Актуальность темы работы

Мировое сообщество говорит о важности этого вопроса, что выразилось в подписании нескольких международных соглашений об охране озонового слоя. Так же 16-го сентября объявлен Международный день охраны озонового слоя.

Экологическая составляющая проблемы заключается в том, что во второй половине ХХ века отмечается уменьшение стратосферного озона в большом масштабе, а он защищает планету от губительного для населения ультрафиолетового излучения. Кроме того, изменение озоносферы ведет к изменению потоков энергии от Солнца к Земле, что может привести к аномалиям.

Экономический аспект – в 1987 году был заключен международный – Монреальский договор, согласно которому страны - участницы, должны перейти потребление новых видов хладоносителей и пропеллентов взамен фреонов. Такие изменения требуют огромных капиталовложений.

Всё выше сказанное предопределяет актуальность темы данной работы.

Теоретическая база исследования - анализ причин истощения и разрушения озонового слоя.

Цель данной работы - анализ причин истощения и разрушения озонового слоя.

Для достижения цели нам нужно:

1) Изучить научно-технические источники.

2) Рассмотреть строение атмосферы.

3) Рассмотреть состав озонового слоя.

4) Причины истощения ОС.

5) Озоновые дыры над Антарктикой и Арктикой.

6) Последствия истощения в глобальном масштабе.

7) Рассмотреть пути по решению проблемы истощения.

Объект исследования – планета Земля.

Предмет исследования – атмосфера.

Методы исследования – критический анализ.

Теоретическая часть «Проблема истощения озонового слоя»

Атмосфера

Атмосфера Земли состоит из 78% азота, 21% кислорода и 0,93% аргона. Остальная часть, менее 0,1%, содержит такие газы, как водяной пар, двуокись углерода и озон. Все эти газы оказывают важное влияние на климат Земли. Атмосферу можно разделить на вертикальные слои, определяемые путем изменения температуры с высотой. Считается, что нынешняя атмосфера развивается из газов, выбрасываемых вулканами. Кислород, от которого зависит вся жизнь животных, накапливается как избыточные выбросы от растений, которые производят его в качестве отхода во время фотосинтеза. Деятельность человека может влиять на уровень некоторых важных компонентов атмосферы, особенно углекислого газа и озона.

Рисунок 1 – Состав атмосферы Земли

Наиболее распространенный атмосферный газ, азот (химический символ N₂) в значительной степени инертен, что означает, что он не реагирует с другими веществами с образованием новых химических соединений. Следующий наиболее распространенный газ, кислород (O₂), необходим для дыхания всей жизни на Земле, от людей до бактерий. В отличие от азота, кислород является чрезвычайно реакционноспособным. Он участвует в окислении, примеры которого включают превращение яблок из белого в коричневый после нарезания, ржавление железа и очень быстрое окисление, известное как огонь. Чуть менее 1% атмосферы состоит из аргона (Ar), который является инертным благородным газом, что означает, что он не участвует в каких-либо химических реакциях при нормальных обстоятельствах. Вместе эти три газа составляют 99,96% атмосферы. Оставшиеся 0,04% содержат большое количество других газов, некоторые из которых имеют решающее значение для жизни на Земле.

Углекислый газ (CO₂) влияет на климат Земли и играет большую роль в поддержании в биосфере множества видов живых существ, населяющих поверхность Земли. Только около 0,0255% атмосферы составляет CO₂. Углекислый газ необходим для жизни растений для фотосинтеза, процесс использования солнечного света для хранения энергии в виде простых сахаров, от которых зависит вся жизнь на Земле. Углекислый газ также является одним из классов соединений, называемых парниковыми газами. Эти газы состоят из молекул, которые поглощают и излучают инфракрасное излучение, которое ощущается как тепло. Солнечная энергия, излучаемая солнцем, в основном находится в видимом диапазоне, в узкой полосе длин волн. Это излучение поглощается земной поверхностью, а затем снова излучается в пространство не как видимый свет, а как более длинное инфракрасное излучение. Молекулы парниковых газов поглощают часть этого излучения до того, как оно выйдет в космос, и снова повернёт часть его обратно на поверхность. Таким образом, эти газы захватывают часть выходящего тепла и повышают общую температуру атмосферы. Если в атмосфере не будет парниковых газов, считается, что поверхность Земли будет на 90 ° F (32 ° C) горячее.

