1.2. Причины ослабления озонового щита. Озновые дыры
реклама
Министерство здравохранения Украины Луганский государственный медицинский университет Кафедра гигиены и экологии Зав. каф. д. м. н. Витрищак С. В. Реферат на тему: «Значение озонового слоя атмосферы, озоновые дыры. Солнечный спектр на границе атмосферы и земной поверхности. Влияние солнечной активности на биосферу, организм человека, здоровье населения.» Выполнила Студентка 22 группы III курса педиатрического факультета Дробова Н. Н. Преподаватель: Жук С. В. Луганск - 2009 1 Содержание Вступление…………………………………………………………………… 3 1.Озоновый слой………………………………………………………………4 1.1 . Что такое озоновый слой?.................................................................4 1.2. Причины ослабления озонового щита. Озновые дыры…………………………………………………….. 5 1.3. Пути решения проблем……………………………………………...6 2.Солнечная радиация…………………………………………………………7 2.1. Солнечный спектр на границе атмосферы и земной повепхности………………………………………………..7 2.2. Ослабление потоков лучистой энергии в атмосфере……………...8 3. Влияние солнечной активности ………………………………………….11 4. Вывод………………………………………………………………………..14 5. Литература……………………………………………………….................15 2 Вступление Жизнь на Земле существует главным образом потому, что она защищена от губительных космических излучений. Эту защиту создаёт слой озона, разновидности кислорода. Озон – один из важнейших малых газов атмосферы. При электрических разрядах и под действием ультрафиолетового излучения Солнца к двум атомам кислорода в молекуле присоединяется ещё один – О3. После грозы, в хвойном лесу этим газом легко и приятно пахнет (в переводе с греческого «озон» означает «пахнущий»). Он синего цвета, является сильным окислителем и при больших скоплениях способен разлагаться с взрывом. Озон поглощает короткие волны солнечного спектра и практически не пропускает ультрафиолетовое излучение. Также он не пропускает около 20% излучения, исходящего от Земли, а это препятствует охлаждению планеты.В воздухе всегда присутствует озон, концентрация которого у земной поверхности составляет в среднем 10-6%. Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода. 3 1.Значение озонового слоя 1.1. Что такое «озоновый слой»? Озон является аллотропным видоизменением кислорода с трехатомной молекулой O3. Молекула озона не линейна и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями . Озон – одна из форм существования химического элемента кислорода в земной атмосфере. Последняя состоит в основном из азота и кислорода. В приземном воздухе, равно как и во всей атмосфере до высоты около 150 км, и азот, и кислород существуют практически только в форме молекул N2 и O2. Однако на всех высотах в атмосфере идут процессы диссоциации (т.е. разрушения молекул), приводящих к появлению атомов N и O. Эти процессы компенсируются быстрыми реакциями обратного соединения атомов в молекулы, поэтому концентрации атомов O и N ниже 100 км очень малы. С увеличением высоты скорость процессов диссоциации растет, а обратных реакций падает, поэтому относительная концентрация атомарных компонентов увеличивается. Но лишь примерно со 100 км атомарный кислород становится одним из основных компонентов атмосферы, а на высоте около 150 км концентрации атомов и молекул кислорода сравниваются. На большой высоте кислород существует уже главным образом в виде атомов. Количество атомарного кислорода (хотя и очень малое) с увеличением высоты над поверхностью Земли растет [1]. Это объясняет и рост с высотой количества молекул O3. Но с некоторого уровня разрушение молекул O3 солнечным излучением растет с высотой быстрее, чем их образование из атомов O, поэтому, начиная с этого уровня (так называемого максимума слоя озона) концентрация озона с высотой начинает уменьшаться[8]. Озоновый «экран» расположен в стратосфере, на высотах от7-8 км. на полюсах, 17-18 километров на экваторе и примерно до 50 километров над земной поверхностью. Гуще всего озон в слое 22 – 24 километров над Землей. Слой озона удивительно тонок. Если бы этот газ сосредоточить у поверхности Земли, то он образовал бы пленку лишь в 2-4 мм толщиной (минимум – в районе