На сайте 100500 рефератов в 150 категориях	Искать реферат
Рефераты на 5 с плюсом С нашим сайтом написать реферат проще простого

Озоновая дыра

Категория: Физика, Астрономия

версия для печати

Страница: [1] [2] [3]

Озонным дыра над Арктикой

В 1985 г. специалисты по исследованию атмосферы из Британской антарктической службы сообщили о совершенно неожиданном факте: весеннее состав озона в атмосфере над станцией Халли-Бей в Антарктиде уменьшилось за период с 1977 по 1984 г. на 40%. Вскоре этот вывод подтвердили и другие исследователи, показавшие также, что область пониженногосодержания озона простирается за пределы Антарктиды и по высоте охватывает слой от 12 до 24 км, т.е. значительную часть нижней стратосферы. Фактически это означало, что в полярной атмосфере существует озонным «дыра».

Это открытие встревожило как ученых, так и широкую общественность, поскольку из него следовало, что слой озона, окружающий нашу планету, находится в большейопасности, чем предсказывали модели атмосферы. Утончение этого слоя могло бы привести к серьезным последствиям для человечества. Содержание озона в атмосфере не достигает и одной миллионной доли от содержания других газов, однако именно озон поглощает большую часть солнечной ультрафиолетовой радиации, не давая ей достичь земной поверхности. Ультрафиолет обладает достаточной энергией,чтобы разрушать много органических молекул, включая ДНК. Он может вызвать рак кожи, катаракту и иммунную недостаточность, а также повреждать посевы и морские экосистемы.

Учитывая столь серьезный характер этих эффектов, многие ученые, включая автора и его коллег из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства,поспешили начать исследования с целью выяснения природы озонного дыры, образующейся весной Южного полушария в полярном вихре — изолированной воздушной массе, циркулирующей вокруг Южного полюса в течение большей части года. (Количество озона в вихре уменьшается в конце августа — начале сентября, стабилизируется в октябре и вновь начинает растив ноябре.) До тех пор пока мы не найдем причину образования озонного дыры, мы не сможем установить, имеет ли она влияние в глобальных масштабах или ее «сфера влияния» ограничивается Антарктикой, для которой характерны особые метеорологические условия.

Исследования в этой области опирались на измерения нескольких типов. Одни приборы размещались на земле, другие устанавливалисьна воздушных шарах-зондах и спутниках. Приборы на шарах-зондах предназначаются для определения химического состава воздуха в тех слоях, через которые движется шар. Приборы, размещаемые на земле или устанавливаемые на спутниках, осуществляющие дистанционные измерения по определению толщины слоя озона (точнее, высоты столба, который бы образовался, если бы весь озон, располагающийсяв атмосфере над данной точкой, был приведен к стандартной температуре и стандартного давления). Для определения толщины слоя, который обычно выражается в Добсона (единица, обозначающая сотую долю миллиметра), измеряют падающую на землю радиацию на нескольких длинах волн, выбираемых таким образом, что на одних длинах волн радиация сильно поглощается озоном,а на других — слабо. (Приборы на спутниках регистрируют свет, отраженный от земной поверхности.) Если поток радиации на длинах волн, где поглощение существенно, вырос относительно радиации на других длинах волн, значит, содержание озона уменьшилось, и наоборот, если поток радиации на длинах волн, где происходит поглощения, уменьшился, значит, содержание озона вырос.

Работыв этой области опирались на международное сотрудничество. В 1987 г., например, около 150 ученых и технических сотрудников, представлявших 19 организаций и 4 страны, встретились в Пунта-Аренас (Чили), чтобы провести наиболее подробное исследование слоя озона, которое когда-либо внедрялось. Проект получил название "Самолетный Антарктический Озонный эксперимент«.В ходе эксперимента, который показал, что в 1987 г. озонным дыра была наибольшей, использовались не только наземные измерительные средства и приборы, устанавливаемые на спутниках и шарах-зондах, но и самолета-лаборатории. На переоборудованном пассажирском самолете DC-8 и высотном самолете ER-2 ученые несколько раз проникали в область пониженного содержания озона и собралидетальные сведения о ее размерах и химическом составе воздуха в ней.

Эксперимент 1987 г., как и другие исследования, проведенные в последнее время, опирался на две высказанные ранее гипотезы, объясняющие существование озонного дыры. Согласно одной гипотезе, причиной дыры является выброс в атмосферу химических веществ антропогенного природы (поллютантов). Другая теориявозлагает вину за образование дыры на естественные изменения в циркуляции воздушных масс, что весной Южного полушария переносят богатое озоном воздуха в полярную стратосферу.

