Материал: Л8 Экология атмосферы. Глобальные экологические проблемы

Глобальные современные экологические проблемы атмосферы

Озон в тропосфере.

Авторы статьи (Chem&Eng., июнь, 2001) назвали озон в тропосфере "влетающим с ветром". По их последним данным, озон, выбросы, ведущие к образованию О3 (такие как NOx), а также аэрозоли поднимаются вверх в

Северной Америке и ветром сносятся через Атлантический океан в Европу, 15% их достигают Арктики. Атмосферные выбросы Европы проходят в центральную Азию, а выбросы Азии - через Тихий океан к западному берегу Северной Америки. Происходит естественное перемещение озона в тропосфере в масштабах всей планеты. В Северной Америке максимальная концентрация озона в тропосфере наблюдается летом. Весна и осень -

лучшее время уноса О3 через Атлантику в Европу, далее озон поднимается в верхние слои тропосферы.

Предложен способ различать озон стратосферы, который через тропосферу поступает к Земле, и озон, образующийся при фотохимических процессах в нижних слоях тропосферы из топливных выбросов (NOx). Эти выбросы сопровождаются большой концентрацией СО, поэтому величина концентрации СО может быть тестом на антропогенный озон.

По последним данным, вклад NOx в образование О3 в тропосфере различается в зависимости от концентрации NOx в тропосфере. Так, предприятия, выбрасывающие низкие количества NOx, способствуют образованию большего количества озона, чем предприятия с высоким выбросом NOx (концентрация О3 на единицу концентрации NOx).

Кроме того, предприятия, расположенные рядом с лесом (леса вырабатывают специфические УВ), производят больше озона, чем те же предприятия, удаленные от лесов. Парадокс! Получается, что леса не лучшее место для предприятий, работающих на топливе.

Как уже было показано, для мегаполисов и промышленных объектов озон является основным источником образования органических радикалов,

которые крайне негативно влияют на экосистему. Кроме того, сами органические соединения могут быть источниками появления озона:

ROO• + O2 → RO• + O3

RO• + O2 → R• + O3

Систематическое дыхание озоном приводит к накоплению в лёгких чужеродных веществ, приводящих к онкологическим заболеваниям.

ПДК озона для городов составляет 0.3-0.4 мг/м3. При 0.1 ppb наблюдается усталость, головная боль, резь в глазах. При увеличении концентрации наступает отёк лёгких. Средняя концентрация озона в промышленных районах в летнее время составляет 0.03 мг/м3.

Смог (англ. smoke - дым и fog - туман) – туманная завеса над промышленными предприятиями и городами, которая образуется за счёт газообразных отходов, в первую очередь SO2.

Смог бывает следующих видов:

1.Зимний смог (Лондонский тип). Тихая безветренная погода способствует накоплению выхлопных газов транспорта и выбросов из невысоких труб. Основными компонентами являются: SO2, сажа, аэрозоли.

2.Летний, фотохимический (Лос-анжелесский тип). Основными компонентами являются органические радикалы, которые образуются из органических соединений под действием солнечного света, и оксиды азота. При интенсивном солнечном свете из них образуются фотооксиданты, преимущественно озон.

Озоновый слой.

Озоновый слой – слой атмосферы, который находится в атмосфере (на

высоте 20−45 км и при температуре −10 −5°С) с повышенным содержанием озона (около 0,0003% с погрешностью 30%). Содержание озона в слое составляет 120 760 е.Д. Единица Добсона =2,7 1016 О3/см3. Количество молекул О3 в атмосферном столбе площадью основания 1 см2, равное 2,7 1016

О3/см3. 1 см3 атмосферного воздуха содержит 2,7 1019 молекул газов.

