Реферат - Деякі аспекти проблеми озону

цієнтом поглинання k в законі, який називають законом Беєра—Ламберта:
I(v, х)=I(v,0)10-k(v)x
де I(v, 0) — інтенсивність пучка монохроматичного світла частотою v, що приходить на вхідне вікно пристрою довжиною х, заповненого газом при даному тиску; I(v, х) — інтенсивність світла, що пройшов крізь пристрій..) Виміряна в см"' величина коефіцієнту поглинання k(v) в смугах поглинання Хартлі молекули озону розрахована за формулою та представлена на рис. 2 в вигляді залежності від довжини хвилі випромінювання, що надходить. Як і більшість інших смуг поглинання в молекулярній спектроскопії, ці смуги носять імя науковця, що відкрив їх. В максимумі поглинання k =135 см""', при товщині шару озону 0,3 см з формули (1) виходить, що відношення I(v, 0): I(v, х) буде рівно 1040! Це значить, що земний шар озону послабить сонячне випромінювання цієї довжини хвилі в 1040 разів, тобто практично поглине його повністю.
При довжинах хвиль більше 3000 А біля смуг Хартлі зявляються більш слабкі смуги Хаггінса та Шалона— Лефевра (рис. 2). Коефіцієнт поглинання в цих смугах на декілька порядків менше, ніж у смуг Хартлі. Окремі близько розташовані в цих системах смуги мають добре видимі різкі максимуми та мінімуми. В видимій частині спектру розташована на широка смуга Шаппюї, з якою повязаний синій колір озону. Сильне поглинання озону спостерігається в області вакуумного ультрафіолета (1000—2000 А). Разом з поглинанням в смугах Хартлі це поглинання приводить до обриву сонячного спектру на поверхні Землі при довжинах хвиль менше 2900 А, що дуже важливо для захисту життя на нашій планеті від короткохвильових випромінюваннь. Треб відмітити ,що величини коефіцієнтів поглинання суттєво змінюються з температурою.
Смуги, що відповідають коливально - обертальним переходам в молекулі озону, розташовані в інфрачервоній області спектру (3—15 мкм). Коефіцієнти поглинання в цих смугах змінюються в широких рамках.
Первісним процесом фотохімічної реакції є дисоціація молекули. При цьому в залежності від того в яких смугах поглинання відбулася фотодисоціація, кінцеві продукти фотореакції можуть відрізнятися між собою. При розкладенні світлом озону на молекулярний та атомарний кисень в залежності від енергії кванта, який було поглинуто (довжини хвилі поглинутого світла) атом та молекула кисню можуть бути як в основних, так і в збуджених станах.
Реакційна здатність електронно - збуджених атомів та молекул сильно відрізняється від їх реакційної здатності в основному стані Для прикладу можна розглянути як проходить фотодиссоціація при збудженні в смугах Шаппюї. При поглинанні червоного світла (~6000 А) первісний процесо завершується розкладанням озону на атом та молекулу кисню в основних станах:
Оз hv = O(3P) + O2(3E)
за яким 'йде другорядний процес взаємодії атомарного кисню з озоном.
O(3P) + O3 = 2O2
Таким чином, в результаті поглинання одного кванта света було зруйновано дві молекули озона. Одним з продуктів фоторозкладення при збудженні в смугах Хаггінса є збуджена молекула кисню:
O3 hv = O(3P) + O2(1E)
за яким йдуть процеси
O(3P) + O3 = 2O2
O2(1E) + O3 = 2O2 + O(3P)
O(3P) + O3 = 2O2
В результаті сумарний квантовий вихід розкладу Оз дорівнює 4м молекулам . Аналогіно можно показати, щ квантовий вихід фотодисоціації озону при збуджені в смугах Хартлі може дорівнювати 6.
З розглянутих закономірностей взаємодії світла з озоном можна зробити два важливих висновки : 1) молекули озону поглинають світло в широкому спектральному діапазоні від ва­куумного ультрафіолетового до мікрохвильового частин спектра, причому найбільш інтенсивне поглинання спостерігається для довжин хвиль менше 3000 А; 2) при поглинанні світла озоном як в ультрафіолетовій, так і у видимій частинах спектра відбувається фотохімічне зруйнування озону з утворенням молекули кисню. Інші цікаві відомості про фізикo -хімічні показники можна знайти в працях С. Д. Разумовського та Г. Е. Заікова.