Водяной пар (H₂O) находится в атмосфере в небольших и сильно варьируемых количествах. Несмотря на то, что он почти отсутствует в большей части атмосферы, его концентрация может достигать 4% в очень теплых, влажных областях, близких к поверхности. Несмотря на свою относительную нехватку, атмосферная вода, оказывает большое влияние на Землю, чем любой из основных газов, кроме кислорода. Водяной пар является элементом гидрологического цикла, который перемещает воду между океанами, поверхностными водами, атмосферой и полярными ледяными шапками. Водный «велосипед» управляет эрозией и выветриванием горных пород, определяет погоду на Земле и создает климатические условия, которые делают сухие или влажные участки земли живыми или негостеприимными. При достаточном охлаждении водяной пар образует облака путем конденсации до жидких капель воды или при более низких температурах - кристаллы твердого льда. Помимо создания дождя или снега, облака влияют на климат Земли, отражая часть энергии, исходящей от солнца, делая планету несколько более прохладной. Водяной пар также является важным парниковым газом. Он сосредоточен вблизи поверхности и гораздо более распространен вблизи тропиков, чем в полярных областях.

Озон (O₃) встречается почти исключительно в слое около 9-36 миль (15-60 километров) на высоте. На более низких высотах озоновый газ раздражает глаза и кожу и химически воздействует на резину и растительную ткань. Тем не менее, это жизненно важно для жизни на Земле, потому что она поглощает большую часть излучения высокой энергии солнца, которое вредно для растений и животных. Часть энергии, излучаемой солнцем, находится в ультрафиолетовой (УФ) области. Это более короткое излучение с длиной волны отвечает за загар и является достаточно сильным, чтобы нанести вред клеткам, вызвать рак кожи и ожог кожи. Молекулы озона вместе с молекулами О₂ поглощают почти все высокоэнергетические УФ-лучи, защищающие поверхность Земли от наиболее разрушительного излучения. Первый шаг в этом процессе происходит высоко в атмосфере, где молекулы О₂ поглощают ультрафиолетовое излучение с очень высокой энергией. При этом каждая поглощающая молекула распадается на два атома кислорода. Кислородные атомы в конечном итоге сталкиваются с другой молекулой О₂, образуя молекулу озона, О₃ (третья молекула требуется для столкновения, чтобы унести избыточную энергию). Озон, в свою очередь, может поглощать УФ несколько более длинной волны, что устраняет один из его атомов кислорода и оставляет O₂. Свободный атом кислорода, будучи очень реакционноспособным, почти немедленно рекомбинирует с другим O₂, образуя больше озона. Последние два этапа этого цикла повторяются, но не создают никаких новых химических соединений; они действуют только для поглощения ультрафиолетового излучения. Количество озона в стратосфере невелико. Если бы все они были транспортированы на поверхность, газ озона образовал бы слой толщиной 0,1-0,16 дюйма (2,5-4,0 мм). Этот слой тонкий, но его достаточно для защиты населения Земли от вредного солнечного излучения [6].

Структура атмосферы

Атмосфера может быть разделена на слои, основанные на профилях атмосферного давления и температуры (эти величины изменяются с высотой). Атмосферная температура постоянно снижается от ее значения на поверхности, около 290K (63 ° F, 17 ° C), пока она не достигнет минимума около 220K (минус 64 ° F; минус 53 ° C) на высоте 6 миль (10 километров). Этот первый слой называется тропосферой и находится под давлением более 1000 миллибар на уровне моря до 100 миллибар в верхней части слоя, тропопаузы.

Над тропопаузой температура поднимается с увеличением высоты до 27 миль (45 километров). Эта область повышения температуры представляет собой стратосферу, охватывающую диапазон давления от 100 миллибар у основания до 10 миллибар при стратопаузе, верхней части слоя.

Выше 30 миль (50 километров) температура возобновляет свое падение с высотой, достигая очень холодного минимума 180 К (минус 135 ° F, минус 93 ° C) на 48 миле (80 километров).

Рисунок 2 – Строение атмосферы [9]

Этот слой представляет собой мезосферу, которая на вершине (мезопауза) имеет атмосферное давление всего 0,01 миллибар (то есть только 1/100000-й поверхностного давления). Над мезосферой находится термосфера, простирающаяся на сотни миль вверх к вакууму пространства. Невозможно распознать точную верхнюю часть атмосферы, потому что молекулы воздуха становятся более слабыми до тех пор, пока атмосфера не будет смешана с материалом, находящимся в космосе.

1) Тропосфера.