Обеспокоенность последствиями выброса поллютантов возникла до того, как были получены первые свидетельства об этих последствиях. В 1971 г., когда сверхзвуковые лайнеры, казалось, вот-вот начнут регулярныеполеты, появились опасения, что выбросы водяного пара и оксидов азота (NOx) могут сделать разрушительное воздействие на атмосферу на больших высотах. Лабораторные исследования показали, что оба компонента могут влиять на слой озона. Сверхзвуковой воздушный транспорт так и не стал реальностью, однако в последующие годы выбрасывания в окружающую среду оксида азота(N2O) в результате сжигания все в больших количествах ископаемого топлива и массового применения азотных удобрений привело к таким же результатам Но и эта опасность отошла на второй план, когда в 1974 г. М. Молина и Ф. Роуленд из Калифорнийского университета в Ирвине забили тревогу по поводу растущего использования соединений, известных под названием хлорфторвуглеводив.Начиная с этого времени так называемая хлорфторвуглеводна проблема стала одной из основных в исследованиях по загрязнению атмосферы.

Состав хлорфторвуглеводив ясен из их названия. Используемые уже 60 лет эти газы служат хладагентами в холодильниках и кондиционерах, распылителями для аэрозольных смесей, пинотворчимы агентами и очистителями дляэлектронных приборов. Когда они рассматривались как идеальные для практического применения химические вещества, поскольку они очень стабильны и неактивны, а значит, нетоксичны. Как это ни парадоксально, но именно инертность этих соединений делает их «врагами» стратосферного озона.

Инертные газы не распадаются быстро в тропосфере (нижнем слое атмосферы,простирающуюся от поверхности Земли до высоты 10 км) и наконец проникают в стратосферу, верхняя граница которой располагается на высоте около 50 км. Когда молекулы этих веществ поднимаются до высоты примерно 25 км, где концентрация озона максимальна, они подвергаются интенсивному воздействию ультрафиолетовой радиации, не проникает на меньшие высоты из-действие озона, блокирующий. Ультрафиолет разрушает устойчивые в обычных условиях молекулы (в том числе хлорфторвуглеводы), распадающихся на компоненты, обладающие высокой реактивной способностью (к ним относится атомный хлор).

Лабораторные исследования показали, что хлор быстро разрушает озон. Поскольку в атмосферу выбрасываются миллионы тонн хлорфторвуглеводив,исследователи пришли к выводу, что этот процесс, если он будет продолжаться, приведет к накоплению хлорфторвуглеводив в стратосфере в концентрации, достаточной для серьезных повреждений озонового «экрана». Более того, даже если мы немедленно прекратим выброс хлорфторвуглеводив, разрушение озона, скорее всего, будет продолжаться и в следующем столетии,поскольку хлорфторвуглеводы, что уже попали в атмосферу, останутся в ней на десятилетия. Две основные разновидности этих веществ — Ф-11 (CFCl3) и Ф-12 (CF2Cl2) — «живут» в атмосфере соответственно в течение 75 и 100 лет.

Под давлением этих аргументов в США с 1978 г. запрещено использование хлорфторвуглеводив в аэрозолях, таких, как некоторые дезодоранты илаки для волос. Однако попытки установить контроль над применением хлорфторвуглеводив в других областях ни к чему не привели; частично это объясняется появлением новых данных о химических процессах, происходящих в стратосфере. Например, хотя было известно, что такие вещества, как оксиды азота и водяной пар, разрушающих озон, новые расчеты показали, что оксидыазота могут соединяться с хлором и фактически нейтрализовать разрушительное действие последнего отношении озона.

В ту пору и появилось сообщение английских ученых о том, что октябрьский содержание озона над их станцией в Антарктиде уменьшилось с типичного значения 300 Добсон , что содержалось в 1970-х годах, до 180 Добсон в 1984 г. Это открытие возродилоинтерес общественности к озонового слоя. В то же время, поскольку выбросы хлорфторвуглеводив продолжали расти, политики оказались задействованными в дебаты по вопросу установления международного контроля за производством этих веществ. Дискуссии привели к тому, что в сентябре прошлого года 23 страны (включая США) подписали в Монреале конвенцию, обязывающую ихснизить потребление указанных веществ. Согласно достигнутой договоренности (конвенция должна быть ратифицирована 11 странами, прежде чем она вступит в силу в начале 1989 г.), развитые страны должны к середине 1990-х годов заморозить потребление хлорфторвуглеводив на уровне 1986 г., а к 1999 г. наполовину снизить этот показатель.

Сущность хлорфторвуглеводноипроблемы заключается в том, что небольшое количество хлора достаточно для разрушения значительного количества озона. Молекула озона (О3), состоящий из трех атомов кислорода (О), образуется из молекул обычного кислорода (O2) под влиянием ультрафиолетовой радиации. Фотон расщепляет молекулу кислорода на два атома кислорода, имеющих высокую реакционную способность, каждый из которых быстросоединяется с другой, целой молекулой кислорода, образуя молекулу озона (О3). Последний легко поглощает ультрафиолет и распадается на первоначальные компоненты — O2 и А. Атом кислорода, уволился, вновь соединяется с молекулой кислорода и образует молекулу озона. Таким образом молекула озона образуется и распадается много раз, пока наконец не соединится со свободныматомом кислорода и не образует двух молекул кислорода. При неизменных условиях озон находится в динамическом равновесии, т.е. скорость его образования равна скорости распада.

