Лекция №2 ХИМИЯ СТРАТОСФЕРЫ
ОЗОН В АТМОСФЕРЕ
Диапазоны длин волн солнечного излучения
Содержание озона в атмосфере
Определение содержания озона в атмосфере
Определение содержания озона в атмосфере
Спектрометры
Содержание озона в атмосфере
Содержание озона в атмосфере
Содержание озона в атмосфере
Образование и разрушение озона
Нулевой цикл озона
Циклические процессы разрушения озона
Водородный цикл
Водородный цикл
Азотный цикл
Азотный цикл
Хлорный цикл
Хлорный цикл
Хлорный цикл
Бромный цикл
Бромный цикл
Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона
Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона
Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона
Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона
Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
«Озоновая дыра» над Антарктидой
Международные соглашения, направленные на сохранение озонового слоя
Уменьшение озоноопасности фреонов
Спасибо за внимание! Вопросы?
1.90M
Category: geographygeography

Lektsia_2_po_distsipline_Khimia_okruzhayuschey

1. Лекция №2 ХИМИЯ СТРАТОСФЕРЫ

1.
2.
3.
4.
5.
Озон в атмосфере
Образование и
разрушение озона в
атмосфере
Обрыв цепи в процессах,
вызывающих разрушение
озона
«Озоновая дыра» над
Антарктидой
Международные
соглашения для
сохранения озонового
слоя.

2. ОЗОН В АТМОСФЕРЕ

Озон — Оз — аллотропная модификация кислорода. Общая масса озона в атмосфере оценивается
примерно в 3,3 млрд т. Это высокотоксичный газ, его токсичность примерно на порядок
превышает токсичность диоксида серы. Озон — сильнейший окислитель, реагирующий
практически с любыми веществами — от автомобильных покрышек до тканей легких человека.
Поэтому дышать озоном нельзя, и его присутствие в воздухе тропосферы даже в сравнительно
небольших количествах представляет опасность для всего живого.

3.

Важной особенностью
поглощать излучение:
озона
является
О3 + hv → О2 + О
его
способность

4. Диапазоны длин волн солнечного излучения

• 200 нм – 400 нм ультрафиолетовое
излучение
• 400 нм – 760 нм видимое излучение
• 760 нм – 2800 нм инфракрасное излучение

5.

• Озон разрушается, поглощая излучение с длиной
волны меньше 1130 нм, но максимум поглощения
наблюдается при длине волны короче 320 нм.
• Озон поглощает ультрафиолетовое излучение в
тысячи раз лучше, чем кислород, и количества
озона в стратосфере, где концентрация его
достигает максимальных значений, в десятки и
сотни раз превышающих среднее его содержание в
тропосфере, достаточно для практически полного
поглощения жесткого ультрафиолетового излучения
Солнца. Поэтому озон стратосферы выполняет
защитную функцию, и уменьшение его количества в
этой области атмосферы может представлять
опасность для биоты и прежде всего для человека.

6. Содержание озона в атмосфере

Зона с максимальными значениями концентрации озона
находится на высотах от 15 до 35 км. На больших высотах концентрация
озона резко снижается, и на высоте более 85 км озон практически
отсутствует.

7. Определение содержания озона в атмосфере

8. Определение содержания озона в атмосфере

• В 20-х годах прошлого столетия основным прибором для
измерения содержания озона в атмосфере был
спектрометр Добсона. Этот прибор позволял определять
общее количество озона, находящегося в столбе воздуха
над наблюдателем. Полученные значения суммарного
объема озона в столбе атмосферы единичной площади
сечения приводили к нормальным условиям и
определяли высоту, которая приходится в этом столбе
атмосферы на весь озон.
• Слой озона высотой 10-5 м принимается
равным одной единице Добсона (е.Д.).

9. Спектрометры

Добсона
Брюера

10. Содержание озона в атмосфере

• Общее количества озона в атмосфере
меняется от 120 до 760 е.Д. (наиболее
часто — 200-400 е.Д.) при среднем для
всего земного шара значении 290 е.Д.
Таким образом, весь озон, собранный из
атмосферы к поверхности Земли, мог бы
покрыть ее слоем, толщина которого в
среднем составила бы 2,9 мм.

