ЛЕКЦІЯ ГЛОБАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ АТМОСФЕРИ. Парникового ефекту

• Название: Парникового ефекту
• Дата: 14.02.2022
• Размер: 1.78 Mb.
• Имя файла: ЛЕКЦІЯ ГЛОБАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ АТМОСФЕРИ.docx
• Тип: Лекція; #361633
• страница: 1 из 5

ЛЕКЦІЯ

ГЛОБАЛЬНІ ПРОБЛЕМИАТМОСФЕРИ

1. 
   Проблема руйнування озонового шару Землі;
   
2. 
   Проблема “парникового ефекту”;
   
3. 
   Проблема фотохімічного смогу
   
4. 
   Проблема кислотних дощів;
   

1. 
   Вплив кислотних дощів на рослинний світ
   
2. 
   Вплив кислотних дощів на природні водні системи та якість питної води
   
3. 
   Вплив кислотних дощів та їх попередників на фауну
   
4. 
   Вплив кислотних дощів на матеріали і споруди
   

.

1. 
   Проблема руйнування озонового шару Землі.
   

Озоновий шар - це повітряний шар у верхніх шарах атмосфери (стратосфері), що складається з особливої форми кисню - озону. Молекула озону складається з трьох атомів кисню (03). Озоновий шар починається на висотах близько 8 км над полюсами (чи 17 км над екватором) і сягає висоти приблизно 50 км. Однак щільність озону дуже низька, і якщо стиснути його до щільності, яку має повітря біля поверхні Землі, то товщина озонового шару не перевищить 3,5 мм. Озон утворюється, коли сонячне льтрафіолетове випромінювання бомбардує молекули кисню.

Оскільки озоновий шар поглинає ультрафіолетове випромінювання, то його руйнування призведе до більш високих рівнів ультрафіолетового випромінювання на поверхні Землі. Це, у свою чергу, викличе збільшення випадків захворювання на гак шкіри. Іншим наслідком підвищеного рівня ультрафіолетового випромінювання стане розігрівання поверхні землі, а отже, зміна температурного режиму, режиму вітрів і дощів і підвищення рівня моря.

У 1985 р. Британські науковці повідомили результати спостереження за атмосферою, згідно з якими за попередні вісім років весняний вміст озону над Північним і Південним полюсами зменшився на 40 % - це явище отримало назву “озонових дір”.

Існують різні причини цього явища:

1. 
   руйнування озонового шару оксидами нітрогену, що надходять із двигунів надзвукових транспортних літаків і ракет;
   
2. 
   особливості циркуляції атмосфери - повітряні потоки з нижніх шарів атмосфери під час руху вгору розштовхують озон;
   
3. 
   руйнування озону в атмосфері сполуками хлорфторвуглеводнями.
   

Проте переважна більшість науковців вважають, що сполуки хлору - хлорфтор- вуглеводні (ХФВ), які широко використовувалися в промисловості та у побуті, руйнують озоновий шар Землі. ХФВ вже більше 60 років використовуються як холодоагенти в холодильниках і кондиціонерах, як пропеленти для аерозольних сумішей, піноутворюючі агенти у вогнегасниках, очищувачі для електронних приладів, при виробництві пінопласту.

ХФВ дуже стійкі й неактивні, проте, коли вони піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони руйнуються під інтенсивним впливом ультрафіолетового проміння. Зруйновані компоненти ХФВ володіють високою реакційною здатністю, зокрема, хлор. При руйнуванні озону хлор діє подібно до каталізатора, в ході хімічного процесу його кількість не зменшується. Унаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону, перш ніж він буде дезактивований або повернеться в нижні шари атмосфери. Вважається, що час життя в атмосфері для двох розповсюджених ХФВ - фреон-11 і фреон-12 становить 75 і 100 років відповідно.