Хлор сдвигает это равновесие в сторону уменьшения содержания озона в стратосфере, так как в его присутствии повышается вероятность образования двух молекул кислорода. Еще важнее то, что хлор(Равно как оксиды азота и водяной пар) действует подобно катализатору в ходе химического процесса его количество не уменьшается Вследствие этого один атом хлора может разрушить до 100000 молекул озона, прежде чем будет деактивирован или вернется в тропосферу, откуда будет удален вместе с осадками или иным путем.

Химические процессы, что, как принято считать,приводят к разрушению озона, хорошо изучены. Когда атом хлора (Cl) сталкивается с молекулой озона, он отбирает у нее один атом кислорода, образуя радикал монооксида хлора (Cl) и молекулу кислорода. Радикалы, т.е. молекулы с нечетным числом электронов, химически очень активны. Когда монооксид хлора встречается со свободным атомом кислорода (важная ступень в каталитическомпроцессе!), атом кислорода отрывается от монооксида хлора под действием сильного притяжения к свободному атому кислорода, в результате образуется новая молекула кислорода. Атом хлора остается свободным и может атаковать новую молекулу озона.

Обычно этот каталитический процесс идет с некоторыми ограничениями. Существуют две основные реакции, что, по крайней мере на средних высотах,препятствуют разрушению озона. В одном случае монооксид хлора вступает в реакцию с оксидом азота (NO). Aтом кислорода из монооксида хлора переходит к оксида азота, в результате чего образуются свободный атом хлора и диоксид азота (NO2). Когда последний поглощает видимый свет, его атом кислорода высвобождается и может образовать молекулу озона. В результате содержаниеозона не меняется.

Во втором, более важном, случае атом хлора или радикал монооксида хлора связывается с какой другой молекулой и образует стабильную соединение, служащее временным «резервуаром» хлора. В таком виде хлор (а при нормальных условиях в атмосфере именно так он и проводит большую часть времени) не способна атаковать озон. Двумя важнымирезервуарами хлора является нитрат хлора (ClONO2), образующийся при соединении монооксида хлора и диоксида азота (NO2), и хлористоводородная (соляная) кислота (НСl), который образуется в результате соединения атома хлора и метана (СН4). Наконец такая молекула-резервуар поглощает фотон или вступает в реакцию с какой другой молекулой, распадается и выделяет хлор, получающеговозможность атаковать озон.

Наличие этих «противодействующих» реакций послужило основанием для того, чтобы специалисты, занимающиеся моделированием химических процессов в атмосфере, пришли к выводу о незначительном влиянии хлорфторвуглеводив на слой озона в глобальном масштабе. Если причину уменьшения весеннего содержания озона над Южным полюсом на 40% искать ввоздействии хлора, входящего в хлорфторвуглеводы, следует признать, что противодействующие реакции антарктической весной почему ослабевают. Возникает вопрос: почему именно?

Сторонники хлорфторвуглеводноъ гипотезы озонного дыры указывают на несколько процессов, которые могли бы уменьшить вклад этих реакций. Так, например, разрушение озона шло бы быстрее, если бы из стратосферы удалялисьоксиды азота. В отсутствие оксидов азота хлор не мог соединяться с ними и образовывать резервуар в виде нитрата хлора. Кроме того, некоторые процессы могут в принципе видоизменять резервуары хлора, заставляя их выделять активный хлор в виде свободных атомов монооксида хлора, разрушающих Озонный слой.

Многие исследователи считают, что на перечисленныепроцессы влияют полярные стратосферные облака. Эти высотные облака, гораздо чаще наблюдаются над Антарктикой, чем над Арктикой, образуются зимой, когда при отсутствии солнечного света и в условиях изоляции Антарктиды температура в стратосфере падает до −80 ° С.

Можно предположить, что зимой соединения азота конденсируются, замерзают и остаютсясвязанными с облачными частицами и поэтому лишаются возможности вступать в реакцию с хлором. В то же время облачные частицы могут облегчать преобразования резервуаров хлора в активный хлор. Некоторые химические реакции, протекающие медленно в чисто газовой среде, могут идти с большой скоростью на поверхностях твердых частиц. Во время полярной ночи многохимических реакций практически «замораживаются». Однако возможно, что доли полярных стратосферных облаков захватывают резервуары хлора и заставляют их меняться: идет своего рода подготовка к тому, чтобы при первых лучах солнца монооксид хлора начал быстро высвобождаться. К сожалению, до сих пор неизвестно, из чего состоят облачные частицы и какие реакции протекают наних.