11. Содержание озона в атмосфере

• Общее содержание озона в атмосфере над конкретной территорией
изменяется в достаточно широких пределах. Помимо фотохимических
процессов значительный вклад в изменение содержания озона и его
концентрации на различных высотах вносят процессы движения
воздушных масс. Закономерности таких изменений, связаны со
временем года и географической широтой местности.
• В северном полушарии на широтах более 30° с.ш. общее содержание
озона в атмосфере максимально в конце зимы — начале весны, а
минимально осенью (сентябрь — октябрь).
• Наибольшие изменения характерны для высоких широт (70-80° с.ш.), где
среднее содержание озона может меняться от 450 е.Д. в марте до 280
е.Д. в сентябре.
• На широте 40-43° с.ш. изменения менее контрастны (от 370 е.Д. весной
до 280 е.Д. осенью).
• На низких широтах (менее 30°) с.ш. сезонные изменения практически
отсутствуют (не превышают 20 е.Д.). В южном полушарии общая картина
сезонных изменений такая же, хотя и менее выраженная.

12. Содержание озона в атмосфере

• 1) полярная зона — характеризуется наибольшими
значениями среднегодового общего содержания (около 400
е.Д.) и концентраций озона, наибольшими сезонными
колебаниями (около 50%); зона максимальной концентрации
озона расположена наиболее близко к поверхности — на
высотах 13-15 км.
• 2) тропическая зона — среднегодовые значения общего
содержания озона невелики и составляют примерно 265
е.Д., сезонные колебания не превышают 10-15%; зона
максимальной концентрации озона находится на высотах 2427 км.
• 3) средние широты —занимают промежуточное положение,
сезонные изменения составляют 30-40% от средних
значений, зона максимальной концентрации озона
находится на высотах 19-21 км.

13. Образование и разрушение озона

При взаимодействии с излучением длиной волны менее 240 нм молекула
кислорода, как уже отмечалось выше, диссоциирует с образованием двух
атомов кислорода. В зависимости от величины энергии поглощенного кванта
один или оба образующихся атома кислорода могут находиться в
возбужденном состоянии:
О2 + hv → О(1D) + О(3P),
где О(1D) — атом в возбужденном состоянии; О (3Р) — атом в основном
состоянии.
Только атом, находящийся в основном состоянии, способен вступить в
реакцию синтеза озона:
О2 + О(3Р)+М →О3+М*,
где М —так называемое «третье тело», присутствие которого необходимо
для отвода части энергии, выделяющейся в процессе. В результате реакции
третье тело, в качестве которого в атмосфере выступают молекулы азота или
кислорода, которых значительно больше, чем других газов, переходит в
возбужденное состояние (М*).

14.

Молекула озона может взаимодействовать с
атомом кислорода с образованием двух молекул
кислорода:
О3 + О →2О2.
Эта реакция, часто называемая реакцией с
участием «нечетного кислорода», приводит к
стоку озона из стратосферы. Однако скорость
этой реакции значительно ниже скорости
реакции образования озона

15.

16.

В зависимости от энергии поглощенного
кванта образующийся атом кислорода может
находиться в возбужденном или в основном
состоянии:
О3 + hv →О2 + О(1D)
О3+ hv →О2 + О(3Р)

17. Нулевой цикл озона

• Атом кислорода в основном состоянии
может вновь принять участие в синтезе
озона. Реакции образования и разложения
озона часто называют нулевым циклом
озона.
О3+ hv →О2 + О(3Р)
3
О2 + О( Р)+М →О3+М*

18. Циклические процессы разрушения озона

• Водородный цикл
• Азотный цикл
• Хлорный цикл
• Бромный цикл

19. Водородный цикл

• При поглощении кванта света с длиной волны
менее 240 нм молекулы воды могут распадаться с
образованием гидроксидного радикала и
атомарного водорода:
Н2О + hv → ОН + Н
• Гидроксидные радикалы образуются и при
взаимодействии молекул воды или метана с
возбужденным атомом кислорода:
О(1D)+H2О → 2ОH
О(1D) + CH4 → СНз + ОН

