Хлорфторвуглеці

Національний Університет «Києво-Могилянська Академія»
кафедра екології РЕФЕРАТ
на тему:
« Проблема стратосферного озону. Хлорфторвуглеці(ХФВ) та їх вплив на озоновий шар»
Виконав: студент ФПрН-3
Фурсов Е.Ю
Перевірив: викладач
доктор фіз.-магн. наук,
професор Волощук В.М.
КИЇВ 1999
Зміст
Вступ 3
Принцип проблеми. Наслідки для “живого” 3
Проблема з “хімічної” точки зору 5
Хлорфторвуглеці(ХФВ) 6
ХФВ в промисловості 8
Інший погляд на проблему 9
Висновок 10
Література 11
Вступ
У 1985 р. фахівці з Британської Антарктичної Служби дослідження атмосфери повідомили про абсолютно несподіваний факт: весняний вміст озону в атмосфері над станцією Халлі-Бей в Антарктиді зменшився за період з 1977 по 1984 р. на 40%. Незабаром це підтвердили інші дослідники, що показали, що область зниженого вмісту озону ідеза межі Антарктиди і за висотою охоплює шар від 12 до 24 км, тобто значну частину нижньої стратосфери. Найбільш докладним дослідженням озоновогошару над Антарктидою було міжнародний Літаковий Антарктичний Озоновиий Експеримент. Протягом експеременту вчені з 4 країн декілька разів піднімалися в зону зниженого вмісту озону і зібрали детальні дані про її розміри і хімічні процеси, які там вібуваються. Фактично це означало, що в полярній атмосфері є озонова«дірка». На початку 80-х за вимірюваннями зі супутника «Німбус-7» аналогічна дірка була виявлена і в Арктиці, правда вона охоплювала значно меншу площу і зниження рівня озону в ній було не таке суттєве — біля 9%. У середньому на Землі з 1979 по 1990 р. вміст озону впав на 5%.
Принцип проблеми. Наслідки для “живого”.
Це відкриття стурбувало як вчених, так і широку громадськість, оскільки це означало, що шар озону, який охоплює нашу планету, знаходиться в більшій небезпеці, ніж вважали раніше. Потоншення цього шару може призвести до серйозних наслідків для людства. Вміст озону в атмосфері менше за 0.0001%, однак саме озон повністю поглинає смертельне ультрафіолетовевипромінювання сонця з довжиноюхвилі l
Зниження концентрації озону на 1% приводить в середньому до збільшення інтенсивності жорсткого ультрафіолетуу поверхні землі на 2%. Ця оцінка підтверджується вимірюваннями, проведеними в Антарктиді (правда, через низьке положення сонця, інтенсивність ультрафіолетув Антарктиді все ще нижче, ніж в середніх широтах). За своїм впливом на живі організми жорсткий ультрафіолетподібний до іонізуючих випромінювань, однак, через більшу, ніж у g-випромінювання довжину хвилі він не здатний проникати глибоко в тканини, і тому вражає тільки поверхневі органи. Жорсткий ультрафіолетволодіє достатньою енергією для руйнування ДНКі інших органічних молекул, що викликає рак шкіри, осбливошвидкоплинну злоякісну меланому, катаракту і імунну недостатність. Природно, жорсткий ультрафіолетздатний викликати і звичайні опіки шкіри і рогівки. Вже зараз у всьому світі помітне збільшення захворювання раком шкіри, однак значна кількість інших чинників (наприклад, популярністьзагару зросла, яка призводить до того, що люди більше часу проводять на сонці, таким чином отримуючи велику дозу УФ опромінення) не дозволяє однозначно стверджувати, що цьому сприяло зменшення вмісту озону. Жорсткий ультрафіолетпогано поглинається водою і тому представляє велику небезпеку для морських екосистем. Експерименти показали, що планктон, який мешкає в приповерхневомушарі при збільшенні інтенсивності жорсткого УФ може серйозно постраждати і навіть загинути повністю. Планктон знаходитсяв основі харчових ланцюжків практично всіх морських екосистем, тому без прикрас можна сказати, що практично все життя приповерхневихшарів морів і океанів може зникнути. Рослини менш чутливідо жорсткого УФ, але при збільшенні дози можуть постраждати і вони. Якщо вміст озону в атмосфері значно зменшиться, людство легко знайде засіб захисту від жорсткого УФ випромінювання але при цьому ризикує померти від голоду.