Потужним джерелом руйнування озону є ядерні вибухи. Теплова енергія, що виділяється при цьому, нагріває атмосферу і прискорює такі перетворювання хімічних речовин, які при нормальних умовах або не відбуваються, або здійснюються дуже повільно. Такими речовинами, зокрема, є окисли азоту.

Процеси руйнування озону підсилюються парниковим ефектом.

Природним джерелом надходження хлору в атмосферу є вулканічні викиди.

У 1987 р. уряди 56 країн підписали Монреальський протокол, за яким вони зобов’язалися в найближче десятиріччя вдвічі скоротити виробництво фторхлорву- глеців та інших речовин, що руйнують озоновий шар. До 1996 року промислово розвинені країни повністю припинили виробництво фреонів, а також руйнуючих озон галонів і тетрахлориду вуглецю. Але країни, що розвиваються, зроблять це лише до 2010 року. Наступним етапом повинна стати заборона метил бромідів та гідрофрео- нів. Рівень виробництва перших з 1996 р. був заморожений у промислово розвинених країнах, гідрофреони повністю знімаються з виробництва до 2030 року. Країни, що розвиваються, досі ще не взяли зобов’язання щодо контролю над цими хімічними речовинами.

З моменту підписання Монреальського протоколу завдяки узгодженим зусиллям міжнародного співтовариства за ці роки виробництво та споживання речовин, що є найбільш небезпечними для озонового шару, скоротилося більш ніж удвічі. Було зупинено збільшення вмісту в атмосфері речовин, що руйнують озон.

Вчені вважають, що вже в найближчі роки почнеться відновлення озонового шару.

Світові виробники холодильної техніки відмовилися від фреонів і перейшли на використання озонобезпечних речовин - холодоагентів: пропан-бутанову суміш, спі- нювач із циклопентаном. Створені оригінальні проекти штучного отримання озону в стратосфері.
Проблема збереження озонового шару Землі є пріоритетною проблемою виживання біосфери в цілому, і людства зокрема. Озоновий шар, який знаходиться в стратосфері на висоті 25-40 км, відіграє надзвичайно важливу роль – захист поверхні Землі від жорсткого ультрафіолетового випромінювання (190-320 нм). Утворення озону в стратосфері пов’язано з фотохімічною дисоціацією молекул кисню з утворенням атомарного Оксигену під впливом сонячного випромінювання в межах 170-290 нм:

О_2(г) + h  2 О_(г).


298
Ця реакція фотохімічної дисоціації молекул кисню є ендотермічною (проходить з поглинанням енергії) з Н⁰ = 249 кДж/моль. Утворений атомарний Оксиген взаємодіє з молекулами кисню з утворенням молекул озону, які перебувають у збудженому стані. Дезактивація молекул озону проходить при їх зіткненні з константи рівноваги цієї реакції (К_р = 8,410⁵⁶) говорить про те, що рівновага реакції зсунута вправо.

Отже, утворення озону в стратосфері і його розклад є динамічними процесами.

Проблема утворення “озонових отворів” відома здавна, але особливої уваги до неї привернула Віденська конвенція ООН (1985р.). Під “озоновим отвором” розуміють значний простір в стратосфері Землі із значно пониженим вмістом озону, в порівнянні із багаторічною нормою його вмісту. Це явище є частиною складної екологічної проблеми – виснаження озонового шару Землі. Ця екологічна проблема являє пряму загрозу біосфері Землі, адже зростання потоку ультрафіолетового випромінювання, яке досягає земної поверхні, створює небезпеку всьому живому. За даними Всесвітньої організації охорони здоров’я, зменшення вмісту озону в стратосфері на 1%, призводить до зростання захворюваності людей на рак шкіри на 6%, катаракти очей – на 4% і це супроводжується значним послабленням імунної системи людини. Це стосується всього тваринного світу.