экватора, максимум – у полюсов). Однако и эта пленка надежно защищает нас, почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без нее жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация. Озон поглощает некоторую часть инфракрасного излучения Земли. Благодаря этому он задерживает около 20% излучения Земли, повышая отепляющее действие атмосферы[1]. Озон – активный газ и может неблагоприятно действовать на человека. Обычно его концентрация в нижней атмосфере незначительна и он не оказывает вредного влияния на человека. Большие количества озона образуются в крупных городах с интенсивным движением автотранспорта в результате фотохимических превращений выхлопных газов автомашин. 4 Озон, также, регулирует жесткость космического излучения. Если этот газ хотя бы частично уничтожается, то, естественно жесткость излучения резко возрастает, а, следовательно, происходят реальные изменения растительного и животного мира. Уже доказано, что отсутствие или малая концентрация озона может или приводит к раковым заболеваниям, что самым наихудшим образом отражается на человечестве и его способностью к воспроизводству[3]. 1.2. Причины ослабления озонового щита. Озновые дыры До недавнего времени состояние слоя озона не внушало опасений. Тревожные сигналы начали поступать 20 лет назад. С началом космических исследований атмосферы Земли обнаружено нарушение озонового слоя над Антарктидой. Слой озона разрушается под действием загрязнения атмосферы оксидами азота, содержащимися в выбросах летательных аппаратов, при извержении вулканов, но главный враг озонового слоя – не самолёты и ракеты, а домашние и промышленные холодильники, аэрозольные баллончики! Точнее, содержащийся в них фреон. В 1974 – 1975 г.г. было установлено, что наблюдаемое накопление газа фреона в атмосфере может быть причиной разрушения озонового щита[2]. Проникая в стратосферу, молекулы фреонов под действием солнечного излучения выделяют атомы хлора, а они вызывают распад озона. Это ставит под угрозу жизнь человечества. Время жизни самых опасных фреонов – от 70 до 100 лет. Одна единственная молекула фреона может дать начало последовательности реакций, в которых исчезает множество молекул озона[4]. Значит, главная причина образования озоновых дыр – бытовая и хозяйственная деятельность человека. Озоновый слой защищает жизнь на Земле от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Обнаружено, что в течение многих лет озоновый слой претерпевает небольшое, но постоянное ослабление над некоторыми районами Земного шара, включая густо населенные районы в средних широтах Северного полушария. Над Антарктикой обнаружена обширная "озоновая дыра". Разрушение озона происходит из-за воздействия ультрафиолетовой радиации, космических лучей, некоторых газов: соединений азота, хлора и брома, фторхлоруглеродов (фреонов). Деятельность человека, приводящая к разрушению озонового слоя, вызывает наибольшую тревогу. Поэтому многие страны подписали международное соглашение, предусматривающее сокращение производства озоно-разрушающих веществ. Однако озоновый слой разрушает также реактивная авиация и некоторые пуски космических ракет[4]. Предполагается множество причин ослабления озонового щита. Во-первых, – это запуски космических ракет. Сгорающее топливо «выжигает» в озоновом слое большие дыры. Когда-то предполагалось, что эти «дыры» затягиваются. Оказалось, нет. Они существуют довольно долго. 5 Во-вторых, самолеты. Особенно, летящие на высотах в 12-15 км. Выбрасываемый ими пар и другие вещества разрушают озон. Но, в то же время самолеты, летающие ниже 12 км. Дают прибавку озона. В городах он – один из составляющих фотохимического смога. В- третьих – окислы азота. Их выбрасывают те же самолеты, но больше всего их выделяется с поверхности почвы, особенно при разложении азотных удобрений. В – четвертых, это хлор и его соединения с кислородом. Огромное количество (до 700 тысяч тонн) этого газа поступает в атмосферу, прежде всего от разложения фреонов. Фреоны – это не вступающие у поверхности Земли ни в какие химические реакции газы, кипящие при комнатной температуре, а потому резко увеличивающие свой объем, что делает их хорошими распылителями. Поскольку при их расширении снижается их температура, фреоны широко используют в холодильной промышленности. Каждый год количество фреонов в земной атмосфере увеличивается на 89%. Они постепенно поднимаются наверх, в стратосферу и под воздействием солнечных лучей становятся активными – вступают в фотохимические реакции выделяя атомарный хлор. Каждая частица хлора способна разрушить сотни и тысячи молекул озона В 1974 – 1975 г.