Озоновый слой размещается на высоте 20-45 км от поверхности земли. Под действием жесткого ультрафиолетового излучения (с длиной волны 240-260 нм) происходит диссоциация молекул кислорода:

O2+ hn1 ® O + O,

полученный атомарный кислород соединяется с молекулами кислорода и образуется озон:

O2+ О ® O3

Процесс образования озона обратим:

O3+ hn2 ® O2 + O

(длиной волны 310 нм). Таким образом, на высоте 20-45 км от поверхности земли жесткий УФ расходуется на образование и разрушение озона, защищая Землю от гибельных лучей.

Гибель в стратосфере:

hν2=310 нм

О3 → О + О2 (1)

О +О3 → 2О2 (2)

Скорость реакции (1) намного больше скорости реакции:

hν1

О2 → 2О Механизм гибели озона в стратосфере предложен английским

геофизиком Чепменом (1930-ых).

Реакция (2) является основным и единственным процессом гибели озона, т.к. если принять реакцию (1), то время жизни О3 на высоте 30 км было бы 0,5 час, а на высоте 15 км – двое суток, и перенос О3 из тропиков к полюсам (который требует несколько месяцев) был бы невозможен. По реакции (2) О3 и О рассматриваются как одна и та же частица Ох, поскольку атмосферные времена жизни этих частиц одинаковы. На высоте 30 км озон живет 0,6 года, столько же и атомарный кислород.

Действие других естественных и антропогенных источников, разрушающих озон, обусловлено исключительно ускорением этой реакции. Это ускорение связано с появлением более быстрых параллельных путей основной реакции гибели О3:

Х + О3 → ХО + О2

где Х=HO•, NO, Cl, Br и др.

Чрезвычайно важной особенностью реакций с участием частиц Х является цепной характер этих процессов. В простейшем случае этот механизм включает следующие стадии:

1)образование химически активных частиц Х, ведущих цепь

2)продолжение цепи:

Х+ О3 → ХО + О2

ХО + О→ Х + О2

----------------------

О + О3 → 2О2

3) гибель частиц Х. Разрушение озонового слоя.

Озоновые дыры – уменьшение концентрации озона.

Наиболее сильное уменьшение концентрации озона наблюдается в сентябре – ноябре над Антарктикой, в январе – марте над Арктикой, Европой, Сибирью и США. В отдельные годы (в начале 80-ых) уменьшение концентрации озона достигало 30 50%.

По расчётам около половины наблюдаемого уменьшения озона Московским регионом связано с антропогенным воздействием, другая половина связана с естественными причинами. В Западной Европе – 75% воздействия, приводящего к уменьшению озонового слоя - антропогенное воздействие. В США – 60%. В Японии и на Байкале – около 50%. Разрушение озонового слоя может быть объяснено несколькими способами:

Действие фреонов (Ш.Роуленд и М.Молина, США, 1973 г.)

Фреоны – соединения, представляющие собой любые сочетания хлор- и фторпроизводных алканов:

CFCl3, CF2Cl2, CF3Cl, CF4, CF3CF3, CF2ClCF2Cl, CFCl2CFCl2

Фреоны устойчивы в тропосфере, что позволяет им подниматься достаточно высоко. Около озонового слоя под действием жесткого ультрафиолета происходит разрушение озонового слоя (рис.26):

CF2Cl2+ hν → CF2Cl• + Cl•

Cl• + O3 → ClO• + O2

ClO• + O3 → Cl• + 2O2

Одна молекула фреона способна разрушить десять тысяч молекул озона. В 1987 г. в Монреале и в 1990 г. в Лондоне были приняты протоколы,

согласно которым производство фреонов должно быть сокращено на 50% к 1995 г. и полностью прекращено к 2000 г.

УФ−лучи

Поверхность Земли Рис.26. Разрушение озонового слоя

Трудно объяснить появление озоновых дыр над Антарктидой, тогда как не менее 90% фреонов попадают в атмосферу из Европы и США.

Геологическая или природная теория.

По этой теории озоновые дыры проявляются в местах выделения из разломов земной коры метана и водорода:

CH4 + O3 → CH3OH+ O2 H2+ O3 → H2O+ O2