ДОСЛІДЖЕННЯ ОЗОНОВОЇ ДІРИ
В 1985р Джозеф Фарман разом зі своїми співробітниками з Британської антарктичної служби вперше повідомив, що з кінця 1970х років над Антарктидою відбувалося значне потоншення озонового шару. Виміри супутника «Німбус-7», зроблені Арліном Крюгером з Годдардовського центра космічних польотів НАСА, показали, що з роками дефіцит озону збільшувався від однієї південної весни до іншої. В вересні та жовтні втрачається біля 70% озону над Антарктидою, що дорівнює приблизно 3% всього озону атмосфери.
Виміри зроблені лабораторією Д. Хофмана з Університету шт. Вайомінг, США, показали, щонайбільша частина втрат озону проходить на висотах від 12 до 30 кілометрів.
Було висунуто ряд гіпотез щодо пояснення виникнення озонової діри. Було відправлено декілька експедицій для тог, щоб відсіяти невірні гіпотези.
Гіпотеза 1: атмосферна циркуляція.
Схема циркуляції могла поступово змінитись так, що над Антарктидою потоки повітря спрямовані вверх. В результаті стратосферне повітря, збагачене озоном, заміщується повітрям з тропосфери - нижнього 10км-шару, що втримує мало озону.
Макс Левенштайн та його група з Еймского дослідницького цетру НАСА та їх колеги національного центу атмосферних дослідженнь та інші показали, що відповідно до динамічних моделей використаних прибічниками гіпотези циркуляції,на висоті озонової діри мають бути присутніми газоподібні мікроелементи з поверхні Землі. Виміри, навпаки, показали низькі рівні газоподібних мікроелементів, отже насправді повітря, що заповнює озонову діру поступає з більших висот, де озону зазвичай багато.
Гіпотеза 2: хімічні реакції.
В одній з перших гіпотез йшлося про те, що навколо озонової діри може у підвищених концентраціях бути присутніми сполуки азоту, що є найважнішими агентами в руйнуванні озону. в нижніх шарах атмосфери. Підвищення концентрації приписувалось сонячної активності та атмосферної циркуляції.
В теоріях засвідчувалось, що підвищена сонячна активність створює на великих висотах над Південним полюсом сполуки азоту з високою реакційною здатністю. Повітря, що рухається вниз переносить цей активний азот в нижні шари атмосфери, де дослідники дійсно спостерігали втрату азоту. Але співробітники лабораторії реактивного руху НАСА та лабораторії аерономії Національного управління дослідів океану та атмосфери віднайшли, що і озоновій дірці активні форми азоту також зменшувались в кількості.
Фарман та йогос півробітники запропонували альтернативну хімічну теорію, що
основана на дослідах М.Моліна, Масачусетський технологічний інститут, США та Ф. Шервуда Роуленда, Каліфорнійський університет, США, що були виконані в1970х роках.
В теорії припускалося, що за утворення озонової діри відповідають сполуки хлору, що надходять в атмосферу головним чином у складі антропогеного хлорфторвуглецю (ХФВ). Ці інертні сполуки, що використовуються як хладагенти для кондиціонерів та холодильників, як хімічні агенти для виробництва пенопластів, можуть зберігатися в атмосфері від 50 до 100 років.
За декілька тисячолітть вони досягають середини стратосфери, розташованої на висоті біля 30 км, або піднімаються вище. Там ультрафіолетове випромінювання розриває їх. Хлор ,що виділився з молекул ХФВ спочатку існує в вигляді вільного хлору або реагує з озоном, утворюючи закис хлору Cl O. Обидві форми вступають в подальші реакції, утворюючи стійкі сполук - резервуари хлору. Вони складаються з різноманітних форм хлористооводневої кислоти HCl, що утворюється під час реакції вільного хлору з такими компонентами, як метан та нітрат хлору Cl ONO2, що виникає в реакції між ClO та двуокисом азоту NO2.