г. было установлено, что наблюдаемое накопление газа фреона в атмосфере может быть причиной разрушения озонового щита. Проникая в стратосферу, молекулы фреонов под действием солнечного излучения выделяют атомы хлора, а они вызывают распад озона. Это ставит под угрозу жизнь человечества. Время жизни самых опасных фреонов – от 70 до 100 лет. Одна единственная молекула фреона может дать начало последовательности реакций, в которых исчезает множество молекул озона. Значит, главная причина образования озоновых дыр – бытовая и хозяйственная деятельность человека. 1.3. Пути решения проблем. Чтобы начать глобальное восстановление нужно уменьшить доступ в атмосферу всех веществ, которые очень быстро уничтожают озон и долго там хранятся. Также мы - все люди должны это понимать и помочь природе включить процесс восстановления озонового слоя, нужны новые посадки лесов, хватит вырубать лес для других стран, которые почему-то не хотят вырубать свой, а делают на нашем лесе деньги. Для восстановления озонового слоя его нужно подпитывать. Сначала с этой целью предполагалось создать несколько наземных озоновых фабрик и на грузовых самолетах «забрасывать» озон в верхние слои атмосферы. Однако этот проект (вероятно, он был первым проектом «лечения» планеты) не осуществлен. Если этот эксперимент окажется удачным, в дальнейшем предполагается использовать опыт российской орбитальной станции «Мир» и создать на 6 высоте 400 км несколько космических платформ с источниками энергии и лазерами. Лучи лазеров будут направлены в центральную часть озонового слоя и станут постоянно подпитывать его. Источником энергии могут быть солнечные батареи. Космонавты на этих платформах потребуются лишь для периодических осмотров и ремонта. У этого проекта был предшественник – американская СОИ (стратегическая оборонная инициатива) с планом использования мощных лазеров для «звездных войн». Осуществится ли грандиозный мирный проект, покажет время. Но и физическая химия, и космонавтика уже готовы к тому, чтобы начать восстанавливать комфортное для жизни химическое равновесие на нашей планете. Принимая во внимание чрезвычайность ситуации, необходимо: расширить комплекс теоретических и экспериментальных исследований по проблеме сохранения озонового слоя; провести первую Международную научную конференцию по проблемам сохранения озонового слоя активными способами; — создать Международный фонд сохранения озонового слоя активными способами; — провести Международный телемост на тему сохранения озонового слоя с участием ведущих ученых, политических, религиозных и общественных деятелей; — организовать Международный комитет для выработки стратегии выживания человечества в экстремальных условиях. 2. Солнечная радиация 2.1. Солнечный спектр на границе атмосферы и земной повепхности Большинство происходящих в атмосфере явлений, изучаемых оптиками и метеорологами, развиваются за счет лучистой энергии, т.е. энергии, доставляемой Земле солнечной радиацией. Мощность этой энергии примерно может быть оценена в 18*1023 эрг/с. Энергетический спектр солнечной радиации на границе атмосферы близок к спектру абсолютно черного тела с температурой порядка 60000К (рис.1.). До того, как солнечное излучение достигнет поверхности, оно проделает длинный путь через земную атмосферу, где будет не только рассеяно и ослаблено, но и изменено по спектральному составу [5]. 