Зростання інтенсивності ультрафіолетового випромінювання по- іншому впливає на представників рослинного світу. Проведені наукові дослідження доводять, що при зростанні інтенсивності ультрафіолетового випромінювання буде спостерігатись порушення обміну речовин в рослинах. Це може стати причиною загибелі фітопланктону Світового океану. Наслідки цих процесів можуть бути катастрофічними. По-перше, порушення обміну речовин в рослинах, викличе зменшення врожайності сільськогосподарських культур, що загострить харчову проблему сьогодення. Крім того, можливі небажані мутації у шкідників цих рослин. По-друге, загибель фітопланктону Світового океану призведе до порушення глобального балансу діоксиду Карбону та кисню (див. п. 2.2.1.).

Із наведених даних видно, що проблема збереження озонового шару Землі повинна вирішуватись на міжнародному рівні і її слід розглядати як пріоритетну. Утворення “озонових отворів” являє безпосередню загрозу, тому вирішенню її присвячена значна кількість наукових праць. В той же час, немає єдності в поясненні причин утворення “озонових отворів”. Різні вчені віддають перевагу тим чи іншим причинам появи цих небезпечних явищ і навіть в історичному плані дані про утворення “озонових отворів” є дещо суперечливими.

В історичному плані вперше зафіксовано значне пониження вмісту озону в стратосфері над Антарктикою у 1958 році французькими дослідниками П.Ріго та Б.Леруа. В літературі є дані про існування аналогічних явищ в полярних районах Землі, які відносять до середини ХІХ ст., але достовірність цих даних є невеликою.

Систематичне вивчення цих явищ почалось з середини 70-х років ХХ століття і американські вчені Ш.Роуленд та М.Моліна провели глибокий аналіз причин утворення “озонових отворів” в полярних районах. В жовтні 1985 року з’явилось повідомлення, що концентрація озону в стратосфері над Антарктикою зменшилась на 40% від її мінімального значення. Віденська конвенція ООН (1985р.) запропонувала детальне вивчення причин утворення “озонових отворів” над Антарктидою і, під керівництвом Британського вченого Дж.Формена у 1985 році на континент була направлена дослідницька експедиція. Результати дослідження та моделювання процесів в стратосфері, дозволили Дж.Формену висунути ідею про те, що крім особливостей фізико-географічних факторів, причиною пониження вмісту озону в стратосфері є потрапляння туди значних кількостей хлорфторвуглеводнів (фреонів). Фреонова гіпотеза одержала визнання, що стало причиною підписання у 1987 році Монреальського протоколу. Фреони Ф-12 (ССl₂F₂), Ф-115 (C₂ClF₅), Ф-13В1 (CBrF₃), які використовувались як ефективні холодоагенти, піноутворювачі та розчинники в аерозольних упаковках у відповідності із Монреальським протоколом були заборонені для використання. Вважається, що піднімаючись у стратосферу, фреони піддаються фотохімічній дисоціації, з утворення оксидів Хлору або оксидів Брому, які інтенсивно взаємодіють з озоном і руйнують його.

Після 1985 року, над Антарктидою кілька разів спостерігалось утворення “озонових отворів”. Так, весною 1987 року за даними А.Крюгера із НАСА, які одержані супутником “Нібус-7”, над Антарктидою спостерігалось значне пониження вмісту озону в стратосфері до 70% або  3% всього озону стратосфери, а площа “озонового отвору” досягла 7 млн. км². Аналогічне явище зафіксовано і в 1992 році, коли за даними Д.Гофмана (США) спостерігалось пониження вмісту стратосферного озону  на 50% над Антарктидою та прилеглими просторами Південної Америки (Аргентина, Чилі).

Подібні явища зафіксовані і в Арктиці з весни 1986 року, але розмір “озонових отворів” був значно меншим антарктичного і пониження вмісту озону спостерігалось на 10-40%.

