Презентация на тему «Озоновый слой и его разрушение»

Слайд 1. Озоновый слой и его разрушение

• Озоносфера Земли, механизм её разрушения хлорфторуглеродами и международные усилия по восстановлению защитного экрана планеты

Доклад: Тема нашей презентации — озоновый слой и его разрушение. Это тонкая прослойка газа в стратосфере, от которой напрямую зависит существование жизни на суше. Мы разберём, как она устроена, почему начала истощаться и что человечество сумело с этим сделать.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Строение атмосферы Земли
• Озоносфера: где сосредоточён озон
• Единица Добсона
• Цикл Чепмена
• Ультрафиолет: диапазоны и защита
• Озоновая дыра над Антарктидой
• Динамика площади озоновой дыры
• Озоноразрушающие вещества
• Механизм каталитического разрушения
• Полярные стратосферные облака и вихрь
• Учёные, раскрывшие проблему
• Последствия для здоровья человека
• Последствия для биосферы
• Хронология международного регулирования
• Венская конвенция и Монреальский протокол
• Кигалийская поправка и заменители
• Восстановление озонового слоя
• Мониторинг озонового слоя
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Разговор построим по логике от природы к человеку и обратно. Сначала посмотрим, где находится озоносфера и по каким законам она живёт, затем разберём механизм разрушения и его последствия. Завершим международными договорами и текущим состоянием восстановления слоя.

Слайд 3. Введение

• Озоновый слой поглощает до 99 % жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца и именно он сделал возможным выход жизни из океана на сушу.
• В 1985 году британские полярники зафиксировали над Антарктидой сезонное падение содержания озона более чем на треть — так была открыта озоновая дыра.
• Виновниками оказались хлорфторуглероды: вещества, которые полвека считались образцом безопасной и безвредной химии.
• Озоновая проблема стала первым случаем, когда человечество сообща признало глобальную угрозу, договорилось о запретах и добилось измеримого результата.

Доклад: Озоновый слой задерживает почти весь жёсткий ультрафиолет, и именно благодаря ему жизнь смогла выйти из океана на сушу. В 1985 году над Антарктидой обнаружили сезонное падение содержания озона больше чем на треть. Причиной оказались хлорфторуглероды — вещества, которые полвека считали абсолютно безопасными. Эта история стала первым примером успешного глобального экологического соглашения.

Слайд 4. Строение атмосферы Земли

• Атмосферу делят на слои по характеру изменения температуры с высотой.
• Границы слоёв называют паузами: тропопауза, стратопауза, мезопауза.
• В стратосфере температура не падает, а растёт с высотой — именно из-за поглощения ультрафиолета озоном.
• Стратосфера устойчиво стратифицирована и почти не перемешивается по вертикали.
• Поэтому попавшая туда примесь остаётся в слое годами и десятилетиями.
• Термосфера — от 90 до 800 км, крайне разреженный ионизированный газ
• Мезосфера — 50–90 км, самая холодная область атмосферы, до минус 90 °C
• Стратосфера — 11–50 км, здесь сосредоточена озоносфера
• Тропосфера — 0–11 км, погодные процессы и около 80 % массы воздуха

Доклад: Атмосферу делят на слои по тому, как меняется температура с высотой. В тропосфере, где идут все погодные процессы, температура падает, а в стратосфере — наоборот, растёт, и именно из-за поглощения ультрафиолета озоном. Стратосфера почти не перемешивается по вертикали, поэтому любая попавшая туда примесь остаётся на десятилетия.

Слайд 5. Озоносфера: где сосредоточён озон

• Озоносферой называют область стратосферы на высоте 15–35 км, где концентрация трёхатомного кислорода максимальна.
• Пик приходится на 20–25 км и составляет всего около 8 молекул озона на миллион молекул воздуха.
• Если собрать весь атмосферный озон и привести его к нормальному давлению, получится плёнка толщиной примерно 3 мм.
• Общее содержание озона меняется от 230 единиц Добсона у экватора до 400 и более в высоких широтах весной.

Доклад: Озоносферой называют область на высоте от пятнадцати до тридцати пяти километров, где концентрация озона максимальна. Даже там его всего около восьми молекул на миллион молекул воздуха. Если собрать весь атмосферный озон и сжать до нормального давления, получится плёнка толщиной около трёх миллиметров — вот и вся наша защита.

Слайд 6. Единица Добсона

• X (ЕД) = h / 0,01 мм
• X — общее содержание озона в вертикальном столбе атмосферы, единицы Добсона
• h — толщина слоя чистого озона, приведённого к 0 °C и давлению 1013 гПа
• Норма для средних широт — около 300 ЕД, то есть слой всего в 3 мм
• Озоновой дырой считают область, где показатель опускается ниже 220 ЕД

Доклад: Толщину озонового столба измеряют в единицах Добсона. Одна единица соответствует слою чистого озона в сотую долю миллиметра при нормальных условиях. Норма для средних широт — примерно триста единиц, а всё, что ниже двухсот двадцати, уже считается озоновой дырой.

