Презентация "Озонова діра" (7 класс) – проект, доклад

Озонова діра

Озонова діра над Антарктидою 2006 рік.

Озонова діра - локальне падіння концентрації озонк в стратосфері на 10—40%. Пов'язано це з дією фреонів, зменшенням кількості кисню при запусках космічних кораблів та польотами реактивних літаків. Чітко виявляється при надмірно низьких температурах. Загальноприйнята в науковому середовищі теорія, за якою в другій половині ХХ століття вся зростаюча дія антропогенного чинника у вигляді виділення хлор- і бромвмісних фреонів (CFC) призвела до значного зменшення озонового шару. Згідно з іншою гіпотезою, процес утворення «озонових дір» значною мірою є природнім і не пов'язаний винятково з шкідливою дією людської цивілізації.

Озонова діра діаметром понад 1 000 км вперше була відкрита 1985 року в Південній півкулі над антарктидою групою британських вчених. Вона з'являлася у серпні і до грудня або січня зникала. Над Північною півкулею в арктиці утворювалася інша діра, значно менших розмірів.

Історія

Озон витрачається в реакціях фотолізу і взаємодії з атомарним киснем: До зменшення концентрації озону в атмосфері веде сукупність чинників, головним з яких є руйнування молекул озону в реакціях з різними речовинами антропогенного і природного походження, відсутність сонячного випромінювання протягом полярної зими, особливо стійкий полярний вихор, який перешкоджає проникненню озону з приполярних широт, і утворенняполярних стратосферних хмар (ПСХ), поверхню частинок якого каталізують реакції розпаду озону. Ці чинники особливо характерні для антарктики, в арктиці полярний вихор набагато слабший: через відсутність континентальної поверхні температура на декілька градусів вища, ніж в Антарктиці, а ПСХ менш поширені, до того ж мають тенденцію до розпаду на початку осені. молекули озону (O3) хімічно дуже активні і можуть реагувати з багатьма неорганічними та органічними сполуками. Основними речовинами, що руйнують молекули озону, є: прості речовини (водень (H2), атоми кисню (O), хлора (Cl), брому (Br)), неорганічні сполуки (хлороводень (HCl), монооксид азоту (NO)), органічні сполуки (мктан (CH4), фторхлор- і фторбромфреони, які виділяють атоми (Cl) і (Br)).

Механізм утворення

Стратосферна хімія озону

Механізм синтезу, а також розпаду (фотоліз) озону, був запропонований Сіднеєм Чепманом 1930 року і названо його ім'ям. Реакції утворення озону: • О2 + hν → 2О + 2О2 → 2О3 Фотоліз молекулярного кисню відбувається в стратосфері під впливом ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 175—200 нм і до 242 нм. • О3 + hν → О2 + О • О3 + O → 2О2

Хлорний цикл є різновидом галогенного циклу. • CFCl3 + hν → CFCl2 + Cl • Cl + O3 → ClO + O2 • ClO + O → Cl + O2

Хлорний цикл ClOx

Оксиди азоту грають важливу роль в реакціях руйнування озону в середній стратосфері. Не зважаючи на те, що азоту в атмосфері більше, ніж будь-якого іншого газу, утворення його оксидів безпосередньо з молекулярного азоту замале, оскільки молекула N2 дуже стабільна, фактично інертна. Для її розпаду потрібно багато енергії, наприклад розряд блискавки або дуже жорстоке випромінювання, сонячні протони або галактичне випромінювання. В стратосфері цього немає, тому основним джерелом оксидів озота (NOx) є закис азоту (N2O), який утворюється на поверхні Землі і в океанах головним чином результатом діяльності бактерії. Людина теж вносить свій внесок — третина від всього закису азоту. Головною реакцією, за якою N2O перетворюється в NOx є наступна: • N2O + O(1D) → NO + NO Вона може протікати тільки вдень, тільки за наявності Сонця. Потім NO вступає в реакцію з озоном, водночас руйнуючи його, що приводить до утворення іншого оксиду азоту, NO2: • О3 + NO → NO2 + О2 Ця реакція може протікати і вночі, тому концентрація двоокису азоту росте в темний час доби, оскільки вдень вона перетворюється назад по реакціях: • NO2 + О → NO + О2 • NO2 + hν → NO + О Третій оксид азоту, вже з трьома атомами кисню в молекулі, який знову таки реагує з озоном: • NO2 + О3 → NO3 + О2 Він перетворюється назад в NO і NO2 через фотоліз: • NO3 + hν → NO2 + O • NO3 + hν → NO + О2