В останні роки встановлено, що викиди космічних літаків можуть призводити до руйнування стратосферного озону і, на долю цих джерел припадає до 10% зруйнованого озону. Тверде паливо (“гептил” – несиметричний диметилгідразин), яке використовується в космічних носіях, при згоранні утворює значні кількості оксидів Нітрогену(ІІ), які можуть легко вступати в реакцію з озоном:

(СН₃)₂N-NH₂ + 5 O₂ (згорання) = 2 СО₂ + 2 NO + 4 Н₂О;

NO + O₃ = NO₂ + O₂.

Так, запуск одного космічного літака типу “Шаттл”, призводить до руйнування до 10 млн. тонн озону.

Поряд з пониженням вмісту озону в стратосфері, спостерігається підвищення його вмісту в тропосфері, що являє значну небезпеку! Це питання буде розглянуто нами далі.

Для збереження озонового шару Землі запропоновані як пасивні методи тобто зменшення викидів фреонів, їх заміна, так і активні. До активних методів відносять хімічну та фізичну дію на стратосферу. Хімічна дія полягає у використанні етану і пропану в районах утворення “озонових отворів”, які при взаємодії з оксидами хлору (активним хлором) будуть зв’язувати його в малоактивний хлористий Гідроген. Фізична дія полягає в ініціації процесів утворення озону в стратосфері шляхом дії на неї випромінювань високих енергій (лазерне, іонізуюче тощо). Така дія на стратосферу сприяє фотодисоціації молекул кисню, з утворенням атомарного Оксигену, який є передумовою утворення озону. Ці заходи дають змогу зменшити руйнування озонового шару Землі, а іноді і сприяти зростанню концентрації стратосферного озону, що дозволить, в майбутньому, зберегти озоновий екран.

В сучасній науковій літературі немає заперечень, щодо небезпечності утворення “озонових отворів”. В той же час, ряд вчених, в тому числі і провідні українські вчені, вбачають причину цих небезпечних явищ в природних процесах. Зокрема, такі висновки зроблено на основі розрахунків та даних української антарктичної експедиції і представлені С.В.Волковим та М.Ф.Козиним.

По-перше, термін “життя” фреонів в атмосфері  130 років, що свідчить про хімічну інертність цих сполук, в тому числі і до окислювачів, зокрема, озону. Тому можна вважати, що фреони не мають відношення до “озонових отворів”.

По-друге, небезпечною вважається концентрація фреонів, яка перевищує 0,01 Об.%. Хімічна промисловість виробляла  10⁵ тонн фреонів в рік і, якщо б він весь потрапляв в атмосферу, то небезпечна концентрація буде досягнута  через 1 млрд. років, адже маса атмосфери становить 5,1410¹⁵ тонн. Реальні втрати фреонів не перевищують 0,1%, тобто концентрація фреонів в атмосфері через 1 млн. років складе  110^-8%, а через 1 млрд. років  110^-5%, що значно менше за небезпечну.

По-третє, в зразках льоду, які датуються 900-річним віком знайдено фреоноподібні сполуки, отже ці компоненти можуть мати природне походження. Із загальних міркувань про перебіг процесів в біосфері, в природі не утворюється сполук що являють потенційну загрозу руйнування біосфери в цілому. Тому, роль фреонів як причини утворення “озонових отворів” значно перебільшена.

Має місце вплив фізико-географічних особливостей полярних районів, які пов’язані з нахилом Землі ( 23) по відношенню до Сонця. В певні періоди року над полюсами практично відсутнє сонячне випромінювання, яке сприяє фотохімічній дисоціації кисню та утворенню озону, а динамічність процесу утворення та руйнування озону зсуває рівновагу в бік його руйнування. Це припущення підтверджується тим, що одночасно не відбувається утворення “озонових отворів” в Арктиці та Антарктиці, а відбувається певне чергування цих процесів.

Крім того, заміна фреонів на альтернативні холодоагенти R-125 (C₂HF₅), R-134 (C₂H₅F₄), R-32 (CH₂F₂), R-23 (CHF₃), які не містятьхлору або брому, призводять до надмірних витрат коштів. Ці речовини, які визнані “холодоагентами-сурогатами”, в чотири рази дорожчі ніж фреони і на одиницю холоду споживають на 10-20% більше електроенергії ніж фреони, що недопустимо з екологічної точки зору. Крім того, ці речовини є отруйними, при розкладі утворюють високонебезпечні речовини.