7 Рис.1. Распределение энергии в спектре солнечной радиации на границе атмосферы: 1- по данным 1903-1910 гг., 2 - 1920-1922 гг., 3 1917 г., 4 - абсолютно черное тело при температуре 57130К. В результате дошедшая до места наблюдения (земной поверхности) в виде параллельных лучей от Солнца так называемая прямая солнечная радиация будет как количественно, так и качественно отлична от солнечной радиации за пределами атмосферы . Солнечная (коротковолновая) радиация преобразуется, проходя через атмосферу, в следующие виды радиации: рассеянную (ввиду наличия в атмосфере различных ионов и молекул газов, частиц пыли происходит рассеяние прямой солнечной энергии во все стороны; часть рассеянной энергии доходит до поверхности Земли), отраженную (часть попавшей в атмосферу и на земную поверхность энергии отражается обратно), поглощенную (происходит диссоциация и ионизация молекул верхних слоях атмосферы, нагрев воздуха и самой земной поверхности, тех предметов, которые на ней находятся) [5]. 2.2. Ослабление потоков лучистой энергии в атмосфере Солнечное излучение, проходя через атмосферу, ослабляется благодаря эффектам рассеяния и поглощения. Для потоков лучистой энергии атмосфера в видимой части спектра является мутной средой, т.е. рассеивающей, а в ультрафиолетовой и инфракрасной - поглощающей и рассеивающей. Световой поток поглощается в атмосфере. Рассмотрим избирательное поглощение лучистой энергии в атмосфере. Любое вещество имеет свои полосы поглощения (рис.2). Из газов, входящих всегда в состав атмосферы, существенным для нас селективным поглощением обладают лишь O2, O3, CO2 и водяной пар H2O. Кислород вызывает интенсивное поглощение света 8 Рис.2. Спектр поглощения земной атмосферы. атмосферы, что солнечные лучи с длиной волны <200нм не доходят до высот, доступных для наблюдения с поверхности Земли и самолетов. Озон (O3) имеет весьма сложный спектр поглощения, линии и полосы которого охватывают всю область солнечного спектра, начиная от крайних ультрафиолетовых лучей и до далекой инфракрасной области[1]. В земной атмосфере озона мало, он располагается в виде слоя (10 - 40 км) с центром тяжести на высоте около 22 км, но обладает сильной поглощательной способностью. Его полосы: п.Гартлея (200 - 320 нм; max=255 нм); п.Шапюи (500 - 650 нм; max=600 нм). Наибольшее значение в поглощении лучистой энергии в атмосфере имеет водяной пар (H2O), которого очень много в нашей атмосфере (влажность, облака и т.п.). Рассмотрим отраженную радиацию, т.е. радиацию, которая достигает земной поверхности, частично отражается от нее и вновь возвращается в атмосферу. Также отраженная радиация - это и излучение, отраженное от облаков[6]. Количество отраженной некоторой поверхностью энергии в сильной мере зависит от свойств и состояния этой поверхности, длины волны падающих лучей. Можно оценить отражательную способность любой поверхности, зная величину ее альбедо, под которым понимается отношение величины всего потока, отраженного данной поверхностью по 9 всем направлениям, к потоку лучистой энергии, падающему на эту поверхность. Рассмотрим рассеянную радиацию. Рассеяние в атмосфере может происходить на молекулах газов (молекулярное рассеяние) и частицах (крупных (<<r), средних (r), мелких (>>r)), находящихся в атмосфере, оно зависит также и от наличия облачности. Основы этой теории заложены Рэлеем, но позже она была усоршенствована другими учеными уже для различных размеров, форм и свойств частиц. При попадании света на крупные частицы, обычно находящиеся вблизи поверхности Земли, происходит частичная потеря импульса падающей электро-магнитной волны, т.е. на молекулу действует световое давление, тогда будем иметь эффекты дифракции, отражения и преломления, пронукновения электро-магнитной волны вовнутрь частицы. В результате может возникнуть интерференция падающей волны и вышедшей из частицы за счет явления внутреннего отражения. Все эти явления описываются в теории Ми. Предположения теории Ми: частицы сферические, однородные, не сталкиваются; атмосфера - плоско-параллельный слой. В результате рассеяния прямого солнечного излучения в атмосфере, она сама становится источником излучения, которое достигает земной поверхности в виде рассеянного излучения. Максимум в спектре рассеянной радиации смещен в более коротковолновую область, чем у солнечного спектра; также состав рассеянной радиации зависит от высоты Солнца (рис.3). Рис.3. Распределение энергии в спектре рассеянного света, посылаемого различными точками небесного свода. 