Слайд 7. Цикл Чепмена

• Схему фотохимического равновесия озона предложил английский геофизик Сидней Чепмен в 1930 году.
• Озон непрерывно рождается и разрушается, а его количество задаётся балансом четырёх реакций.
• Именно на стадии фотораспада поглощается основная доля опасного ультрафиолета.
• Фотолиз кислорода — излучение короче 242 нм разбивает молекулу O₂ на два свободных атома
• Синтез озона — атом кислорода соединяется с молекулой O₂ при участии третьей частицы
• Фотораспад озона — излучение 240–310 нм разрушает озон обратно до O₂ и атома кислорода
• Рекомбинация — атом кислорода и молекула озона дают две молекулы O₂, цикл замыкается

Доклад: Естественный круговорот озона описал английский геофизик Сидней Чепмен ещё в 1930 году. Жёсткий ультрафиолет разбивает молекулу кислорода на атомы, атомы присоединяются к другим молекулам и дают озон, затем озон сам распадается под излучением и рекомбинирует обратно. Количество озона в стратосфере — это равновесие между рождением и гибелью, и именно на этих стадиях поглощается опасное излучение.

Слайд 8. Ультрафиолет: диапазоны и защита

• Ультрафиолетовое излучение Солнца делят на три диапазона по длине волны. От того, какая часть спектра доходит до поверхности, напрямую зависит уровень биологического риска.
• доходит почти полностью
• озоном не задерживается
• фотостарение кожи
• загар без ожога
• поглощается озоном на 90 %
• солнечные ожоги
• повреждение ДНК клеток
• главная угроза при убыли озона
• губителен для всего живого
• полностью задерживается
• до поверхности не доходит
• используется для обеззараживания

Доклад: Ультрафиолет неоднороден: диапазон А проходит сквозь атмосферу почти без потерь, диапазон С полностью задерживается и до земли не доходит. Ключевой для нас — средний диапазон В, который озон поглощает примерно на девяносто процентов. Именно он вызывает ожоги и повреждает ДНК клеток, поэтому убыль озона бьёт прежде всего по нему.

Слайд 9. Озоновая дыра над Антарктидой

• Явление обнаружили сотрудники Британской антарктической службы Джозеф Фарман, Брайан Гардинер и Джонатан Шанклин, опубликовав данные станции Халли в мае 1985 года.
• Дыра — это не отверстие, а сезонное падение общего содержания озона ниже порога в 220 единиц Добсона.
• Она открывается в августе — сентябре, достигает максимума в конце сентября и затягивается к декабрю.
• Рекорд площади — 29,9 млн км² в сентябре 2000 года: это больше площади всей Северной Америки.

Доклад: В мае 1985 года британские полярники Фарман, Гардинер и Шанклин опубликовали данные станции Халли: весной содержание озона над Антарктидой падало катастрофически. Важно понимать, что дыра — это не отверстие, а область, где показатель опускается ниже двухсот двадцати единиц Добсона. Рекорд был поставлен в сентябре 2000 года — почти тридцать миллионов квадратных километров.

Слайд 10. Динамика площади озоновой дыры

• Площадь дыры стремительно росла до конца 1990-х годов, а затем вышла на плато.
• Межгодовые колебания зависят от температуры стратосферы и силы полярного вихря.

Доклад: На графике видно, как площадь дыры быстро росла с середины восьмидесятых и достигла пика на рубеже веков. После этого рост прекратился, и последние два десятилетия площадь колеблется около двадцати двух — двадцати пяти миллионов квадратных километров. Год от года разброс объясняется температурой стратосферы и силой полярного вихря.

Слайд 11. Озоноразрушающие вещества

• Потенциал разрушения озона считают относительно фреона-11, принятого за единицу.
• Долгий срок жизни означает, что выброшенные десятилетия назад молекулы работают до сих пор.

Доклад: В таблице собраны главные озоноразрушающие вещества с их сроками жизни и потенциалом разрушения, который отсчитывают от фреона-11. Обратите внимание на галоны из систем пожаротушения: их потенциал в десять раз выше, чем у фреонов. А стодвухлетний срок жизни фреона-12 означает, что выброшенные в семидесятые молекулы работают до сих пор.

