Курсовая работа: Озоносфера и ее значение в функционировании климатической системы
В последние два десятилетия человечество все больше беспокоит проблема усиления парникового эффекта из–за увеличения в атмосфере количества CO2. Факт монотонного роста концентрации двуокиси углерода в тропосфере в результате человеческой деятельности (уменьшение площади лесов, сжигании органического топлива, и другие промышленные процессы) установлен с высокой степенью достоверности. Этот рост за последние 20 лет составляет 0,3 – 0,4% в год. Если тенденция роста CO2 в последующие десятилетия сохранится, то удвоение количества CO2 в атмосфере, которое существовало в доиндустриальную эру, должно произойти примерно в середине XXI в. Правда, наиболее оптимистические модели предсказывают такое удвоение лишь к 2100 г. Конечно, реальная картина будет зависеть, прежде всего, от того, как быстро будет расти потребляемое человечеством количество энергии и насколько удастся заменить существующие сегодня источники энергии новыми, чистыми в экологическом отношении.
озон циркуляция разрушение климатический
3. Распределение озона с высотой
Озон имеется в разных слоях атмосферы – приземном слое, тропосфере, стратосфере, мезосфере. В каждом из этих слоев он рождается и погибает по своим законам. В стратосфере озон образуется эффективнее всего, но здесь же он и исчезает быстро. Тропосферный озон называют консервативным. Он существует дольше. Всю атмосферу с озоном рассматривают как единое целое, единую систему, в которой отдельные слои и прослойки являются сообщающимися сосудами. Озон движется не только вверх-вниз, но и горизонтально. В низких и высоких широтах распределение озона с высотой различное. В низких широтах, в тропической зоне, общее содержание озона мало и меняется незначительно. В тропической зоне стратосферный слой озона находится на большой высоте. Его максимум приходится на высоты между 24 и 27 км. В полярной области слой озона в стратосфере расположен ниже, его максимум приходится на 13–18 км. В промежуточной зоне заметны сезонные изменения озона: к весне общее содержание озона увеличивается, а к осени убывает. Озонный слой выполняет роль фильтра-регулировщика: вредным ультрафиолетовым лучам путь к Земле запрещен, полезному ультрафиолетовому излучению с длиной волны 0,3–0,4 мкм – дорога к людям открыта.
Озоновый слой на самом деле не является слоем. Озон распределён практически по всей атмосфере. Но не совсем равномерно.
Как видно из графика, имеется максимум концентрации озона на высотах примерно 20–25 километров. Что соответствует примерно середине стратосферы: Концентрация озона не очень велика, как уже было отмечено, даже если собрать весь озон при нормальных условиях, то его слой будет иметь толщину всего лишь порядка нескольких миллиметров. Тем не менее, этого достаточно для задержания практически полностью наиболее жёстких ультрафиолетовых лучей, которые, тем не менее, не настолько энергетичны, чтоб поглощаться кислородом. И этот диапазон УФ как раз наиболее опасен с биологической точки зрения, так как разрушает ДНК. Изучение изменений концентрации озона в атмосфере за историю Земли показывает, что только с появлением более-менее плотного озонового слоя жизнь смогла выйти из океана, где она была защищена водной толщей от губительного излучения: то есть фактически не только сухопутная жизнь, но и все мы обязаны своим появлением озоновому слою.
Начиная с высоты примерно 25 километров количество молекулярного кислорода становится достаточным для начала реакций. Ниже значительно ослабевает интенсивность жёсткого излучения и неустойчивая молекула озона под воздействием различных факторов (в т.ч. длинноволнового излучения) разрушается. Образующийся в озоновом слое озон тяжелее молекулярного и атомарного кислорода и постепенно опускается вниз – это явление называется «озоновый дождь».
Воздействием, которое может ломать может быть не только поток жёсткого солнечного излучения, но и сильный электрический разряд (молния), некоторые химические вещества (содержащиеся в т.ч. в смоле хвойных деревьев) также вызывают распад молекулы кислорода, выделяется атомарный кислород, реагирующий с молекулярным и образуется озон. Именно поэтому насыщен озоном воздух хвойных лесов и после грозы (озон имеется специфический запах, в отличие от молекулярного кислорода и в небольших концентрациях полезен, хотя и является ядом при большом содержании).