20. Водородный цикл

ОН + Оз →О2 + НО2
НО2 + О → О2 + ОН
Оз + О →2О2
• О – атомарный кислород
• ОН – гидроксидный радикал
• НО2 – гидропероксидный радикал

21. Азотный цикл

Источником оксидов азота является:
1. Взаимодействие гемиоксида азота с
возбужденным атомом кислорода
N2О + О(1D) →2NO
2. Самолеты, летающие в стратосфере и
космические корабли

22. Азотный цикл

NO + Оз →О2 + NО2
NО2 + О → О2 + NO
Оз + О →2О2

23. Хлорный цикл

Источником атомов хлора является
фотохимическое разложение
хлорфторуглеводородов (ХФУ)
Попадая в стратосферу, эти соединения могут
взаимодействовать с излучением с длиной
волны менее 240 нм, при этом происходит
образование атомарного хлора, как,
например, в случае фреона Ф-11 (CFCl3)
CFCI3 + hv → CFC12 + CI

24.

25. Хлорный цикл

Cl + Оз →О2 + ClО
ClО + О → О2 + Cl
Оз + О →2О2
ClО – оксид хлора

26. Хлорный цикл

27. Бромный цикл

• Во всех рассмотренных до этого циклах нарушения
озонового слоя реакция с участием атомарного
кислорода является наиболее медленной, и ее скорость
лимитирует соответствующие циклы. В случае бромного
цикла процесс значительно ускоряется, и бром
потенциально наиболее опасен для озонового слоя.
Однако влияние этого цикла на озоновый слой в
настоящее время меньше, чем влияние других
рассмотренных циклов. Это связано с меньшими
концентрациями брома в стратосфере. Основными
источниками брома в стратосфере являются бром
содержащие органические соединения, используемые
для тушения пожаров (галоны).

28. Бромный цикл

Вг + Оз →ВгО + О2
ВгО + ВгО → 2Вг + О2
ВгО + СlО → Вг + Сl + О2

29. Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона

• В рассмотренных выше цепных процессах
«активные» частицы не расходуются.
Каждая из «активных» частиц может
многократно (до 107 раз) инициировать
цикл разрушения озона, пока не будет
выведена из зоны с максимальным
содержанием озона
• Наличие процессов вывода (стока
«активных» частиц), приводящих к обрыву
реакционной цепи, имеет большое
значение с точки зрения сохранения
озонового слоя, поскольку при отсутствии
таких процессов весь озон в атмосфере
был бы разрушен.

30. Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона

• Гидроксидный и гидропероксидный
радикалы, являющиеся «активными»
частицами водородного цикла, могут
вступать во взаимодействие с различными
компонентами атмосферного воздуха, но
наиболее вероятными для стратосферы
являются следующие реакции:
СН4+ОН →СН3+Н2О
ОН + НО2 →Н20 + О2

31. Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона

Возможным представляется и взаимодействие
гидроксидного радикала с оксидом азота:
OH + NO →HNО2
Протекание этого процесса приводит к образованию
временного резервуара для «активных» частиц
водородного и азотного циклов, поскольку
азотистая кислота сравнительно легко разлагается с
образованием исходных «активных» частиц

32. Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона

Образование временных резервуаров в виде
азотной и азотистой кислот является одной из
особенностей азотного цикла. Окончательный
обрыв цепи превращений азотного цикла наступает
в результате вывода этих временных резервуаров из
зоны с максимальной концентрацией озона в
тропосферу

33. Обрыв цепи в процессах, вызывающих разрушение озона

Особое значение для обрыва цепи имеет реакция
взаимодействия оксида хлора и диоксида азота, которая
приводит к образованию сравнительно устойчивого и
инертного по отношению к озону хлористого нитрозила:
СlO + NO →ClONО2
СlO+ СlO → (СlO) 2
Следует обратить внимание на то, что этот процесс
интенсифицируется при увеличении концентраций СlO и NО2 в
атмосфере и делает практически невозможным одновременное
осуществление азотного и хлорного циклов. Однако при
определенных условиях этот временный резервуар для сбора
«разрушителей» озонового слоя может представлять серьезную
опасность для озона