Власне резервуари хлору не руйнують озон - в таких сполуках хлор залишається інертним та не може реагувати з озоном. Перші компютерні моделі показали, що ХФВ не можуть викликати великого впливу на озоновий шар. З них випливало, що деяка частина вільного хлору зруйнує тільки невелику частину озону.
Очевидно, що існує механізм вивільнення хлору з резервуарів.
Сюзан Соломон та співробітники з лабораторії аерономії та співробітники з Гарвардського університету, США, першими показали, яким може бути цей процес в 1986 році. Було зроблено припущення, що кореляція міжциклом потоншення шару озону та наявністю стратосферних хмар є свідком того, що хлор з резервуарів вивільнюють реакції, що йдуть на частках льоду в цих хмарах.
Хмари в стратосфері вважались явищем незвичним. Відносна вологість там досягає 1%. Кількість же водяної пари - всього декілька частин на мільйон, що в 1000 разів менше, ніж в тропосфері, де й утворюється більшість хмар. До недавнього часу вважалося, що існують стратосферні хмари єдиного виду - перламутрові. Вони утворюються на висотах приблизно віл 15 до30 км та являють собою різновид лінзовидних хмар. В висхідній частині хвиль повітря швидко розширюється і охолоджується. Якщо у повітрі є достатньо вологи, то вона буде конденсуватись на багаточислених частинках
Швидке охолодження та конденсація водяної пари приводять до формування перламутрових хмар. Розподілення розмірів часток в хмарі надає їй здатності переливатись. Перламутрові хмари показали метеорологам, що стратосфера достатньо холодна і що там може утворюватися лід хоча б поблизу полярних областей, але через крайню сухість температура має впасти для цього нижче 190 К. Такі температури зберігаються тільки під час антарктичної зими.
Пристрій, що був запущений за програмою «Стратосферні аерозольні зміни(SAM) 11» на борту супутника «Німбус - 7» в 1978 р. знаходив частинки а повітря шляхом аналізу сонячних променів, що торкаються країв Землі. Пристрій показав, що стратосферні хмари існують над Антарктидою навіть тоді, коли температура падає до 195 К.. Такі температури занадто високі для утворення перламутрових хмар, отже можна допустити, що хмари утворюються якимось іншим шляхом.
Було висловлене припущення, що за складом ці хмари мають відрізнятися, від перламутрових хмар, що складаються з чистої води, сконденсованої на завислих частинках. Хімічні теорії руйнування озонну вимагають видалення активного азоту, що звязує хлор в вигляді нітрату хлору - одного з основих резервуарів.. Так зявилася теорія , про стратосферні хмари - носії азоту. Вони мають складатися з азотної кислоти (HNO3)в замороженому стані, з трьома молекулами води на кожну молекулу азотної кислоти (HNO3 *3H2O). Така сполука, що називається тригідратом азотної кислоти не тільки забезпечує видалення азоту, але й конденсується при більш високих температурах, ніж чиста вода.
Перламутрові хмари з тригідрату азотної кислоти виникають в процесі повільного охолодження.. Порівняно з перламутровими хмарами хмари з тригідрату азотної кислоти менш масивні та більш розріджені, що заважає їх вивченню.
Крім перламутрових хмар з тригідрату азотної кислоти зустрічаються ще полярні стратосферні хмари (ПСХ) ще одного виду. Вони утворюються, якщо зимова антарктична температура повільно опускається нижче 190 К. З охолодженням повітря водяна пара конденсується на деяких завислих частинках, утворюючи водно-льодові хмари. Частинками-зародками є в них частки азотної кислоти. ПСХ цього типу, утримують водяну кригу. Зазвичай ці типи хмар відносять до одного класу, розрізняючи їх за щвидкістю утворення. Хмари, що повільно утворюються, добре видимі з поверхні Землі.
Всі три типи ПСХ - з тригідрату азотної кислоти, ті, що швидко і повільно охолоджуються(перламутрові) - виступають як ключові моменти знищення озону над Антарктикою. (схема ). Лабораторні досліди співробітників НАСА та Станфордського міжнародного дослідницького інституту довели, що реакція між хлористоводневою кислотою та нітратом хлору, що утримують хлор в неактивному стані, дійсно буде йти на похерхні водного льоду та тригідрату азотної кислоти. Ця реакція, що дає молекулярний хлор та азотну кислоту, йде в відсутності твердих частинок з незначною швидкістю, якою можна знехтувати.