Азотний цикл NOx

Іншою важливою родиною речовин, що руйнують озон, є замісники OH- і HO23+, об'єднувані загальною формулою HOx. Їх можна розглядати як оксиди водню. Проте на відміну від звичайних оксидів вони дуже реакційнопотентні (не можуть існувати як речовина, оскільки володіють неподіленою електронною парою, тобто є замісниками). Якщо два такі замісники зустрінуться разом, то вони прореагують один з одним, рекомбінують, утворюючи зовсім іншу речовину, наприклад два HO- замісники дадуть перекис водню (H2O2). Основним джерелом утворення HOx є реакціяводяної пари з сінглетним атомом кисню: • Н2O + О(1D) → OH + OH Ця реакція дуже схожа на реакцію в якій закис азоту N2O, реагуючи теж з сінглетним киснем дає дві молекули NO. Важлива реакція з метаном: • СН4 + О(1D) → СН3 + OH Аналогічні реакції: • ОН + О3 → НО2 + О2 • НО2 + О → ОН + О2 • НО2 + О3 → ОН + 2О2 В них гинуть дві молекули озону і регенерується OH- замісник, цикл замикається. OH- далі знову вступає в реакцію з озоном. Повний хімічний механізм складається з сотень реакції.

Водневий цикл HOx

Затримка озоновим шаром ультрафіолетового випромінювання

Наслідки Ослаблення озонового шару посилює потік сонячної радіації на землю і викликає у людей зростання числа ракових утворень шкіри. Також від підвищеного рівня випромінювання страждають рослини і тварини.

Хоча людством були вжито заходи з обмеженню викидів хлор- і бромвмісних фреонів шляхом переходу на інші речовини, наприклад фторвмісні фреони(CFC), процес відновлення озонового шару триватиме декілька десятиріч. Перш за все це зумовлено величезним об'ємом вже накопичених в атмосфері фреонів, які мають час життя десятки і навіть сотні років. Тому затягування озонової діри не варто чекати раніше 2048 року.

Відновлення

Існує декілька поширених міфів стосовно утворення озонових дір. Незважаючи на свою ненауковість, вони почасти з'являються в ЗМІ — іноді завдяки непоінформованості, іноді підтримувані прихильниками теорій змов. Нижче перераховано деякі з них.

Упередження стосовно озонової діри

Це твердження справедливе для середніх і високих широт. У високих широтах (де виникають озонові діри) хлорний цикл відповідальний лише за 15—25% втрат озону в стратосфері. Необхідно відзначити, що 80% хлора (Cl) має антропогенне походження. Тобто втручання людини збільшує внесок хлорного циклу. У разі збереження тенденції щодо збільшення виробництва фреонів, яка була до вступу в дію Монреальського протоколу) (зростання 10% на рік) 2050року 30%—50% загальних втрат озону обумовлювалось би дією фреонів (CFC).

Основними руйнівниками озону є фреони

Молекула фреона

До втручання людини процеси утворення озону і його руйнування перебували в рівновазі. Але фреони, що викидаються при людській діяльності, зсунули цю рівновагу у бік зменшення концентрації озону. Що ж до полярних озонових дір, то тут ситуація абсолютно інша. Механізм руйнування озону в принципі відрізняється від низьких широт, ключовою стадією є перетворення неактивних форм галогеновмісних речовин в оксиди, яке протікає на поверхні частинок ПСХ. В результаті практично весь озон руйнується в реакціях з галогенами: за 40—50% відповідальний хлор, за 20—40% — бром.

Росія взяла на себе всі зобов'язання СРСР, і з 2000 року відповідно до Монреальського протоколу в країні припинено виробництво озоноруйнуючих речовин. Оскільки через низку обставин економічного, політичного і фінансового характеру Росія не встигла розробити і упровадити власні альтернативні технології, це привело до практично повної ліквідації виробництва аерозолів і холодильного устаткування. Фактично, альянс DuPont-ICI монополізував виробництво устаткування для синтезу 1,1,1,2 - тетрафторетану, який в період підписання протоколу вважався єдиною альтернативою озоноруйнуючим хладонам. На щастя, велика частина промислових холодильних установок в Росії працює на аміаку: 70% — холодильних установок для овочебаз, 60% — в м'ясній промисловості, 50% — в кондитерському виробництві, 80% — у виробництві пива і напоїв. Аміак хоча і є високотоксичною, пожежо- і вибухонебезпечною речовиною, але не призводить до руйнування озону. Після оприлюднення даних про участь фреонів в руйнуванні стратосферного озону DuPont заперечила цю теорію і витратила мільйони доларів на кампанію в пресі із захисту фреонів. Голова DuPont писав в статті в журналі Chemical Week від 16 липня 1975 року, що теорія руйнування озону це наукова фантастика, дурниця що не має сенсу. Окрім DuPont цілий ряд компаній з усього світу виробляли і виробляють різні типи фреонів без відрахування ліцензійних платежів.