34. «Озоновая дыра» над Антарктидой

Понятие «озоновой дыры» связывают с уменьшением
общего содержания озона во всех областях атмосферы
над определенной территорией. Наиболее часто это
явление ассоциируется с уменьшением общего количества
озона над Антарктидой, где такой процесс, протекающий с
разной интенсивностью, в последние десятилетия
наблюдается практически ежегодно и где он был
зафиксирован впервые.
Над Антарктидой явление «озоновой дыры» носит
ярко выраженный сезонный характер и проявляется лишь
в весенний период. Например, весной 1987 г.
наблюдалось уменьшение содержания озона с 300 е.Д. до
150-200 е.Д., а в некоторых областях до 100 е.Д., причем
зона, в которой содержание озона составляло менее 200
е.Д., в этот период занимала примерно 40 млн км2.

35. «Озоновая дыра» над Антарктидой

36. «Озоновая дыра» над Антарктидой

• Теоретически процесс был описан в начале
70-х годов 20-го века, экспериментальные
доказательства механизма образования
«озоновой дыры» над Антарктидой
получены в 80-х годах

37. «Озоновая дыра» над Антарктидой

В 1995 г. ученые
П. Крутцен (ФРГ),
Ш. Роуланд (США),
М. Молина (США),
занимавшиеся этой
проблемой, были
удостоены Нобелевской
премии по химии.

38. «Озоновая дыра» над Антарктидой

• В соответствии с современными представлениями, причина
образования «озоновой дыры» над Антарктидой является
комплексной и связана как с совокупностью природных
явлений (полярный вихрь), так и с антропогенным
влиянием на состояние атмосферного воздуха.
• Систематическое увеличение поступления
хлорфторуглеводородов в атмосферу, наблюдавшееся во
второй половине прошлого века, и специфика движения
воздушных масс в стратосфере высоких широт привели к
тому, что в период возникновения «озоновой дыры»
концентрация озоноразрушающих веществ в воздухе над
Антарктидой резко возрастала. Например, содержание
оксида хлора превышало соответствующие значения,
регистрируемые в соседних областях стратосферы, в сотни
раз. При таких высоких концентрациях СlO протекает
процесс образования димеров (СlO)2.

39. «Озоновая дыра» над Антарктидой

• Устойчивый антициклон, так
называемый полярный вихрь,
возникающий каждой зимой над
Антарктидой, приводит к
временному прекращению обмена
воздухом с другими областями
стратосферы и стоку озона в
тропосферу. Поступление озона,
образующегося в тропической или
среднеширотной зонах
стратосферы, в этот период
прекращается. Однако
возникающий дефицит озона в
условиях полярной ночи не
представляет опасности для биоты.

40. «Озоновая дыра» над Антарктидой

Температура воздуха внутри вихря резко снижается до -70 или
-80°С. В стратосфере появляются устойчивые аэрозольные
образования— «серебристые» облака, состоящие из кристаллов
льда и капель переохлажденной жидкости. В состав этих
аэрозолей входят димеры оксида хлора (СlO)2 , хлористый
нитрозил (CIONO2 ) и другие соединения азота (HNO2 , HNO3 ).

41. «Озоновая дыра» над Антарктидой

• В зимний период эти соединения, связанные с
аэрозолями, не взаимодействуют с озоном.
Весной циркумполярный вихрь распадается, и
при повышении температуры на поверхности
кристаллов льда начинают протекать
гетерогенные химические процессы:
ClONO2 + H2О→HOCl + HNO3
или
ClONО2 + HCl→Cl2+HNО3

42. «Озоновая дыра» над Антарктидой

Образующиеся молекулы Сl2 и НОСl неустойчивы и в
отличие от НСl и CIONO2 при появлении первых солнечных
лучей распадаются даже под воздействием видимого
излучения:
Cl2 +hv→ 2Сl
НОСl + hv → ОН + Сl
Таким образом, с наступлением весны в стратосфере
над Антарктидой появляется ряд озоноразрушающих
веществ, и начинаются цепные процессы разрушения
озона на фоне природного дефицита озона, содержание
которого не успевает восстановиться после окончания
полярной ночи и разрушения вортекса.