В слое озоносферы озон находится в очень разреженном состоянии. Если бы все количество озона собрать при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 °С, то толщина этого слоя составила бы всего 3–5 мм (300–500 ед. Д (Единица Добсона (ед. Д)=1/100 мм)). Измерения высоты слоя озона. Первые исследователи озона, исходя из отсутствия озона в нижних слоях и наблюдений, измерений, и предположили, что озон присутствует в виде слоя на высоте порядка 60 км. Гетцом, Добсоном и Митхамом в 1933 г. были поставлены фундаментальные исследования комбинированным методом – одновременно применялся метод зенитного света и метод непосредственного измерения интенсивности полос в спектре Солнца. Исследования производились в Арозе. Эти наблюдения привели к заключению, что озон расположен в виде слоя, начиная с 15 км до 35 км. Эти результаты, вероятно, не в пользу корпускулярной гипотезы происхождения озона; при этом они могут быть легко объяснены с точки зрения фотохимической теории озона; распределение озона по высоте согласуется с теоретической функцией Чепмана. Однако оно несомненно должно зависеть от широты. Поэтому постановка точных исследований по высоте озона чрезвычайно желательна. Но она может быть выполнена только инструментами по точности не ниже, чем озонный спектрометр Добсона. Для объяснения содержания озона в земной атмосфере было высказано два принципиальных взгляда. Один взгляд связывал происхождение озона с корпускулярным излучением Солнца. Но кроме качественного указания на эту причину эта гипотеза особого развития до сих пор не получила. Впрочем, предварительные сообщения Довилье заставляют внимательно отнестись и к роли полярных сияний и света ночного неба в балансе озона. Другой взгляд говорит о происхождении озона вследствие разрушения кислорода О2 ультрафиолетовыми лучами Солнца. Это – фотохимическая теория образования озона. (Известно, что обычный молекулярный кислород имеет полосу в районе 1300–1800 А.) Эта радиация разбивает обычный молекулярный кислород на атомный. Существование атомного кислорода кладется в основу фотохимической теории озона. Еще вычисления Чепмана показали, что на высоте 80 км на каждые 300 молекул приходится один атом, а на высоте 120 км один атом приходится на три молекулы, т.е. содержание О быстро растет с высотой. Можно пренебрегать диффузией и падением озона, так как продолжительность жизни озонной молекулы определяется следующими факторами: ультрафиолетовая радиация Солнца при длине волн порядка 2500 А; термические столкновения в более низких слоях, где присутствует озон в незначительном количестве и где находятся водяные пары, аммиак и перекись водорода (молекулы озона очень легко входят в реакцию с этими молекулами). Таковы факторы, разрушающие молекулу озона. Факторами, создающими озон, является ультрафиолетовая радиация Солнца еще более короткой длины волн – 1500 А, и, наконец, нужно иметь в виду полярное сияние. Интересная мысль высказана академиком В.И. Вернадским о значении биогенного происхождения свободного кислорода и, следовательно, о роли биосферы в образовании озонного экрана, столь важного для жизни.
4. Географическое распределение озона. воздействие циркуляции атмосферы на динамику озоносферы
Озон постоянно образуется и распадается в атмосфере. Большая часть озона образуется в стратосфере (высокие слои атмосферы) в экваториальных районах. Однако если мы посмотрим на распределение озона по широтам Земли, то увидим, что как раз над экватором в стратосфере концентрация озона минимальна, она растёт по направлению к полюсам. Больше всего озона находится:
• в Северном полушарии на широте 65–75°
• в Южном полушарии на широте 60–65°
Возникает вопрос: «почему же так происходит?» Казалось бы, там, где озон в основном образуется, там его и должно быть больше всего. Дело в том, что в экваториальных широтах (как указано выше, высота озонового слоя там около 25 километров) озон не только образуется в больших количествах – он так же быстро и распадается. Потоки солнечного излучения разбивают молекулы озона, а также он разрушается и в результате реакций с атомарным кислородом. Среднее время жизни молекулы озона над экваториальными районами составляет всего несколько часов. Опускаясь из-за большей плотности и с нисходящими потоками в более нижние слои («озоновый дождь», о котором сказано выше), озон одновременно двигается с массами воздуха в направлении полюсов (такое движение воздушных масс от экватора к полюсам называется волнами Россби).
