Курсовая работа: Озоносфера и ее значение в функционировании климатической системы

Курсовая работа: Озоносфера и ее значение в функционировании климатической системы

Курсовая работа

"Озоносфера – ее значение в функционировании климатической системы"

Введение

Целью работы является описание озоносферы – важнейшей составной части атмосферы, влияющей на климат и защищающей все
живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, является озоносфера. Курсовая работа разделена на 6 глав. Главы харрактеризуют значение, процессы образования, функции озоносферы, ее влияние на человека.

Озоносфера отражает жесткое ультрафиолетовое излучение, защищает живые организмы от губительного действия радиации. Именно благодаря образованию озона из кислорода воздуха стала возможна жизнь на суше.

XX век принес человечеству немало благ, связанных с бурным развитием научно-технического прогресса, и в то же время поставил жизнь на Земле на грань экологической катастрофы.

В ряду тревожных проблем – сдвиги в мировом климате, истощение лесных, почвенных и водных ресурсов, прогрессирующее опустошение планеты – находится и проблема разрушения озонового слоя. Возможно, что антарктический озон является предвестником глобальных изменений в озоносфере. Проблемы возникают в результате такого взаимодействия природы и человека, при котором антропогенная нагрузка на территорию превышает экологические возможности этой территории, обусловленные главным образом ее природно-ресурсным потенциалом и общей устойчивостью природных ландшафтов (комплексов, геосистем) к антропогенным воздействиям.

У многих людей возникают вопросы, связанные с тематикой озоносферы: Что такое озон? Почему важен озон в атмосфере Земли? Почему мы говорим про «озоновый слой»? Эти и многие другие вопросы будут рассмотрены в данной курсовой работе.

Объектом исследования данной курсовой работы является озоносфера. Предметом исследования является значение озоносферы в функционировании климатической системы.

Теоретической основой курсовой работы послужили литературные источники, представленные в списке литературы, а так же графические данные, полученные из электронных ресурсов.

1. Озон, процессы образования

Озоносфера (греч. ozo – пахну и sphaira – шар) распространяется в пределах тропосферы, стратосферы и мезосферы до высоты 70 км. Озоносфера имеет огромное климатическое значение. Однако климатическая роль озона в каждой сфере разная. Стратосферный озон сохраняет все живое от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, поглощая волны с длиной короче 0,29 мкм. В тропосфере озон образуется в результате антропогенного загрязнения воздуха и отрицательно воздействует на здоровье людей. В мезосфере озон участвует в образовании ионосферы. Образование озонового слоя на Земле по современным данным датируется 570–400 млн. лет тому назад. Озон (03) – трехатомный кислород, возникающий в результате расщепления молекул обычного кислорода (02) и перераспределения его атомов.

Озон, водяной пар и углекислый газ, совместно, образуют парниковый эффект атмосферы. Озон поглощает инфракрасное излучение Земли (9,6 мкм). Увеличение количества озона в тропосфере усиливает парниковый эффект и способствует повышению температуры воздуха. В озоновом слое находится почти 90% от всего мирового озона, и максимальное количество молекул озона в стратосфере, где концентрация озона самая большая, количество озона составляет 12 000 озоновых молекул на каждый 1 000 000 000 молекул воздуха (в т.ч., кислорода и азота).

Концентрация озона в атмосфере незначительна. Если весь озон осадить около поверхности Земли при нормальном давлении, то толщина слоя составит лишь 2 – 3 мм. Плотность озона распределяется неравномерно как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