Хлорфторвуглеводна гипотеза озонного дыры должна объяснить не только, чем «нормальные» противодействующие реакции замедляются во время антарктической весны, но и как ликвидируется эта уникальная полярная аномалия. Полярной весной солнце все еще находится низко над горизонтом; в результате распад молекул озона под воздействием солнечной радиации вялотекущий,а значит, меньше концентрация свободных атомов кислорода, которые могли бы принимать участие в каталитическом цикле хлора.

Присутствие определенного количества брома (Вг) в полярных стратосферных облаках могло бы компенсировать нехватку атомарного кислорода. Химические соединения, выбрасываемые в атмосферу при распаде природного метилбромид, а также фумигант и некоторых веществ,применяемых при тушении пожаров, могут взаимодействовать с озоном, образуя радикал монооксида брома (Br) и кислород. В свою очередь монооксид брома может вступать в реакцию с монооксидом хлора, в результате чего образуется другая молекула кислорода и высвобождается свободный хлор. (Окончательным результатом является превращение озона в кислород.) Такой комбинированный каталитическийцикл брома и хлора может идти без затруднений, даже если свободные атомы кислорода относительно редки в окружающей среде. Бром может также быть непосредственным виновником разрушения озона: он инициирует цепь реакций, подобных тем, в которых участвует хлор, но не требующих свободных атомов кислорода.

Хотя в картине химических процессов, которые могли бы приводитьк разрушению озона в стратосфере над Антарктидой, остается много неясного, данных комплексных измерений, проведенных в 1986 г. в районе пролива Макмердо в Антарктиде, и предварительные результаты самолетного антарктического озонного эксперимента 1987 некоторой степени свидетельствуют в пользу хлорфторвуглеводнои гипотезы. Так, например, выяснилось, что в весеннийвремя содержание монооксида хлора в Озонный дыре увеличен по сравнению со средними широтами. Есть и свидетельства того, что концентрация оксидов азота в дыре сильно снижена по сравнению со средними широтами.

Результаты измерений подтверждают также предположения о том, что резервуары хлора (нитрат хлора и хлористоводородная кислота) изменяются под влиянием облаков.В начале антарктической весны (когда дыра образуется) содержание обоих резервуаров в газообразной форме небольшой, а потом он повышается. Из этого следует, что большое количество газов запасается в такой форме (например, оседает на облачных частицах), что найти их невозможно. Играет важную роль во всем этом также бром, как предполагает теория, неясно. Предыдущиерезультаты указывают, что в стратосфере над Антарктидой его концентрация может быть и не особо большой.

Данные, свидетельствующие в пользу химической гипотезы озонного дыры, не исключают возможности, что существенными могут быть естественные процессы, связанные с динамикой атмосферы. Динамические процессы не разрушают Озонный слой, они только перераспределяют озон.

Возможностьучастия динамических процессов в разрушении озона следует из того факта, что атмосфера не статична. Поскольку воздух в атмосфере находится в постоянном движении, меняется не только положение слоя озона и его «мощность», но и распределение и концентрация химических веществ, влияющих на него. Если бы на содержание озона (которое всегда флуктуируе определенной степени) влиялатолько солнечная радиация, можно было бы ожидать, что больше всего озона окажется в местах, подверженных наибольшему облучению, т.е. на очень больших высотах и ??на очень низких широтах. На самом деле максимум в распределении озона приходится не на верхнюю границу стратосферы, а на ее середину, и не на район экватора, где концентрация озона достигает лишь 260 Добсон,а на полярные области.

Такое распределение озона возникает потому, что в целом стратосферные воздух, несущий «свежий» озон, течет от тропиков к полюсам, причем с больших высот на меньшие. В Северном полушарии стратосферные воздух проникает до самого полюса, где среднее содержание озона поздней зимой или ранней весной достигает 450 Добсон. В Южном полушариибольшую часть года воздух не распространяется южнее 60 ° с ш. (Здесь максимальная концентрация озона составляет 380 Добсон): в силу особых метеорологических условий, в частности через полярный вихрь, богатое озоном воздух не может продвинуться далеко на юг вплоть до конца весны.

Отчасти из-за особенностей циркуляции количество озона в атмосфере надАнтарктидой оставалась в прошлые годы практически постоянной (на уровне 300 Добсон) в течение почти всей зимы и весны. В конце весны, когда полярный вихрь исчезал, открывая путь воздуха из низких широт, содержание озона начинал быстро расти почти до 400 Добсон. В последние годы концентрация озона остается почти постоянной в течение зимы, но веснойбыстро падает до 200 Добсон.

Страница: [1] [2] [3]

версия для печати