Тропосфера содержит более 80% массы атмосферы, а также почти весь водяной пар. Этот слой содержит воздух, которым мы дышим, наблюдаемые ветры и облака, которые приносят нам дождь. Все, что мы знаем, как погода, происходит в тропосфере, название которой означает «изменяющаяся сфера». Все холодные фронты, теплые фронты, системы высокого и низкого давления, штормовые системы и другие особенности, наблюдаемые на карте погоды, происходят в этот самый низкий уровень. Тяжелые грозы могут проникать в тропопаузу.

В тропосфере температура уменьшается с увеличением высоты со средней скоростью около 11,7 ° F на каждые 3281 фута (6,5 ° C на каждые 1000 метров). Эта величина известна как градиент. Когда воздух начинает расти, он будет расширяться и остывать с более высокой скоростью, определяемой законами термодинамики. Это означает, что, если воздух начнет расти, он скоро станет более прохладным и плотным, чем его окружающая среда, и опустится вниз. Это пример стабильной атмосферы, в которой предотвращается вертикальное движение воздуха. Поскольку воздушные массы движутся внутри тропосферы, масса холодного воздуха может перемещаться в область и иметь более высокий градиент. То есть его температура падает быстрее с высотой. В этих погодных условиях воздух, который начинает подниматься и охлаждаться, станет теплее, чем его окружающая среда. Затем он похож на воздушный шар: он менее плотный, чем окружающий воздух и плавучий, поэтому он будет продолжать расти и охлаждаться в процессе, называемом конвекцией. Если это будет продолжаться, атмосфера будет считаться нестабильной, и растущая посылка воздуха будет охлаждаться до такой степени, когда ее водяной пар конденсируется, образуя капли облака. Воздушная посылка теперь представляет собой конвективное облако. Если плавучесть достаточно энергична, бурное облако будет развиваться по мере того, как облачные капли будут расти до размеров капель дождя и начнут выпадать из облака в виде дождя. Таким образом, при определенных условиях температурный профиль тропосферы делает возможным появление грозовых облаков и осадков.

Во время сильной грозы кучево-дождевые облака (тип, который производит сильный дождь, сильный ветер и град), могут расти достаточно высокими, чтобы достичь или распространиться на тропопаузу. Здесь они сталкиваются с сильными стратосферными ветрами, которые могут срезать верх над облаками и останавливать их рост.

2) Стратосфера.

Начало стратосферы определяется как точка, в которой температура достигает минимума, а градиент резко падает до нуля. Эта имеет одно важное последствие: оно препятствует росту воздуха. Любой воздух, который начинает подниматься, станет более прохладным и плотным, чем окружающий воздух. Поэтому стратосфера очень стабильна.

В стратосфере содержится большая часть озона, найденного в атмосфере Земли, а наличие озона является причиной температурного профиля, обнаруженного в стратосфере. Озон и кислородный газ поглощают коротковолновую солнечную радиацию. В серии последующих реакций выделяется тепло. Это тепло согревает атмосферу в слое около 12-27 миль (20-45 километров) и дает стратосфере ее характерное повышение температуры с высотой.

Озоновый слой вызывает озабоченность. В 1985 году ученые из Британской антарктической службы отметили, что количество стратосферного озона над Южным полюсом резко упало в течение весенних месяцев, поскольку весна превратилась в лето. Изучение исторических данных показало, что весенние потери озона начались в конце 1960-х годов и к концу 1970-х годов стали значительно более серьезными. К середине 80-х годов практически весь озон исчезал из частей полярной стратосферы в конце зимы и ранней весны. Эти потери озона, получившие название озоновой дыры, были предметом интенсивных исследований как на местах, так и в лаборатории.

Хотя стратосфера имеет очень мало воды, облака кристаллов льда иногда могут возникать в нижней стратосфере над полярными областями. Ранние исследователи из Арктики назвали эти облака перламутровыми из-за их переливающегося вида. Совсем недавно были обнаружены очень тонкие и широко распространенные облака в полярной стратосфере в чрезвычайно холодных условиях. Эти облака, называемые полярными стратосферными облаками, представляют собой небольшие кристаллы льда или замороженные смеси льда и азотной кислоты. Эти облака играют ключевую роль в развитии озоновой дыры.

3) Мезосфера и термосфера.