10 Рассеянная радиация также зависит и от облачности. Нередки случаи, когда рассеянная радиация достигает значений, сравнимых с потоком прямой солнечной радиации. Это явление обычно происходит в северных широтах. Оно объяснимо тем, что чистый сплошной снежный покров имеет черезвычайно большую отражательную способность. Облака являются средами, которые могут сильно рассеивать свет; опыты показали, что плотные облака толщиной 50 - 100 метров уже полностью рассеивают прямые солнечные лучи. Рис.4. Рассеянная радиация атмосферы при безоблачном небе и при сплошной облачности (10 баллов). 3. Влияние солнечной активности Солнце влияет на следующие факторы: . эпидемиологическую обстановку на Земле; . количество разного рода стихийных бедствий (тайфуны, землетрясения, наводнения и т. д.); . на количество автомобильных и железнодорожных аварий. Максимум всего этого приходится на годы активного Солнца. Воздействие изменений солнечной активности на биологические объекты опосредовано, и пока нельзя с уверенностью выделить один или несколько факторов, ответственных за реакцию человеческого организма на нестационарные солнечные процессы. Дело в том, что приход к Земле излучения от вспышек, солнечных космических лучей, вспышечных и рекуррентных потоков вызывает целый комплекс взаимосвязанных изменений в оболочках Земли и окружающей среде[7]. Александр Леонидович Чижевский внёс большой вклад в изучение влияния Солнца на возникновение эпидемических заболеваний. Результаты этих его исследований имеют особую ценность: ведь он работал c материалом тех эпох, когда медицина не умела ещё бороться ни c чумой, ни c холерой, ни c тифом. Стихийный характер возникновения и распространения эпидемий давал 11 надежду выявить их взаимосвязь c солнечной активностью в в чистом виде. На обширном материале yчёный показал, что самые сильные и смертоносные эпидемии всегда совпадали c максимумами солнечной активности[9]. Такая же закономерность была обнаружена для заболеваний дифтерией, менингитом, полиомиeлитом, дизентерией и скарлатиной. А в начале 60-x гг. появились наyчные публикации o связи сердечнососудистых заболеваний c солнечной активностью. В них было показано, что наиболее подвержены Солнечному воздействию люди, уже перенёсшие один инфаркт. При этом выяснилось, что их организм реагирует не на абсолютное значение уровня активности, а на скорость его изменения. B рядy многooбразныx проявлений солнечной активности особое место занимают хромосфeрные вспышки. Эти мощные Взрывные процессы существенно влияют на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли. Магнитное поле Земли начинает беспорядочно меняться, и это Является причиной магнитных бурь. В 30-x гг. ХХ столетия в городе Ницце (Франция) случайно было замечeно, что число инфарктoв миокарда и инсультов у пожилых людей резко возрастало в те же самые дни, когда на местной телефонной станции наблюдались сильные нарушения связи вплoть до полного её прекращения. Как впоследствии выяснилocь, на¬рушения тeлефoнной связи были вызваны магнитными бурями. Сведения о влиянии магнитного поля на организм человека имелись уже в глубокой древности. Лечебные свойства магнита описывали Аристотель (N В. до Н. э.) и Плиний Старший (I В. Н. э.), немецкий врач Парацельс и английский естествоиспытатель Уильям гилберт (XVI в.). Сейчас установлено, что магнитное поле влияет прежде всего на регуляторные системы организма (Нервную, эндокринную и кровено снyю). Его воздейсвие затормаживает условные и безусловные рефлексы, Меняет состав крови. Такая реакция на магнитное поле объясняется в первую очередь изменением свойств водных растворов в организме человека. B 1934 r. английские yчёные Джон Вернал и Рaльф Фаулер выскaзaли гипотезу, что вода иногда Может проявлять свойства, присущие твёрдым кристаллам. Впоследствии эта гипотеза была экспериментaльно подтверждена, а в наше время жидкие кристaллы широко распроcтранены в бытy: они применяются в электронных часах, калькуляторах, пейджерах и других устройствах. B обычных условиях кристаллическая структура воды крайне неустойчива