Проблема з “хімічної” точки зору
Утворення озону описується рівнянням реакції:
O2+O→O3
Необхідний для цієї реакції атомарний кисень вище за рівеню 20 км утвориться при розщепленні кисня під дією ультрафіолетовоговипромінювання з l
O2+hО→2O
Нижче за цей рівень такі фотони майже не проникають, і атоми кисня утворяться, в основному, при фотодиссоціаціїдвоокисі азотуфотонами м'якого ультрафіолетаз l--PAGE_BREAK--
NO2+hО→NO+2О
Руйнування молекул озону проходитьпри їх попаданні на частки аерозолів або на поверхню землі, але основний стік озону визначають цикли каталітичних реакцій в газовій фазі:
O3+Y→YO+O2 YO+O→Y+O2
де Y=NO, OH, Cl, Br
Вперше думка про небезпеку руйнування озоновогошару була висловлена ще в кінці 1960-х років, тоді вважалося, що основну небезпеку для атмосферного озону являють викиди водяної пари і окисівазоту (NOХ) з двигунів надзвукових транспортних літаків і ракет. Однак, надзвукова авіація розвивалася значно менш бурхливими темпами, ніж передбачалося. Зараз у комерційних цілях використовується тільки «Конкорд», що здійснює декілька рейсів в тиждень між Америкою і Європою, з військових літаків в стратосфері літають практично тільки надзвукові стратегічні бомбардувальники, такі як B1-B або Ту-160 і розвідувальні літаки типу SR-71. Таке навантаження навряд чи представляє серйозну загрозу для озоновогошару. Викиди окисівазоту з поверхні землі внаслідок спалення викопного палива, масового виробництва і застосування азотних добрив також представляє певну небезпеку для озоновогошару, але окисиазоту нестійкі і легко руйнуються в нижніх шарах атмосфери. Запуски ракет також відбуваються не дуже часто, проте, хлоратнітверді палива що використовуються в сучасних космічних системах, наприклад в твердопаливнихприскорювачах "Спейс-Шаттл" або «Аріан», можуть наносити серйозної локальної шкоди озоновомушару в районі запуску.
Хлорфторвуглеці(-водні) (ХФВ)
У 1974 г. М. Моліна і Ф. Роуленд з Каліфорнійського університету в Ірвіне показали, що хлорфторвуглеці(ХФВ) можуть руйнувати озон. З того часу так звана хлорфторвуглецевапроблема стала однією з основних в дослідженнях на забруднення атмосфери. Хлорфторвуглецівже більше за 60 років використовуються як “холодагенти” в холодильникахі кондиціонерах, пропеллентидля аерозольнихсумішей, піноутворюючі агенти у вогнегасниках, очищувачі для електронних приладів, при хімічному чищенні одягу, при виробництві пінопластиків. Колись вони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини оскільки вони дуже стабільні і неактивні, а значить не токсичні. Як це ні пародоксально, але саме інертність цих з'єднань робить їх небезпечною для атмосферного озону. ХФВне розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, який має межі від поверхні землі до висоти 10 км), як це відбувається з більшістю оксидів азоту, і зрештою проникають в стратосферу, верхня межа якої розташовується на висоті біля 50 км. Коли молекули ХФВпідіймаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони зазнають інтенсивного впливу ультрафіолетовоговипромінювання, який не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону. Ультрафіолетруйнує стійкі в звичайних умовах молекули ХФВ, які розпадаються на компоненти що володіють високою реакційною здатністю, зокрема атомний хлор. Таким чином ХФВпереносить хлор з поверхні землі через тропосферуі нижні шари атмосфери, де менш інертні з'єднання хлора руйнуються, в стратосферу, до шара з найбільшою концентрацією озону. Дуже важливо, що хлор при руйнуванні озону діє подібно каталізатору: в ході хімічного процесу його кількість не зменшується.