В более высоких широтах время жизни молекулы намного больше (в полярных районах молекула существует до распада в среднем сто суток), поэтому, несмотря на то, что озон образуется в высоких слоях экваториальной атмосферы, его содержание выше в более низких слоях атмосферы более высоких широт. Это правило (увеличение концентрации озона от тропических к полярным областям и от более высоких слоёв к более низким) носит название принципов Дютша–Добсона и Добсона-Норманда соответственно.
В течение суток концентрация озона растёт с утра до вечера. Это можно также объяснить тем, что ночью озон распадается, а необходимого для его образования потока солнечного излучения нет. В течение года минимум концентрации озона приходится на весенний период, а максимум – на осенний, при этом изменение концентрации по полушариям происходит зеркально, ведь когда у нас весна, в южном полушарии осень. Максимум содержания озона в северном полушарии совпадает с минимумом в южном.
Наконец, существует ещё один, длинный цикл изменения концентрации озона, он напрямую связан с одиннадцатилетним циклом потока солнечной радиации в ультрафиолетовом диапазоне (как указано выше, поток жёсткого излучения важен для образования озона).
Озоновый слой – главная защита Земли от чрезмерно интенсивного ультрафиолетового (УФ) солнечного излучения. Но, к сожалению, на протяжении вот уже более 20 лет во многих регионах мира, в том числе, в осенний и зимний периоды над странами Балтии, озоновый слон слишком «тонок». В результате увеличивается возможность заболевания раком кожи и катарактой глаз, ослабляется иммунитет, уменьшаются сельскохозяйственные урожаи, а также рыбные уловы и др. Результаты некоторых исследований свидетельствуют о том, что истончение озонового слоя сегодня практически остановилось, но другие говорят, что «озоновая дыра» в 2005 году достигла почти рекордных размеров. Таким образом, нужно думать, что именно этот и пара следующих годов в обновлении озонового слоя станут решающими. В защиту озонового слоя включились 189 стран мира, в том числе и Беларусь. Почти всем технологиям, в которых применяются вещества, утончающие озоновый слой, найдены альтернативы, и производство этих веществ, торговля ими и их использование стремительно уменьшается. Например, в 1986 году в мире было израсходовано примерно 1 100 000 тонн HFO или CFC (одно из наиболее распространенных веществ, утончающих озоновый слой, называемое также фреоном), а в 2001 году общее количество потребленного HFO составило только примерно 110 000 тонн. Ученые прогнозируют, что если будут соблюдены реализуемые сегодня мероприятия по защите озонового слоя, озоновый слой обновится и восстановит свое нормальное состояние к 2050–2060 годам.
Низкая средняя высота озона около 20 км затрагивает бывший спорным вопрос о его происхождении. Теперь представляется невероятным предположение, что озон образуется в воздухе, главным образом, корпускулами извне (как это думали французские авторы), частицами, производившими северное сияние. Точка зрения эта была выдвинута в виду возрастания содержания озона с возрастанием широты и увеличением содержания озона в течение зимы, с осени до весны, в особенности в полярных широтах. Однако для объяснения этих наблюденных фактов нет необходимости допустить существование какого-либо иного производящего озон агента, кроме ультрафиолетового солнечного света. Несмотря на то, что теория равновесия озона Чепмана имеет лишь временное значение и не завершена во многих отношениях, новые данные об озоне с каждым годом подтверждают ее. В результате работ, предпринятых Добсоном, окончательно было установлено, что помимо годового изменения содержания озона существует увеличение содержания озона с географической широтой. Этого нельзя сказать о корпускулярной теории образования озона. Здесь могут быть приведены следующие неясные с точки зрения этой теории вопросы: 1) каким образом в течение 36-часового пути от Солнца до Земли отдельные пачки корпускул не рассеиваются; 2) корпускулярной тени Луны не наблюдалось во время солнечного затмения 31 августа 1932 г.; 3) неясно, какова природа корпускул, и 4) как они могут долетать до высоты 30 км (при вероятных скоростях по Милну высота в 100 км уже является предельной). Остается отдельно упомянуть факт зависимости содержания озона от метеорологических условий (циклоны и антициклоны, низкое и высокое давление), который до сих пор не объяснялся ни одной из существующих теорий образования озона.
«Суммарный озон» представляет общую сумму озона в вертикальной колонке, достигающей от поверхности земли до вершины атмосферы.