и слабо себя проявляет. Но если воду пропустить через постоянное магнитное поле, эта структура становится заметной, а сама вода приобретает ряд необычных свойств. Так,намагниченная вода даёт гораздо меньше накипи, Изменяется её диэлектрическая проницаемость, она иначе поглощает свeт, a прораcтание семян и рост растений, обработанных такой водой, происходят гораздо быстрее[10]. B любом живом организме более 70% воды, которая составляет неотъемлемую часть клеток и тканей. Еcли предположить, что для намагничивания воды внутри организма достаточно даже Относительно 12 слабого магнитного поля земли, то в периоды магнитных бурь следует ожидать резкого изменения процессов жизнедеятельности. Поскольку эти процессы протекают на клeточном уровне, магнитная буря будет вызывать изменения в поведении всего живого, Начиная c человека и кончaя микробом. Вот почему в годы активного Солнца могут происходить столь несхожие события, как Варфоломеевскaя ночь и опyстошитeльные набеги саранчи. Итак, мы теперь yже не можем представлять нашу Землю как удобный космический корабль, Надёжно защищающий нас от всех воздействий извне. Наоборот, Земля живет по существу во внешней короне Солнца и потому не только получает от него свeт и тепло, но и подвергается переменным воздействиям со cтоpoны гамма-, рентгеновского и ультрафиолетового излучения, а также солнечногo ветра и космических лучей, Всё это сопровождаeтся различными, порой даже катастрофическими, изменениями в магнитосфeре, атмосфере, гидросфере, биосфере, а возможно, и в твёрдой оболочке Земли. 13 Вывод Солнце оказывае огромнейшее влияние на Землю, ее атмосферу, население, т. Е. на все живое и неживое вокруг. Влияние солнечной активности связано с цикличностью солнечной деятельности. В связи с вращением Солнца вокруг оси теперь выделяют 27-дневный короткопериодический цикл Солнца. В течение этого времени солнечные пятна медленно движутся по обращенной к Земле стороне Солнца, задавая динамику магнитных бурь на планете. Изучение спектра деталей солнечных пятен позволило определять скорости и направления движения вещества в них, и тогда оказалось, что солнечное пятно представляет собой вихревую трубку. Образовавшись из еле заметной точки, пятно живет от одного дня до нескольких месяцев, постепенно исчезая. Иногда могут появляться гигантские пятна. Появление больших пятен и групп пятен обычно сопровождается магнитными бурями на Земле, что проявляется в колебаниях магнитных стрелок компасов, нарушениях радиосвязи и т.п. Откликается полярными сияниями и грозами. Нельзя забывать и об озоновых дырах. Возможности воздействия человека на природу постоянно растут и уже достигли такого уровня, когда возможно нанести биосфере непоправимый ущерб. Уже не в первый раз вещество, которое долгое время считалось совершенно безобидным, оказывается на самом деле крайне опасным. Лет двадцать назад вряд ли кто-нибудь мог предположить что обычный аэрозольный баллончик может представлять серьезную угрозу для планеты в целом. К несчастью, далеко не всегда удается вовремя предсказать, как то или иное соединение будет воздействовать на биосферу. Таким образом, никогда не следует забывать о влиянии солнечной активности и о том, что мы порой очень часто помогаем этим отрицательным факторам убивать нас. 14 Литература: 1. А.А. Гурштейн. Извечные тайны неба. – М.: Наука, 1998. – 234 с. 2. Гиренок Ф.И. Экология, цивилизация, ноосфера. — М.: Прогресс, 1997. – 500 с. 3. Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С. Экологический вызов и устойчивое развитие. Учебное пособие. - М.: Прогресс-Традиция, 2000. - 416 с. 4. И. И. Воронов, Л. И. Гречнева. Основы современного естествознания – М.: Свет, 2002. – 125 с. 5. Короновский Н.В. “Магнитное поле геологического прошлого земли” // СОЖ, 1996г. №6 6. Моисеев Н.Н. Экология и ноосфера / Экология и жизнь, №3, 1999 7. Небел Б. Наука об окружающей среде: Как устроен мир. В 2-х т.-М.: Мир, 1993. – 345 с. 8. Симоненко В. И. Озоновый щит. – К.: Наука, 1999. – 321 с. 9. Шертков В. В. Биосфера. – Х.: Ранок, 2000. - 256 с. 10. Э.В. Кононович . Солнце – дневная звезда. – Х.: Фолио, 2001. – 345 с. 15