Внаслідок цього один атом хлора може зруйнувати до 100 000 молекул озону перш ніж буде дезактивованабо повернеться в тропосферу. Зараз викид ХФВв атмосферу оцінюється мільйонами тонн, але потрібно зазначити, що навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва і використання ХФВнегайного результату досягнути не вдасться: дія ХФВ,що вже попали в атосферубуде продовжуватися декілька десятиріч. Вважається, що час життя в атмосфері для двох ХФВфреон-11 (CFCl3), що найбільш широко використовуються і фреон-12 (CF2Cl2) становить 75 і 100 років відповідно.
Окисиазоту здатні руйнувати озон, однак, вони можуть реагувати і з хлором.
Наприклад:
O3+Cl→ClO+O2
ClO+NО→NO2+Cl    продолжение
--PAGE_BREAK--
NO2→NO+О
O2+O→O3
В ході цієї реакції вміст озону не міняється. Більш важливою є інша реакція:
ClO+NO2→ClONO2
Сполука, що утворюється в ході реакції хлористий нітрозилє так званим “резервуаром” хлора. Хлор, який міститься в йому неактивний і не може вступити в реакцію з озоном. Зрештою така молекула-резервуар може поглинути фотон або вступити в реакцію з будь-якою іншою молекулою і вивільнити хлор, але вона також може покинути стратосферу. Розрахунки показують, що якби в стратосфері були відсутні окисиазоту, то руйнування озону йшло б набагато швидше. Іншим важливим резервуаром хлора є хлористий водень HCl, що утворюється при реакції атомарногохлора і метану СH4.
ХФВ в промисловості.
Приймаючи до уваги ці аргументи багато країн почали вживати заходів направлених на скорочення виробництва і використання ХФВ. З 1978 р. в США було заборонене використання ХФВв аерозолях. На жаль, використання ХФВв інших галузях обмежене не було. У вересні 1987 р. 23 найрозвинутіші країни світу підписали в Монреалі конвенцію, що зобов'язує їх знизити споживання ХФВ. Згідно з досягнутою домовленістю розвинені країни повинні до 1999 р. знизити споживання ХФВдо половини рівня 1986 р. Для використання в якості пропеллентав аерозолях вже знайдений непоганий замінник ХФВ— пропан-бутанова суміш. По фізичних параметрах вона практично не поступається фреонам, але, на відміну від них, вогненебезпечна. Проте такі аерозолі вже використовують в багатьох країнах світу. Складніше з холодильними установками — другим по величині споживачем фреонов. Справа в тому, що через полярність молекули ХФВмають високу теплоту випаровування, що дуже важливо для робочого тіла в холодильниках і кондиціонерах. Кращим відомим на сьогодні замінником фреоновє аміак, але він токсичний і все ж поступається ХФВза фізичними параметрами. Непогані результати отримані для повністю фторованихвуглеводнів. У багатьох країнах ведуться розробки нових замінників і вже досягнуті непогані практичні результати, але повністю ця проблема ще не вирішена.
Використання фреонівпродовжується і поки далеко навіть до стабілізації рівня ХФВв атмосфері. Так, за даними мережі Глобального моніторинга змін клімату, в фонових умовах — на берегах Тихого і Атлантичного океанів і на островах, далеких від промислових і густонаселених районів — концентрація фреонів-11 та -12 в цей час росте з швидкістю 5-9% на рік. Вміст в стратосфері фотохімічноактивних з'єднань хлора в цей час в 2-3 рази вище в порівнянні з рівнем 50-х років, до початку швидкого виробництва фреонів.