Перехід на озонозберігаючі технології економічно обгрунтований

Іноді стверджується, що оскільки молекули фреонів набагато важчі за азот (N2) і кисень (O2), то вони не можуть досягти стратосфери в значних кількостях. Проте атмосферні гази перемішуються повністю, а не розшаровуються або сортуються по вазі. Процеси вертикального переносу повітряних мас, конвекції і турбулентностіповністю перемішують атмосферу нижче турбопаузи набагато швидше. Тому навіть такі важкі гази, як інертні або фреони (CFC), рівномірно розподіляються в атмосфері, досягаючи, зокрема, і стратосфери. Експериментальні вимірювання їх концентрацій в атмосфері підтверджують це, дивіться наприклад графік праворуч. Також вимірювання показують, що потрібно близько 5 років для того, щоб гази, що виділилися на поверхні Землі досягли стратосфери. Якби гази в атмосфері не перемішувалися, то такі важкі гази з її складу як аргон (Ar) і вуглекислий газ (CO2) утворювали б на поверхні Землі шар в декілька десятків метрів товщиною, що зробило б її нежилою. На щастя це не так. Криптон (Kr) з атомарною масою 84, і гелій (He) з атомарною масою 4, мають одну і ту ж відносну концентрацію, що біля поверхні, що на висоті 100 км. Звичайно, все вищенаведене вірне лише для газів, які порівняно стабільні, як фреони чи інертні. Речовини, які вступають в реакції, а також піддаються різному фізичному впливу, скажімо, розчиняються у воді, мають залежність концентрації від висоти.

Фреони дуже важкі, щоб досягти стратосфери

Є думка, що природні джерела галогенів, наприклад вулкани або океани, більш значущі для процесу руйнування озону, ніж діяльність людини. Не ставлячи під сумнів внесок природних джерел в загальний баланс галогенів, необхідно відзначити, що в основному вони не досягають стратосфери з огляду на те, що є водорозчинними (в основному хлорид-йони (Cl2+) і хлороводень (HCl)) і вимиваються з атмосфери, випадаючи у вигляді дощів на землю. Також природні з'єднання менш стійкі, ніж фреони, наприклад метилхлорид (CH3Cl) має атмосферний час життя всього порядка року, в порівнянні з десятками і сотнями років для фреонів. Тому їх внесок в руйнування стратосферного озону досить малий.

Основні джерела галогенів природні, а не антропогенні

Виверження вулкана Пінатубо червень 1991 року

Навіть рідкісне за своєю силою виверження вулкана Пінатубо в червні 1991 року викликало падіння рівня озону не за рахунок галогенів, що вивільняються, а за рахунок утворення великої маси сірчанокислих аерозолів (SO42+), поверхня яких каталізувала реакції руйнування озону. На щастя, вже через три роки практично вся маса вулканічних аерозолів була видалена з атмосфери. Таким чином, виверження вулканів є порівняно короткостроковими чинниками дії на озоновий шар, на відміну від фреонів, які мають часи життя в десятки і сотні років.

Багато хто не розуміє, чому озонова діра утворюється в Антарктиці, у той час як основні викиди фреонів відбуваються в Північній півкулі. Річ у тому, що фреони добре перемішані в тропосфері і стратосфері. З причини малої реакційної здатності вони практично не витрачаються в нижніх шарах атмосфери і мають термін життя в декілька років або навіть десятиріччя. Тому вони легко досягають верхніх шарів атмосфери. Антарктична «озонова діра» існує не постійно. Вона з'являється наприкінці зими - на початку весни. Причини, за якими озонова діра утворюються в Антарктиці, пов'язані з особливостями місцевого клімату. Низькі температури антарктичної зими приводять до утворення полярного вихору. Повітря усередині цього вихору рухається здебільшого замкнутими траєкторіями навколо Південного полюса. В цей час полярна область не освітлюється Сонцем, і там озон не утворюється. З настанням літа кількість озону збільшується і знову приходить до норми. Тобто коливання концентрації озону над Антарктикою - сезонні. Проте, якщо відстежити зміни усередненої протягом року концентрації озону і розміру озонової діри протягом останніх десятиріч, то є певна тенденція до падіння концентрації озону.

Озонова діра повинна розташовуватися над джерелами фреонів

Динаміка зміни озонового шару над Аросою, Швейцарія з 1926 року.

Озон руйнується тільки над Антарктикою Це неправильно, бо рівень озону падає всюди. Це показують результати довготривалих вимірювань концентрації в різних точках планети. Ви можете подивитися на графік зміни концентрації озону над Аросою в Швейцарії праворуч.