Окремі автори вважають, що причинами руйнування стратосферного озону є стратосферні перламутрові хмари, які є акумулятором Нітрогену і які утворюються при низьких температурах. Якими би не були причини утворення “озоновихотворів”,ці явища являють загрозу існуванню біосфери в ціломуілюдської цивілізації зокрема, тому вони повинні розглядатись якекологічно

небезпечні процеси.

Життя на Землі залежить від енергії Сонця, яка надходить у вигляді різних випромінювань. Серед них переважають промені видимого світла, а також довгохвильові (інфрачервоні, або теплові) та короткохвильові (ультрафіолетові) промені. Ультрафіолетове (УФ) випромінювання має найбільшу енергію, є фізіологічно активним і діє на живу матерію, викликаючи небажані фізіологічні зміни у організмах. Увесь потік УФ променів Сонця, що доходить до земної атмосфери, умовно ділять на три види: УФ-А (довжина хвилі 400-315 нм), УФ-В (315-280), і УФ-С (менше 280). Надзвичайно шкідливими і навіть смертельними для життя є УФ-В і особливо УФ-С. Захищає нас і всю біосферу Землі від згубної дії УФ випромінювання озоновий шар атмосфери.

Озон – алотропна видозміна кисню (О₃), утворюється у стратосфері при реакції молекулярного кисню з атомарним, газ з різким характерним запахом, сильний окисник. Має велике еколого-біологічне значення, оскільки активно поглинає шкідливе ультрафіолетове випромінювання Сонця. Визначає температурний режим стратосфери, захищає все живе від жорсткого (280 нм) випромінювання.

Озоновий шар розташований в атмосфері на висоті 25-45 км і є природним захисним бар’єром від проникнення на поверхню Землі жорсткого ультрафіолетового випромінювання Сонця. Середня річна кількість озону в озоновому шарі становить близько 300 добсоновських одиниць (ДО). 1 ДО відповідає шару озону, що дорівнює 0,001 см за нормальної температури й тиску. Але останнім часом озоновий шар зазнає руйнувань. Систематичне вивчення цього явища почалося з середини 70-х років ХХ століття і американські вчені М.Моліна та Ш.Роуленд провели глибокий аналіз причин утворення „озонових отворів” в полярних районах. Результати дослідження та моделювання процесів в стратосфері, дозволили висунути ідею про те, що крім особливостей фізико-географічних факторів (особливістю полярних районів є нахил Землі ≈ 23° по відношенню до Сонця), причиною пониження озону в стратосфері є потрапляння туди значних кількостей хлорфторвуглеводнів (фреонів). Цей небажаний і небезпечний процес інтенсивно відбувається під дією деяких хімічних речовин, а саме тетрахлориду карбону, метилхлороформу тощо. Особливо небезпечними є фреони ( - фреон 11, - фреон 12, - фреон 115, - фреон 13В1, - галон 1211), які широко застосовують у техніці і побуті як холодоагенти, розпорошувачі в аерозольних упаковках тощо. Світове виробництво фреонів на початку 90-х р. 20 ст. перевищило 1,4 млн. т за рік. Під дією ультрафіолетового випромінювання фреони розкладаються з виділенням атомарного хлору, який є ефективним каталізатором розщеплення озону на кисень. Так, один атом хлору призводить до розкладання 100 тис. атомів озону. Руйнування озонового шару спричинюють також космічна і ракетна техніка та сучасні надзвукові літаки. Так, запуск одного космічного апарата типу „Спейс Шаттл”, призводить до руйнування приблизно 10 млн. тонн озону.