Под суммарным озоном, или общим содержанием атмосферного озона, имеется в виду количество озона в вертикальном столбе атмосферы. Вертикальное и горизонтальное распределение температуры в стратосфере, а также барическое поле, ветровой режим и, в частности, струйные течения самым тесным образом связаны с атмосферным озоном.
5. Озоновые дыры: причины их возникновения. Антропогенное воздействвие на озоносферу
Впервые «озоновую дыру» обнаружили над Антарктидой. В 1984 г. Джордж Фарман, член Британской антарктической экспедиции отметил снижение концентрации стратосферного озона над станцией Халли-Бей в Антарктиде на 40%. При уточнении данных со спутника Nimbus (США), выяснилось, что сокращение концентрации озона над Антарктидой продолжается уже 10 лет. В 1985 г. был впервые опубликован доклад о том, что над Антарктикой имеется зона, испытывающая дефицит в озоне, причем зона эта растет уже с 1980 г. Это моментально стало сенсацией, и в прессе впервые возник термин «озоновая дыра». Он, конечно же, некорректный, так как и речи идти не может, чтобы какая-либо область на Земле полностью оказалась без озоновой защиты. [15]
Озоновая «дыра» существует не постоянно. Она появляется в начале антарктической весны в середине октября и исчезает через месяц. На высотах 13–24 км озоновый слой разрушается полностью, а на других сильно уменьшается. Общая потеря озона может достигать 97%, а размер «дыры» нескольких миллионов квадратных километров. «Озоновая дыра» означает лишь, что ежегодное весеннее уменьшение количества озона над Антарктидой превысило норму.
Озоновая дыра расположена именно над Антарктидой потому, что над Южным полюсом находится самая холодная атмосфера на нашей планете. Во время полярной ночи она еще охлаждается, и в стратосфере формируются ледяные облака. Кроме того, образование озона возможно только под действием ультрафиолета, отсутствующего во время поляной ночи. Устойчивые зимние вихри над полюсом препятствуют проникновению озона из более теплых широт. С наступлением же весны облака нагреваются под воздействием Солнца, и в атмосфере начинают происходить химические процессы, сильно отличающиеся от таковых в умеренных широтах. Содержание озона из-за климатических процессов значительно снижено, и озоновому слою вредит даже малое количество хлора и фтора. Содержание этих веществ над Антарктикой не уступает другим регионам планеты, а окислов азота, связывающих хлор и способных таким образом прекратить цепную реакцию разрушения озона, там из-за низкой температуры не хватает. Активное выделение азота начинается только поздней весной и летом, когда на облака попадает достаточно солнечного света. Поэтому разрушение озона прекращается до следующей весны.
О «дыре» говорят тогда, когда дефицит озона превышает 30%. С начала 90-х годов озоновая дыра постепенно увеличивалась, и к 2000 г. достигла берегов Новой Зеландии и города Пунта-Аренас в Чили. С начала тысячелетия рост ее прекратился, и сейчас ситуация определяется учеными как стабильная. По их прогнозам, при текущем уровне загрязнения атмосферы, уменьшение дыры может начаться только через 50–60 лет. Однако одновременно с этим отмечается и появление озоновой дыры над Арктическим регионом. Она значительно меньше, чем Антарктическая (чья площадь сравнима с площадью Северной Америки), и поэтому называется локальной. Еще одна такая же локальная дыра периодически отмечается над Центральной Азией. Уже само это сигнализирует, что появление озоновых дыр стало обычным явлением. Сразу же после обнаружения первой озоновой дыры были приняты решительные меры по восстановлению озонового слоя. В сентябре 1987 г. в Монреале 23 странами была подписана конвенция по сокращению и дальнейшему прекращению использования веществ, наносящих вред озоновому слою Земли. С тех пор к конвенции присоединились и другие страны, и сейчас их количество достигает 200. Многие страны ведут разработки в этом направлении, и мы можем надеяться, что скоро проблема все же будет решена. Оценки исследователей, журналистов и просто интересующихся разнообразны и зачастую противоречивы. Наряду с паникой из-за озоновых дыр, бытует и мнение, что весь ажиотаж вокруг этого вопроса надуманный. Запрет производства хлорфторуглеродов приводит к значительным убыткам компаний, производящих их. Еще в начале 90-х такие потрясения в химической промышленности казались многим неслучайными.