Лабораторія Дж. Андерсона з Гарвардського університету та співробітники університету шт. Нью-Йорк відкрили, що в антарктичній озоновій дірці досить високі рівні СlО - приблизно в 500 разів більше ніж на середніх широтах на тій же висоті. За такої концентрації СlО каталітичний цикл СlО-СlО може пояснити більшість втрат озону. Один атом хлору може зруйнувати декілька тисяч молекул озону, перш, ніж зустріне молекулу азоту., чи водню, що звяже його. Хімія цього процесу ще й досі зясовується науковцями.
Активний хлор, що вивільнюється ПСХ грає роль і іншому процесі, що йде за участю брома.. Реакція з бромом може обумовити біля 20% втрат озону. Під час цієї реакції бром видаляє атом кисню з озону, утворюючи оксид брому ВrО. Ця сполука буде реагувати з оксидом хлору з утворенням молекулярного кисню та вивільнюванням атомів хлору та брому, що знову реагують з озоном. Свідоцтво про такий процес є в спостереженнях, зроблених співробітниками університету Пенсильвнії та Гарварда, які виміряли антарктичній озоновій дірці значні кількості оксиду брому.
ВИСНОВКИ
Сучасна теорія ПСХ-ХФВ утворення озонової діри пояснює більшість даних спостережень. Виділення ХФВ в результаті лядської діяльності відповідає головним чином за виснаження шару озону в Північній півкулі. Озонова діра біля Антарктики весною виникає тому, що для утворення діри необхідна присутність стратосферних хмар, що утворюються тільки в найхолоднішу пору року.. Перші ж промені сонця ініціюють хімічні реакції, що що виснажують озоновий шар.Втрата озону відчутніше над Антарктикою ніж над Арктикою, тому що антарктична стратосфера холодніша і тут утворюється більше хмар, особливо на висоті менше 20 км. Більше хмар - більше активних атомів хлору та інтенсивніше видалення азотних сполук. - більші втрати озону.
Можливо, більш важлива відмінність між полюсами повязана з антарктичною циркуляцією - кільцем швидко циркулюючого повітря, що обмежує зону виснаження озону.. Руйнування озону пачинається на вересні з поверненням сонячного світла, та його втрати досягають піку в жовтні. В Арктиці, де картина циркуляції значно відрізняється від антарктичної, до початку полярної весни от
Певний внесок в руйнацію озонового шору вносять також вулканічна діяльність та викиди стратосферної авіації.
Так у 1982 р. відбулося виверження вулкана Ель-Чічон у Мексіці. Виверження не було катастрофічним чи надзвичайно великим за масштабами, але дещо незвичайним: струмінь його викиду мав дуже велику швидкість і швидко досяг стратосфери. Особливість циркуляції повітря на цих висотах така, що хмара переноситься вітрами на схід, завершуючи приблизно за два тижні рух навколо Землі. Одночасно хмара розширюється і поступово розпорошується на всю територію планети. Дуже дрібненькі часточки можуть опускатися з таких висот донизу довго — протягом років.
Названий вулкан викинув чималу кількість хлору, крім звичних для вулканів пилу і вуглекислого газу. Хмара, що утворилася після його викиду, була помітною тривалий час у повітрі завдяки посиленому розсіюванню сонячного проміння. Тож з'являлися незвичайно гарні та інтенсивні кольори неба в час заходу Сонця та перед його появою із-за лінії горизонту.
З часом від зони екватора атмосферні домішки переносяться до полюсів, тому викиди хлору вулканом Ель-Чічон могли досягнути району Південного полюса. Співставленпя розпорошення інших викидів різних вулканів свідчить, що з часом їхній вплив повинен зменшуватися. Враховуючи, то зниження вмісту озону над Антарктидою розпочалося задовго до виверження мексіканського вулкана, і особливо швидке поглиблення озонової діри припадає на період з 1985-1987рр.
