Кислотные осадки

Три глобальные экологические проблемы последней четверти ХХ в. – перфорация озонового слоя Земли, кислотные осадки и усиление парникового эффекта. Они представляют реальную угрозу нормальному функционированию биосферы Земли. Открытие фотохимического механизма разрушения озона в стратосфере Земли, успешное международное сотрудничество в реализации Венской конвенции по охране озонового слоя, Монреальский протокол по сокращению и затем полному прекращению выпуска озоноразрушающих веществ сняли остроту экологической проблемы озонового слоя. Проблема сохраниения озонового экрана Земли

Механизм образования.

Молекулярный кислород активно поглощает жесткие УФЛ (l £ 240 нм) и разлагается на атомы:

О₂ + hn₁ ® О + О (1)

Далее возможны две реакции:

О + О + М ® О₂ + М (2)

О + О₂ + М ® О₃ + М (3)

где М - третье тело - частица, которая отводит энергию от возбужденной молекулы.

Озон может разлагаться под действием УФЛ (l £ 300 нм)

О₃ + hn₂ ® О₂ + О (4)

Эта реакция не идет ночью и зимой в высоких широтах.

Имеет место также реакция

О₃ + О ® О₂ + О₂ (5)

Время жизни молекулы озона будет определяться соотношением скоростей реакций 1-5.

Эти скорости, в свою очередь, зависят от интенсивности излучения, концентрации реагентов. На высоте 40 км время жизни для озона около 3 часов. На высоте 15 км - около 100 суток. Если время жизни озона измеряется сутками, то на его фактическую концентрацию будут влиять динамические процессы в атмосфере. Возможны варианты:

1. Поток воздуха, содержащего озон, направлен вниз (обычный процесс в приполярных широтах). Чем ниже, тем больше время жизни, тем до больших концентраций будет накапливаться озон.

2. При восходящих потоках время жизни, а, следовательно, и концентрация озона будет уменьшаться (обычный процесс в экваториальной области).

Действительно, высота озонового экрана у полюсов - 7-8 км, а у экватора - 17-18 км. При этом в высоких широтах общее содержание озона в атмосфере больше, чем в экваториальной области. Максимальные концентрации озона в средних широтах наблюдаются на высоте 24-25 км.

Значение О₃

Излучение Солнца в диапазоне 200-400 нм имеет наибольшую биологическую активность на единицу энергии излучения, больше, чем рентгеновское излучение, g-лучи.

Лучи с l < 200 нм хорошо поглощаются О₂. Поэтому они не доходят даже до нижних слоев стратосферы. Озон поглощает УФЛ с l = 200-320 нм. У организмов есть адаптация к УФЛ с l > 320 нм, но против УФЛ с l < 320 нм они беззащитны.

Снижение концентрации озона на 10-20 % приведет к увеличению интенсивности УФЛ в несколько раз. Это приведет к резкому увеличению случаев заболевания раком кожи, поражения сетчатки глаз.

Косвенное доказательство такого прогноза

Интенсивность УФЛ в Самаркандской области на 10% больше, чем в Мурманской и Архангельской. Количество заболеваний раком кожи на 1000 человек:

в Самаркандской области 30-33

в Мурманской, Архангельской 5-6.

Озон и климат

На высоте 20 км и выше (до большей части мезосферы) поглощение озоном солнечного излучения является главной причиной нагрева этих слоев.

Расчеты показывают, что при уменьшении концентрации озона в 2 раза в мезосфере температура снизится примерно на 20⁰С, в большей части стратосферы (18-40 км) на 6-8⁰С.

Распределение температуры в атмосфере определяет динамические процессы в ней. В результате сильно изменятся процессы вертикального переноса газа в ней. Структура стратосферы станет неустойчивой. Озон поглощает ИКЛ в районе l = 960 нм. Это та область, в которой СО₂ и Н₂О имеют окна прозрачности (800-1300 км). Повышение концентрации озона в тропосфере приведет к усилению парникового эффекта. (Рост С_ОЗОНА в тропосфере действительно наблюдается).

Впервые тревогу по поводу сохранности озонового слоя забили в 1971 году. В связи с проектами широкого использования сверхзвуковой гражданской авиации. Ученые обратили внимание на такие реакции:

О₃ + NO ® NО₂ + О₂

NО₂ + О ® NО + О₂

____________________

О₃ + О ® О₂ + О₂

Оксиды азота выступают как гомогенный катализатор. Чем выше концентрация оксидов азота, тем выше скорость разложения озона по азотному циклу.

Источником оксидов азота в стратосфере являются сверхзвуковые самолеты и ракеты.

Поступление оксидов азота от поверхности Земли затруднено. Вымываются дождями, мешает тропопауза.

