади озоновой дыры в стратосфере.
Приведенный выше механизм образования и разрушения озона в стратосфере был предложен в 1930 году английским геофизиком Чепменом. Образующийся в тропической стратосфере озон процессами глобальной циркуляции переносится к полюсам, где накапливается в течение зимней полярной ночи.
Количество озона в разреженной стратосфере ничтожно, но этого количества озона в стратосферном озоновом слое достаточно для защиты растений и животных от жесткого УФ-излучения.
Известно, что молекула озона нестабильна и легко разрушается под действием свободных радикалов (R):
О3 + R = O2 + RO
Частица RO реагирует с атомарным кислородом О
RO + О = О2 + R
и снова регенерирует активный радикал R, разрушающий новые молекулы озона.
Существуют, по крайней мере, несколько радикальных частиц, активно взаимодействующих с озоном: НО, NO, Cl и Вr. Из них самый активным является атом хлора, способный разрушить несколько тысяч молекул озона, прежде чем произойдет его гибель.
Летучие фреоны (галогенфторуглероды, такие, как CCl2F2, CClF3 и др.), оказавшись в верхних слоях атмосферы, разлагаются под действием солнечного света с образованием атомов хлора, которые немедленно реагируют с молекулами озона:
О3 + Cl О2 + ClО
Очень важно заметить, что эта реакция с участием атома хлора имеет цепной характер: радикал ClО атакует атомарный кислород и снова возрождает активный атом хлора:
ClО + О Cl + О2
В результате осуществляется гибель молекул озона по суммарной реакции:
О3 + О О2 + О2
Губительное воздействие на озон оказывает и NO:
О3 + NO О2 + NO2
Однако, время жизни оксидов азота NO и NO2 невелико, и они гибнут, не достигнув стратосферы, поэтому не играют существенной роли в гибели озонового слоя в стратосфере.
Фреоны считают основными антропогенными источниками таких радикалов как Cl Br в атмосфере. Эти вещества очень стабильны, нетоксичны, химически инертны и широко использовались в качестве хладоагентов, вспенивателей пластмасс, сжатого газа в аэрозольных баллончиках. Оказавшись на поверхности Земли, они проходят тропосферу, и, поднявшись на высоту 10-15 км, вместе с конвекционными потоками попадают в тропическую зону и оттуда поднимаются до стратосферы, где находится озоновый слой. В отличие от оксидов азота, время жизни которых несколько дней, фреоны, живущие более 50 лет, способны разрушать стратосферный озон в течение всего времени своего пребывания в стратосфере [13].
Механизм антропогенного разрушения озона был обнаружен еще в 70-х годах прошлого века за 10 лет до открытия озоновых дыр. В 1985 году английский геофизик Фарман обнаружил антарктическую весеннюю озоновую дыру, в которой истощение озонового слоя достигало 50%. Обычно уровень О3 в стратосфере составляет 400 единиц Добсона (ЕД) – стандартных единиц измерения концентрации озона. (1ЕД равна одной сотой миллиметра толщины слоя, который получится, если сжать весь озон, содержащийся в атмосфере, до давления 1 атм. при температуре 00С). В антарктической озоновой дыре уровень содержания озона падал в некоторые годы до 85 ЕД , и это было неизбежным следствием накопления в атмосфере озоноразрушающих антропогенных веществ.
Почему же озоновые дыры образовались над полюсами? Известно, что в течение холодной антарктической зимы, когда температура нижней стратосферы опускается до 800С, холодный воздух резко смещается вниз и на высотах 1520 км возникают полярные вихри, внутри которых воздух изолирован. В полярном вихре накапливаются в значительном количестве хлор- и бромсодержащие фреоны. Полярной ночью образования озона не происходит. С восходом солнца весной (в сентябре) молекулы фреонов легко разрушаются солнечным светом, в результате чего образуются активные Сl и Br атомы, начинающие разрушать озон по цепному механизму. Весной полным ходом идет разрушение озонового слоя внутри вихря. Далее воздух разогревается и начинается расползание озоновой дыры по Южному полушарию.
Годы
Рис. 21. Динамика изменения озонового слоя над Аросой, Швейцария.
На рис.21. показана динамика изменения озонового слоя над Аросой, Швейцария, из которого ясно видно, что за период с 1973 по 2000 происходило резкое суммарное сокращение озонового слоя с 330 до 300 ЕД.
Правительства развитых стран в 1987 году подписали «Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой». Они договорились запретить потребление веществ, угрожающих озоновому слою Земли и особенно фреонов. Хотя человечеством были приняты меры по ограничению выбросов хлор- и бромсодержащих фреонов путем перехода на другие вещества, например фторсодержащие фреоны, процесс восстановления озонового слоя займет несколько десятилетий. Это обусловлено огромным объемом уже накопленных в атмосфере фреонов, которые вполне стабильны и проживут еще в нашей атмосфере в течение нескольких десятков лет. Поэтому затягивание озоновых дыр следует ожидать не ранее 2050 года.