Внаслідок руйнування озонового шару концентрація озону почала зменшуватися, а в деяких місцях, зокрема над Антарктидою, в озоносфері виникає “пульсівний отвір”. Вміст озону тут менший від звичайного на 40-50%. Цей “отвір” чітко виявляється із серпня по жовтень (антарктична весна), а нині не затягується і влітку. Внаслідок цього в країнах південної півкулі Землі спостерігається підвищений ультрафіолетовий фон. Це спричинює збільшення кількості захворювань людей на рак шкіри та катаракту. “Озоновий отвір” виявлено і в північній півкулі над Антарктикою (район о. Шпіцберген). За оцінками НАСА (США), з 1978 по 1990 рік кількість озону в озоновому шарі зменшилась на 45%. Цей процес зменшення концентрації озону невпинно триває. Як стверджує “Грінпіс” , зменшення товщини озонового шару на 10% призводить до збільшення захворювань на рак шкіри 300 тис. населення.

З метою запобігання подальшого руйнування озонового шару атмосфери уряди багатьох країн підписали у 1985р. у Відні Конвенцію про охорону атмосферного озону і скорочення виробництва фреонів та інших речовин.

Знищенню озонового шару найбільше “сприяли” 25 країн світу, серед них найактивнішими виробниками озонруйнуючих речовин є США, Японія та Великобританія.

Незважаючи на вимоги Віденської Конвенції, Монреальського протоколу і Лондонської конференції, скорочення виробництва хладонів практично не відбувається. Це щорічно збільшує кількість озонруйнуючих речовин на 2%.

Для збереження озонового шару Землі запропоновані як пасивні методи тобто зменшення викидів фреонів, їх заміна, так і активні. До активних методів відносять хімічну та фізичну дію на стратосферу. Хімічна дія полягає у використанні етану і пропану в районах утворення „озонових отворів”, які при взаємодії з оксидами хлору (активним хлором) будуть зв’язувати його в малоактивний хлористий гідроген. Фізична дія полягає в ініціації процесів утворення озону в стратосфері шляхом дії на неї випромінювань високих енергій (лазерне, іонізуюче тощо). Така дія на стратосферу сприяє фото дисоціації молекул кисню, з утворенням атомарного оксигену, який є передумовою утворення озону. Ці заходи дають змогу зменшити руйнування озонового шару Землі, а іноді і сприяти зростанню концентрації стратосферного озону, що дозволить, в майбутньому, зберегти озоновий екран.

Крім того, заміна фреонів на альтернативні холодоагенти R-125 (C₂HF₅), R-134 (C₂H₅F₄), R-32 (CH₂F₂), R-23 (CHF₃), які не містять хлору або брому, призводять до надмірних витрат коштів. Ці речовини, які визнані „холодоагентами-сурогатами”, в чотири рази дорожчі ніж фреони і на одиницю холоду споживають на 10-20 % більше електроенергії ніж фреони, що недопустимо з екологічної точки зору. Крім того, ці речовини є отруйними, при розкладі утворюють високо небезпечні речовини.

В той же час, ряд вчених вважають, що фреони, в силу інертності цих сполук („життя” фреонів в атмосфері приблизно 130 років) не мають відношення до „озонових отворів”, а вбачають причину цих небезпечних явищ в природних процесах. Так, в зразках льоду, які датуються 900-річним віком, знайдено фреоноподібні сполуки, отже ці компоненти можуть мати природне походження. Із загальних міркувань про перебіг процесів в біосфері, в природі не утворюється сполук, що являють потенційну загрозу руйнування біосфери в цілому. Тому, роль фреонів як причина утворення „озонових отворів” значно перебільшена.

Деякі автори вважають, що причинами руйнування стратосферного озону є стратосферні перламутрові хмари, які є акумулятором нітрогену і які утворюються при низьких температурах.

Якими би не були причини утворення „озонових отворів”, ці явища являють загрозу існуванню біосфери в цілому і людській цивілізації зокрема, тому вони повинні розглядатися як екологічно небезпечні процеси.