43. «Озоновая дыра» над Антарктидой

Особую роль в разрушении озона над
Антарктидой играют димеры оксида хлора. Эти
соединения неустойчивы и при воздействии
излучения разлагаются:
(СlO)2 + hv → CI + ClOO
и далее
СlOО→Сl + O2
Суммируя все уравнения реакций «димерного
цикла» получим:
2O3 + hv → 3O2

44. «Озоновая дыра» над Антарктидой

Протекание гетерогенных реакций и «димерный
цикл» резко интенсифицируют процесс разрушения
озона над Антарктидой в весенний период и приводят
к образованию «озоновой дыры».
В дальнейшем кристалики льда растают,
гетерогенные процессы прекратятся, оксид хлора
частично израсходуется, а частично свяжется с
диоксидом азота в хлористый нитрозил.
В основном благодаря динамическим процессам
стратосферной циркуляции в полярную область
поступит озон из других областей атмосферы, часть
его будет синтезирована над Антарктидой, и «дыра»
постепенно, в течение одного-двух месяцев закроется.

45. Международные соглашения, направленные на сохранение озонового слоя

Первым международным актом, ограничивающим производство фреонов и
других разрушающих озоновый слой соединений, стал Монреальский протокол.
Он был подписан тридцатью странами в 1987г. и вступил в силу с 1 января 1989 г.
Основными положениями Монреальского протокола были определены
следующие действия, которые обязались предпринять подписавшие его страны:
1) производство фреонов 11, 12, 113, 114, 115
• заморозить на уровне 1986 г. начиная с 1992 г.;
• сократить до 80% от уровня 1986 г. начиная с 1993 г.;
• сократить до 50% от уровня 1986 г. начиная с 1998 г.;
2) производство галонов (бромированных галогеналканов для тушения пожаров)
ограничить на уровне 1986 г.
В 1989 г. Совет министров Европейского сообщества объявил, что производство
фреонов будет полностью прекращено к 2000 г. США сделали аналогичное
заявление. Годом позже страны, подписавшие Монреальский протокол (их стало
более 60), одобрили эту политику.

46.

В 1990 г. Монреальский протокол был вновь
пересмотрен. Страны, его подписавшие, взяли на себя
следующие обязательства:
1)
производство фреонов
• сократить до 50 % начиная с 1995 г.;
• сократить до 15 % начиная с 1997 г.;
• прекратить полностью к 2000 г.;
2) производство тетрахлорметана (четыреххлористого
углерода, используемого в качестве растворителя)
• сократить до 15 % начиная с 1995 г.;
• прекратить полностью к 2000 г.;
3) производство галонов прекратить к 2000 г. (за
исключением соединений, для которых не известны
альтернативные заменители);
4) производство 1,1,1-трихлорэтана (используемого в
качестве растворителя)
• сократить до 70% начиная с 1995 г.;
• сократить до 30% начиная с 1997 г.;
• прекратить полностью к 2005 г.

47. Уменьшение озоноопасности фреонов

Вместо опасных фреонов в соответствующих отраслях промышленности
используются зачастую менее эффективные, но более безопасные
органические соединения.
Например, введение в молекулу хлорфторуглеводорода атомов водорода:
CFCI3 → CНFCI2
делает соединение более реакционноспособным, его время жизни в
тропосфере значительно уменьшается, и такие соединения уже не
способны достичь стратосферы и повлиять на содержание в ней озона.
Другой путь связан с полной или частичной заменой атомов хлора в
молекуле фреона:
CНFCI2 → CНF3
В этом случае молекула либо может стать более реакционноспособной (с
уменьшением времени жизни), либо она не будет представлять опасности
для озонового слоя, поскольку хлорный цикл в отсутствие хлора
невозможен.

48. Спасибо за внимание! Вопросы?

English     Русский Rules