В среднем наибольшая плотность озона наблюдается на высотах 20 – 25 км (рис. 1.1). Однако высота максимальной плотности озона зависит от широты и циркуляции атмосферы. В тропиках слой максимальной плотности О3 располагается наиболее высоко и находится на высоте 25 – 30 км. Максимум содержания озона приходится на весну, минимум – на осень, причем годовая амплитуда возрастает с широтой. Слой озона (озоновый экран) задерживает большую часть космического излучения. Во внутритропической зоне конвергенции, где сходятся и поднимаются пассаты, наблюдается тонкий с пониженной плотностью слой озона. Это объясняется тем, что при восходящих движениях воздуха, озон попадает в область быстрого распада (25–30 км), где он погибает под воздействием ультрафиолетового излучения. В умеренных широтах слой с максимальной концентрацией озона понижается до высоты 15 – 20 км, а в полярных – опускается до 13 – 15 км. Однако в полярных широтах отмечается наибольшая концентрация озона и ее сезонные колебания. Увеличению концентрации озона в полярных широтах способствуют нисходящие движения (погружение) воздуха. Ниже стратосфере озон сохраняется от разрушения. Количество озона, которое присутствует в стратосфере, уравновешивается главным образом химическими реакциями разрушения озона, в основе которых находится способность различных химических веществ связать какую-либо из молекул озона с тремя атомами кислорода. Однако часть молекул стратосферического озона может и передвигаться по более низким слоям атмосферы и таким образом увеличивать концентрацию т.н. приземного озона (особенно, в сравнительно незагрязненных регионах Земли).

В тропосфере озон образуется в основном во время гроз и при окислении ряда органических веществ. В свою очередь, количество озона в тропосфере составляет только 20–100 молекул озона на каждый 1 000 000 000 молекул воздуха. Если собрать вместе все молекулы озона – из тропосферы, стратосферы и мезосферы, и равномерно расположить их вокруг Земли, толщина общего слоя озоновых молекул будет меньше 5 мм.

В стратосфере образование озона осуществляется за счет диссоциации (распада) молекулы кислорода на отдельные атомы: О: О2 = О + О. Распад молекулы О2 происходит под воздействием ультрафиолетовых лучей Солнца с длинами волн от 0,18 до 0,24 мкм. Возникшие атомы кислорода О соединяются с молекулярным кислородом О2 и образуют молекулу озона О3:О + О2 = О3. Молекула озона гораздо менее устойчива, чем молекулярного кислорода, между ними существует обратимое равновесие. Часть обычных, двухатомных молекул превращается в молекулы озона, в то же самое время озон превращается в молекулярный кислород. Однако, как говорят химики, «равновесие реакции O2 ↔ O3 практически полностью сдвинуто влево», это означает, что в озон превращается лишь очень незначительная часть молекулярного кислорода. Сам по себе молекулярный кислород превращается в озон в количествах, настолько малых, что это превращение можно даже практически не учитывать.

Образование (и разрушение, при отсутствии других химических веществ) озона описывается химическими уравнениями цикла Чепмена (цикл назван так в честь химика С. Чепмена, который описал его в 1930-м году). Опуская уравнения реакций, достаточно сказать, что озон образуется при взаимодействии молекулярного кислорода, атомарного (т.е. разлетевшейся на атомы молекулы O2 или O3) и посторонней частицы, способной отводить энергию реакции. Атомарный кислород образуется из молекул молекулярного кислорода и озона в результате «обстрела» их жёстким коротковолновым солнечным излучением. Образующийся атомарный кислород взаимодействует с молекулярным (при этом образуется озон), друг с другом (при этом получается молекулярный кислород) и с озоном (при этом тоже образуется молекулярный кислород). Таким образом, для того, чтобы образовывался озон, нужно несколько условий: а) какое-то воздействие должно «ломать» молекулярный кислород или озон с получением атомарного кислорода; б) в воздухе должно быть достаточно молекулярного кислорода. Именно эти факторы определяют возникновение озонового слоя – в самых высоких слоях атмосферы практически весь кислород, разбитый потоком жёсткого излучения, существует в атомарной форме. Атомарному кислороду «не найти» молекулы кислорода, чтобы соединиться с ней, образовав озон.

Стратосферный озон разрушается в результате антропогенного загрязнения атмосферы окислами азота, водорода, хлора, метана, фреоном. Озон обладает высокой окислительной активностью и легко вступает в химические соединения с другими веществами. Примеры химических реакций, которые уничтожают озон:

NO + O3 = NO2 + O2     НО2 + О = ОН + О2

Cl + O3 = ClO + O2       ClO + O= Cl + O2

ОН + О3 = НО2 + О2NO2 + O = NO + O2

Рассмотрим эти реакции. Обратим внимание на их левые части. Видим, что молекулы окислов азота, водорода и хлора гибнут, а в правой части этих реакций появились молекулы этих же газов. Значит, расхода озоноразрушающих газов не наблюдается. Эти реакции уничтожают молекулы озона и атомы кислорода, которые нужны для создания озона. Озоновый слой охватывает всю Землю, но его толщина сильно меняется, возрастая от экватора к полюсу. Озон образуется в течение всего года в стратосфере над экваториальным поясом. Благодаря переносу его воздушными течениями он перемещается в направлении полярных широт. На планете четко выделяется тропическая область недостаточно малого содержания озона в зоне от 35° с. ш. до 35° ю. ш., где средняя приведенная толщина слоя О3 около 2,6 мм. К северу и югу от нее толщина слоя больше – 3,5 мм. Источником азотного, водородного и хлорного загрязнения атмосферы являются полеты авиации, космических кораблей, азотные удобрения, сжигание топлива, ядерные взрывы, запуски ракет, угледобыча, нефтедобыча и газодобыча и др. [3]

В популярной литературе слой озона очень часто называют волшебным щитом планеты. Это сравнение связано с оптическими свойствами молекулы озона, которые отличаются от свойств как составляющих его атомов (когда они существуют по отдельности), так и двухатомных молекул O2. Одной из наиболее важных оптических характеристик, какого–либо вещества является его спектр поглощения – изменение с длинной волны коэффициента поглощения, то есть способности поглощать проходящие через это вещество излучение. Спектр поглощения озона обладает несколькими важными особенностями, главной из них является способность сильно поглощать излучение в интервале длин волн 200–320 нм.

Молекула озона нелинейна и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями. Молекула озона нелинейна и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями (рис. 1.2.). При обычных температурах озон – газ светло-голубого цвета, при пониженных температурах он превращается в жидкость индиго-голубого цвета с температурой кипения 111,9 °С, в твердой фазе озон образует игольчатые кристаллы густого фиолетово-голубоватого цвета с температурой плавления 192,5 °С. Способность озона О3 и молекулярного кислорода О2 сосуществовать в трех агрегатных состояниях является одной из исключительных особенностей. Чистый озон во всех трех агрегатных состояниях взрывчат.

2. Значение озона в функционировании климатической системы

Озон и климат воздействуют друг на друга. Воздействие озона на климат проявляется, прежде всего, в изменении температуры. Чем больше озона в данном объёме воздуха, тем больше тепла он удерживает. Озон является источником тепла в стратосфере, поглощая ультрафиолетовое излучение солнца и восходящее инфракрасное излучение от тропосферы. Следовательно, уменьшение количества озона в стратосфере приводит к понижению температуры. А это в свою очередь приводит к истощению озона.

Самые крупные потери озона в Арктике и Антарктике происходят зимой и в начале весны, когда полярные стратосферные вихри изолируют воздух в своих пределах. Когда температура воздуха падает ниже -78 °С, формируются облака, состоящие изо льда, азотной и серной кислот. В результате химических реакций на поверхности ледяных кристаллов в облаках выделяются хлорфторуглероды. Из-за воздействия хлорфторуглерода начинается активный процесс разрушения озонового слоя, который приводит к образованию, так называемых «озоновых дыр». Дальнейшее повышение температуры ведет к испарению льда, и озоновый слой начинает восстанавливаться. Весной температура воздуха повышается, лед испаряется, и озоновый слой начинает восстанавливаться. Озоновый слой окружает всю землю, но его толщина на разных широтах не одинакова. Тоньше всего он на экваторе, а на полюсах толще. И хотя озон перемещается воздушными течениями, и его количество в значительной степени зависит от времени года (летом и осенью его больше, а зимой и весной – меньше), это неравномерное распределение сохраняется. С весенним потеплением химические реакции на поверхности кристаллов льда в облаках приводят к образованию активных форм озоноразрушающих веществ из имеющихся там исходных форм.

На рисунке (рис. 2.2.) показано состояние озонового слоя и температуры в стратосфере над Арктикой начиная с 1979 г. Как видно, изменение количества озона тесно связано с температурой стратосферы. С понижением температуры регулярно образуются полярные стратосферные облака со смесью озоноразрушающих веществ в активной форме и резко снижается толщина озонового слоя как на полюсах, так и в глобальном масштабе. Изменения состояния атмосферы ведут год от года к все более резким изменениям температуры.