Попутно обнаружили разложение озона по водородному циклу:

ОН + О₃ ® НО₂ + О₂

НО₂ + О ® ОН + О₂

____________________

О₃ + О ® О₂ + О₂

Воды в стратосфере мало. Но ее могут добавлять те же сверхзвуковые самолеты. Источником радикалов ОН и НО₂ могут быть метан и другие углеводороды. В 1974 Роуленд и Молина обнаружили, что разложение озона по хлорному циклу в шесть раз быстрее, чем по азотному.

Сl + O₃ ® Cl + O₂

ClO + O® Cl + O₂

Но откуда хлор в стратосфере? Оказывается, что фторхлоруглероды (фреоны) при фотодиссоциации образует атомарный хлор.

Фреоны производятся с конца 20-х годов и широко используются в холодильной технике, аэрозольных упаковках. Время жизни в атмосфере самых распространенных фреонов F-12 (CF₂ Cl₂) составляет 70 и 100 соответственно. Поэтому хотя и движение в стратосферу очень затруднено (из одного источника - для попадания в стратосферу молекулы фреона нужен год, из другого - десятилетия), они туда в конце концов попадают.

К моменту открытия Роуленда и Молины производство фреонов было бурно развивающейся отраслью промышленности. (С 1956 года по 1975 выпуск F-11 вырос в пятьдесят раз, а F-12 - в двадцать раз).

Закрыть целую отрасль промышленности, отказаться от привычных удобств из-за расчетов на компьютере какой-то математической модели?

Прошло десятилетие наблюдений, расчетов, споров.

В 1984 году группа английских ученых обнаружила ²озоновую дыру² над Антарктидой (40% -е снижение концентрации).

Это подтолкнуло правительство большинства стран производителей фреонов к заключению конвенции.

По ²Конвенции по охране озонового слоя² (Вена, 1985 год) страны обязались:

-систематически вести наблюдения;

-изучать реакции О₃ и его биологические последствия сокращения С_О3;

-информировать об объемах производства фреонов.

Монреальский протокол (1987 года):

1. Утвердил список наиболее опасных фреонов.

2. Обязал снизить производство фреонов к 1993 году на 20%;

к 1998 году на 50%

по сравнению с уровнем производства в 1986 года.

Лондон. Плановая конференция стран-участников Монреальского протокола:

1. После 2000 года полностью прекратить производство всех фреонов с высокой озоноразрушающей способностью.

2. Образован специальный фонд для помощи развивающимся странам по переходу на новую химическую технологию.

Что такое ² озоновая дыра ²?

В результате особенностей атмосферных явлений в Антарктиде, связанных с очень низкой температурой, происходит вымораживание оксидов азота. В результате прекращается очень важная реакция,

ClO + NO₂ ® ClONO₂

которая связывает ClO и существенно замедляет хлорный цикл.

Концентрация ClО возрастает в 300 раз. При этом экспериментально обнаружили, что концентрация озона в стратосфере обратно пропорциональна концентрации СlО.

В значительно меньшей степени “озоновые дыры” могут наблюдаться над Арктикой.

Интенсивные исследования химии атмосферы в последние десятилетия позволили многое узнать о проходящих в ней процессах.

Однако, сделать окончательный вывод о том, что ждет озоновый экран Земли в будущем, пока нельзя.

Решение вопросов, связанных с кислотными осадками, в настоящее время не имеет принципиальных проблем и лежит сугубо в технической области.
Таким образом, на сегодняшний день главной экологической проблемой является проблема антропогенного изменения климата планеты, и в первую очередь – усиление парникового эффекта.
Парниковым эффектом называют природное явление, связанное с тем, что атмосфера, прозрачная для солнечной радиации, препятствует оттоку тепла в космическое пространство. Это обеспечивает постоянство среднегодовой температуры у поверхности Земли, относительную стабильность планетарного климата (средняя приземная температура – важнейшая характеристика глобального климата) и большую временную константу (порядка нескольких тысячелетий) климатических изменений. Углекислый газ и водяной пар (его содержание, несмотря на сильные широтные и высотные колебания, практически постоянно) являются основными парниковыми газами, задерживающими значительную часть длинноволновой инфракрасной (тепловой) радиации от поверхности Земли¹. Благодаря парниковому эффекту среднегодовая температура у поверхности Земли в последнее тысячелетие составляет примерно 15 °С (без него эта температура опустилась бы до –18 °С, при которой существование жизни на Земле стало бы невозможным).
Усиление парникового эффекта происходит за счет увеличения содержания в атмосфере углекислого газа техногенного происхождения. Чтобы восстановить стабильность климата – необходимое условие устойчивого развития биосферы и человеческой цивилизации на Земле, надо остановить рост парникового эффекта.

Дата добавления: 2014-01-04