Деякі вчені (Кандидат хімічних наук М. Подклетнов) свідчать про реальну загрозу озоновому шару від вулканів Камчатки.
Доктор технічних наук В.П.Бурдаков та кандидат технічних наук В.М.Філін в своїх працях дають багато цікавих та переконливих даних про дію викидів стратегічних ракет та шатлів, використовуючи порівняльну характеристику хімічного складу цих викидів
За їх свідченнями у викидах всіх літаків 0,1% оксидів азоту NО та NО2, що під дією УФ-випромінювання сонця майже не утримується в атмосфері. Потім молекули NО грають роль руйнівників озону за реакціями:
NO + O3 = NO2 + O2
NO2 + O3 = NO + 2 O2
NO2 = O = NO + O2
Ітогову реакцію можна записати так:
О + О3 = 2 О2
Було підраховано, що до моменту свого зникнення кожна молекула оксиду азоту знищує в середньому 10 молекул озону.
Ще більш вражаючі данні вони наводять щодо американського корабля багаторазового використання ШАТТЛ
Незважаючи на наведені цифри, все ж таки внесок вулканічної діяльності та викиди стратосферної авіації.в руйнацію озонового шару незначний порівняно з таким хлорфторвуглецевих сполук спільно з полярними стратосферними хмарами.
Дослідники передбачають, що кількість хлору в атмосферу досягне свого піка в першому десятиріччі наступного століття, тому, що хлорфторвуглецеві сполуки мають настільки великий час життя, що кількість хлору в атмосфері буде не тільки залишатися постійною (не дивлячись на числені міжнародні конференції, угоди тощо), а буде продовжувати рости до середини наступного сторіччя, а може й далі. Отож втрати озону найближчим часом будуть зростати в зоні антарктичної озонової діри. Можливе подвоєння цих втрат.
Реальних результатів боротьби за озоновий шар планети поки що ніхто не знає...

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Корсак К.В., Коцаренко М..Я.
Озонова діра - сигнал небезпеки. - К: Т-во «Знання» УРСР, 1990- 48 с.
2. Пертов С.П., Хргиан А.Х.
Атмосферный озон. - Л: «Гидрометеоиздат», 1980- 287 с.
3. Данилов А.Д., Кароль И.Л.
Атмосферный озон - сенсации и реальность. - Л.: «Гидрометеоиздат», 1991.- 120 с.
ISBN 5-286-006-49-3
4. Ортенберг Ф.С., Трифонов Ю.М.
Озон: взгляд из космоса. - М: «Знание», 1990.- 64 с. - (Новое в жизни науке и технике. Сер. «Космонавтика, астрономия»)
ISBN 5-07-00182-x
5. В мире науки (Scientific American,издание на русском языке) № 8.- М: Мир, 1991.-с. 34 - 41
6. В мире науки (Scientific American,издание на русском языке) № 3.- М: Мир, 1991.-с 6 - 13
7. The new GROLIER multimedia encyclopedia for MPC IBM PC’s & Compatibles, release 6.- The Software Toolworks Inc., 1993
8. Лунин В.В., Попвич М.П., Ткаченко С.Н.
Физическая химия озона .- М:Изд-во МГУ.-480с
ISBN 5-211-03719-7
9. Особисті контакти зі співробітниками компанії СК Johnson Київ
ПЛАН КУРСОВОЇ РОБОТИ
1.Озон та життя
вплив стратосферного озону на життя
історичний розвиток озонового шару
деякі організації, що своєю метою мають захищати озоновий шар планети
2. Озоновий щит Землі
вплив сонячного світла на Землю
захистні процеси, що відбуваються і озоновому шарі планети
3. Фізико-хімічні властивості озону
загальні властивості озону
оптичні властивості молекул озону
4. Дослідження озонової діри
гіпотези її утворення
ХФВ-ПСО теорія
5. Висновки
6. Дотаток
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «КИЄВО-МОГИЛЯНСЬКА АКАДЕМІЯ»
КУРСОВА РОБОТА
Деякі аспекти проблеми озону

виконана студенткою ФПН-2
Перевертень Марією Андріївною
керівник Боголюбов В.М.
Київ
1999р.