Верхняя мезосфера и нижняя термосфера содержат заряженные атомы и молекулы (ионы) в области, известной как ионосфера. Атмосферные составляющие на этом уровне включают атомный кислород, азот (O и N) и оксид азота (NO). Все они подвержены сильному солнечному излучению ультрафиолетового и рентгеновского излучения, что может привести к ионизации, сбив электрон с образованием атома или молекулы с положительным зарядом. Ионосфера представляет собой область, обогащенную свободными электронами и положительными ионами. Эта область заряженных частиц влияет на распространение радиоволн, отражая их как зеркало, отражающее свет. Ионосфера позволяет настраивать радиостанции очень далеко от передатчика. Даже если радиоволны, поступающие непосредственно из передатчика, блокируются горами или кривизной Земли, все еще можно получить волны, отскок от ионосферы. После захода Солнца число электронов и ионов в нижних слоях резко падает, потому что излучение Солнца больше не доступно для их ионизации. Однако даже ночью высокие слои сохраняют некоторые ионы. В результате ионосфера выше ночью, что позволяет радиоволнам отскакивать на большие расстояния. Именно по этой причине можно часто настраиваться на более отдаленные радиостанции ночью, чем днем.

Верхняя термосфера также является местом ярких ночных вспышек, известных как полярное сияние. Авроры вызваны энергичными частицами, испускаемыми солнцем. Эти частицы захватываются магнитным полем Земли и сталкиваются с относительно небольшими атомами газа, присутствующими выше примерно 60 миль (100 километров), в основном атомарным кислородом (O) и газообразным азотом (N₂). Эти столкновения заставляют атомы и молекулы излучать свет, что приводит к эффектным проявлениям.

4) Прошлое атмосферы.

Если бы какая-либо атмосфера присутствовала после того, как Земля была сформирована около 4,5 миллиардов лет назад, она, вероятно, была намного иной, чем сегодняшняя. Скорее всего, это напоминало внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун - с обилием водорода, метана и аммиачных газов. Настоящая атмосфера не образовалась до тех пор, пока эта первичная атмосфера не была потеряна. Согласно одной из теорий, первичная атмосфера была до взрыва Земли с Солнцем. Если Солнце подобно другим звездам своего типа, оно, возможно, пережило фазу, в которой она насильно выбрасывала материал наружу к планетам.

В том числе Земля, потеряла бы свои газообразные конверты. Возникла вторичная атмосфера, когда газы выделялись из земной коры ранней Земли за счет вулканической активности. Эти газы включали пары водяного пара, диоксида углерода, азота и серы. Кислород отсутствовал в этой ранней вторичной атмосфере.

Большое количество водяного пара, выделяемого вулканами, образовывало облака, которые непрерывно льются на ранней Земле, образуя океаны. Поскольку углекислый газ легко растворяется в воде, новые океаны постепенно поглощают большую часть его. Азот, будучи неактивным, остался позади, чтобы стать наиболее распространенным газом в атмосфере. Окись углерода, которая осталась, стала использоваться ранней растительной жизнью в процессе фотосинтеза. Геологические данные указывают на то, что это могло начаться примерно два-три миллиарда лет назад, возможно, в океане или в водной среде. Примерно в это же время появились аэробные (кислородные) бактерии и другая ранняя животная жизнь, которая потребляла продукты фотосинтеза и выделяла CO₂. Это завершило цикл для CO₂ и O₂; два газа оставались в равновесии, пока весь растительный материал был поглощен кислородно-дыхательным организмом. Однако некоторые растительные материалы были неизбежно потеряны или захоронены до того, как их можно было разложить. Это эффективно удаляло углекислый газ из атмосферы и оставило чистое увеличение кислорода. В течение миллиардов лет значительный избыток строился, таким образом, так что теперь кислород составляет более 20 процентов атмосферы (а углекислый газ составляет менее 0,033 процентов). Таким образом, вся жизнь животных зависит от количества кислорода, накопленного постепенно биосферой за последние два миллиарда лет.

Будущие изменения в атмосфере трудно предсказать. В настоящее время растет обеспокоенность тем, что деятельность человека может изменить атмосферу до такой степени, что она может повлиять на климат Земли. Это особенно касается диоксида углерода. Когда ископаемые виды топлива, такие как уголь и нефть, вырыты и сжигаются, заглубленный углекислый газ высвобождается обратно в воздух. Поскольку углекислый газ является парниковым газом, он задерживает инфракрасную (тепловую) энергию, излучаемую Землей, нагревая атмосферу [7].

Озоновый слой

Озоновый слой образует толстый слой в стратосфере, окружающий землю, в котором содержится большое количество озона. Озоновый слой защищает жизнь на Земле от сильного ультрафиолетового излучения.

Озоновый слой был обнаружен в 1913 году французскими физиками Чарльзом Фабри и Анри Буйсоном. Озоновый слой обладает способностью поглощать почти 97-99 процентов вредных ультрафиолетовых излучений, излучающих солнце, и которые могут оказывать долгосрочное пагубное воздействие на людей, а также на растения и животных.