Озон постоянно образуется и разрушается, однако при некоторых условиях, скорость его разрушения может превысить скорость образования. Как выяснилось, большое влияние на этот процесс оказывает человеческая деятельность. Как вещество крайне реактивное, озон вступает во взаимодействие с хлором, фтором, бромом, оксидом азота и другими веществами. В этом плане очень опасны фреоны, широко используемые в холодильниках, кондиционерах и аэрозольных баллончиках, а также в меньшей степени азотистые удобрения и вещества, возникающие при полетах высотной авиации и запусках ракет. Попадая в атмосферу, все эти изначально неопасные соединения медленно поднимаются вверх, пока не достигают озонового слоя, где оказываются под воздействием УФ излучения. Разлагаясь и высвобождая атомы хлора, брома, азота, они вступают во взаимодействие с озоном. При этом каждый атом хлора или брома разрушает молекулу озона, присоединяя атом кислорода.

Взаимодействие происходит по формуле:

O3+Y=YO+O2

YO+O=Y+O2

где Y=NO, OH, Cl, Br[13]

Впервые вопрос угрозы озоновому слою Земли поднялся еще в далеких 1960-х годах. Тогда считалось, что сверхзвуковые самолеты, выбрасывающие при полете выхлопные газы, состоящие из оксидов азота и водяных паров, могут серьезно повредить озоносфере. Также определенная опасность приписывалась азотным удобрениям. Но обе эти угрозы оказались незначительными. Сверхзвуковая авиация не нашла такого широкого применения, как предполагалось, и в настоящее время представлена только «Конкордом», совершающим рейсы над Атлантикой несколько раз в неделю, и военными самолетами. Азотные же удобрения нестойки и успевают разложиться прежде, чем достигнут стратосферы.

Распределение температуры контролирует динамические процессы в атмосферном газе. Таким образом, вся система циркуляции в стратосфере, включая и вертикальный перенос газа, зависит от распределения озона. И если под влиянием антропогенных процессов распределение озона заметно изменится, должна измениться вся картина динамических процессов, включая и взаимодействие стратосферы и тропосферы.

Расчеты с помощью атмосферных моделей показывают, что если повсеместно уменьшить концентрацию озона в два раза, то в мезосфере произойдет охлаждение атмосферного газа на 20° С. Это охлаждение в большей части стратосферы (18–40 км) составит 6 – 8° С, а на стыке тропосферы и стратосферы (7 – 18 км) составит 2 – 3° С.

Молекулы O3 могут не только поглощать мягкое ультрафиолетовое излучение, но и обладают другими свойствами, существенными для теплового режима атмосферы. Наиболее важное из них – способность поглощать излучение в инфракрасном диапазоне, точнее в полосе с длиной волны примерно 9,6 мкм.

Суть парникового эффекта состоит в том, что поверхность Земли поглощать энергию падающего на неё солнечного излучения (ближнего ультрафиолетового, видимого, инфракрасного – всего, которое до неё дошло, почти не поглотившись в воздухе) и переизлучает эту энергию в виде тепловых лучей сугубо в инфракрасной области. Если бы это инфракрасное излучение не поглощалось в атмосфере и не уходило назад в космическое пространство, на Земле было бы невыносимо холодно. Но этого не происходит потому, что большая часть переизлученной энергии не покидает нижних слоев атмосферы, а поглощается там облаками и различными малыми составляющими. Наиболее активны в этом поглощении две атмосферные составляющие – углекислый газ и пары воды. Именно они обеспечивают задержку в атмосфере большей части инфракрасного излучения. Однако существует так называемое окно прозрачности в полосе 8 – 13 мкм, где суммарное поглощение указанными двумя составляющими (CO2 и H2O) мало. В этой области в роли основного поглотителя выступает озон. Как отмечалось выше, озон имеет сильную полосу поглощения в области 9,6 мкм, которая и обеспечивает захват уходящего инфракрасного излучения в середине окна. Отмечу, что у молекулы озона имеются и другие полосы поглощения в инфракрасной области (например, с длиной волны 13,8 и 14,4 мкм). Но там они накладываются на сильные полосы поглощения H2O и CO2.

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.

Страницы: 1, 2