Інший погляд на проблему
Разом з тим, ранні прогнози, які передбачали, що при збереженні сучасного рівня викиду ХФВ, до середини XXI ст. вміст озону в стратосфері може впасти вдвічі, можливо були дуже пессемістичними. По-перше, “дірка” над Антарктидою багато в чому є слідством метеорологічних процесів. Утворення озону можливо тільки при наявності ультрафіолетуі під час полярної ночі не йде. Зимою над Антарктикою утвориться стійкий вихор, який перешкоджає притоку багатого на озон повітря з середніх широт. Тому до весни навіть невелику кількість активного хлора здатна нанести серйозної шкоди озоновомушару. Такий вихор практично відсутній над Арктикою, тому у північній півкулі падіння концентрації озону значно менше. Багато дослідників вважають, що на процес руйнування озону впливають полярні стратосферніхмари. Ці висотні хмари, які набагато частіше спостерігаються над Антарктикою, чим над Арктикою, утворяться зимою, коли відсутнє сонячне світло і в умовах метеорологічної ізоляції Антарктиди температура в стратосфері падає нижче за -80°. Можна передбачити, що з'єднання азоту конденсуються, замерзають і залишаються пов'язаними з хмарними частками і тому позбавляються можливості вступити в реакцію з хлором. Можливо також, що хмарні частки здатні каталізуватирозпад озону і резервуарів хлору. Все каже про те, що ХФВздатні спричинити помітне зниження концентраціїозону тільки в специфічних атмосферних умовах Антарктиди, а для помітного ефекту в середніх широтах, концентрація активного хлора повинна бути набагато вищою. По-друге, при руйнуванні озоновогошару жорсткий ультрафіолетпочне проникати глибше в атмосферу. Але це означає, що утворення озону буде відбуватися як і раніше, але тільки трохи нижче, в області з великим вмістом кисня. Правда, в цьому випадку озоновийшар буде в більшій мірі схильний до дії атмосферної циркуляції.
Хоч перші песимістичні оцінки були переглянені, це ні в якому разі не означає, що проблеми немає. Швидше стало ясно, що немає негайної, серйозної небезпеки. Навіть найбільш оптимістичні оцінки передбачають при сучасному рівні викиду ХФВв атмосферу серйозні біосферніпорушення у другій половині XXI ст., тому скорочувати використання ХФВвсеж таки необхідно.
Висновок
Можливості впливу людини на природу постійно ростуть і вже досягли такого рівня, коли людина може зруйнувати планету, знишити все живе, повністю змінити кліматичні умови інш. Вже не в перший раз речовина, який довгий час вважався абсолютно нешкідливою, виявляється насправді надто небезпечною. Років двадцять назад навряд чи хто-небудьміг передбачити що звичайний аерозольний балончик може представляти серйозну загрозу для планети загалом. На нещастя, далеко не завжди вдається вчасно передбачити, як та або інша сполука будевпливати на біосферу. Однак у випадку з ХФВтака можливість була: всі хімічні реакції, що описують процес руйнування озону ХФВнадто прості і давно відомі. Але навіть після того, як проблема ХФВбула в 1974 р. сформульована, лишеСША вжили які-небудь заходів по скороченню виробництва ХФВхоча заходи ці були абсолютно недостатні. Була потрібна досить серйозна демонстрація небезпеки ХФВдля того, щоб були прийняті серйозні заходи в світовому масштабі. Потрібно помітити, що навіть після виявлення озоновой“дірки”, ратифікування Монреальської конвенції якийсь час знаходилося під загрозою. Може проблема ХФВнавчить з великою увагою і з застереженням ставитись до всіх речовин, що попадають в біосферувнаслідок діяльності людства.
Література
Антропогенные изменения климата (под ред. Будыко М.И. и Израэля Ю.А.).-Л., Гидрометиздат, 1987.
2. Миронов Л.В. Разрушение озонового слоя Земли хлорфторуглеродами.
-Л., Гидрометеоиздат, 1989.
3. Израэль Ю.А. Проблемы окружающей среды и пути их решения. –Л., Гидрометеоиздат, 1984.
4. Бронштейн Д.Л. Современные средства измерения загрязнения атмосферы. –Л.: Гидрометиздат, 1989.
5. Кондратьев К.Л. Современное состояние и перспективы применения спутников для монитринга климата.-Метеорология и гидрология. 1982, № 7.