Слайд 12. Механизм каталитического разрушения

• Гипотезу о каталитическом разрушении озона хлором выдвинули Марио Молина и Шервуд Роуланд в 1974 году.
• Один атом хлора успевает уничтожить до ста тысяч молекул озона, прежде чем свяжется в устойчивый резервуар.
• Так же, но в 45 раз эффективнее, работает бром, а оксиды азота образуют собственный каталитический цикл.
• Выброс — фреон испаряется и, будучи химически инертным, не разрушается в тропосфере
• Подъём — за 5–10 лет молекула медленно поднимается в стратосферу
• Фотолиз — жёсткий ультрафиолет отрывает от молекулы атом хлора
• Катализ — хлор разрушает озон и вновь освобождается, повторяя цикл заново

Доклад: Механизм разрушения выглядит так. Фреон испаряется и не разлагается в нижней атмосфере именно из-за своей инертности, поэтому за пять — десять лет спокойно поднимается в стратосферу. Там жёсткий ультрафиолет отрывает от него атом хлора, и начинается катализ: хлор разрушает озон и снова освобождается. Один атом успевает уничтожить до ста тысяч молекул озона.

Слайд 13. Полярные стратосферные облака и вихрь

• Антарктической зимой над материком формируется полярный вихрь — кольцо мощных ветров, изолирующее воздух внутри себя.
• Температура в вихре падает ниже минус 78 °C, и в сухой стратосфере возникают перламутровые облака из кристаллов льда и азотной кислоты.
• На поверхности их частиц идут реакции, переводящие хлор из пассивных резервуаров в активные фотолабильные формы.
• С возвращением солнца в августе накопленный хлор вступает в дело мгновенно: за несколько недель теряется до 60 % озона столба.

Доклад: Антарктида пострадала сильнее всех не случайно. Зимой над материком формируется полярный вихрь, который изолирует воздух, температура падает ниже минус семидесяти восьми градусов, и появляются перламутровые стратосферные облака. На поверхности их частиц хлор переходит из пассивных соединений в активную форму, и когда в августе возвращается солнце, за считаные недели теряется до шестидесяти процентов озона.

Слайд 14. Учёные, раскрывшие проблему

• Марио Молина, 1943–2020, Мексиканский химик, доказавший разрушение стратосферного озона фреонами; Нобелевская премия по химии 1995 года
• Шервуд Роуланд, 1927–2012, Американский химик, соавтор хлорной гипотезы 1974 года и инициатор запрета аэрозольных фреонов
• Пауль Крутцен, 1933–2021, Нидерландский химик, описавший роль оксидов азота в балансе стратосферного озона

Доклад: За разгадку озоновой химии Нобелевскую премию 1995 года получили сразу трое учёных. Марио Молина и Шервуд Роуланд в 1974 году показали, что безобидные фреоны разрушают озон, и добились запрета аэрозолей. Пауль Крутцен ещё раньше описал роль оксидов азота в озоновом балансе — без его работ картина была бы неполной.

Слайд 15. Последствия для здоровья человека

• 1 % — Убыль озона — Каждый процент потери даёт около 2 % прироста ультрафиолета у поверхности
• 3–6 % — Рак кожи — На столько растёт заболеваемость немеланомными формами при потере 1 % озона
• 20 млн — Катаракта — Столько случаев помутнения хрусталика в мире связывают с избытком ультрафиолета
• 2 млн — Предотвращено — Столько случаев рака кожи в год предупредит Монреальский протокол к 2030 году

Доклад: Последствия для человека считаются довольно точно: каждый процент потери озона даёт около двух процентов прироста ультрафиолета у поверхности. Это выливается в трёх-шестипроцентный рост немеланомного рака кожи и в миллионы случаев катаракты. По оценкам ООН, выполнение Монреальского протокола предотвратит около двух миллионов случаев рака кожи ежегодно.

Слайд 16. Последствия для биосферы

• Фитопланктон Южного океана теряет 6–12 % продуктивности под усиленным ультрафиолетом, а с него начинается вся морская пищевая цепь.
• У наземных растений повреждается фотосинтетический аппарат: падает урожайность сои, риса и пшеницы, мельчает зерно.
• Икра и мальки рыб, личинки крабов и креветок гибнут в самом верхнем, наиболее облучаемом слое воды.
• Ультрафиолет ускоряет старение полимеров, красок и резины, сокращая срок службы кровель, тросов и оболочек кабелей.

Доклад: Биосфера страдает не меньше. Фитопланктон Южного океана теряет до двенадцати процентов продуктивности, а это основание всей морской пищевой цепи. У наземных культур повреждается фотосинтетический аппарат и падает урожайность, гибнут икра и мальки в верхнем слое воды. Даже техника изнашивается быстрее: полимеры, краски и резина стареют под усиленным ультрафиолетом.

Слайд 17. Хронология международного регулирования

• Путь от научной публикации до обязывающего международного договора занял всего тринадцать лет.
• Монреальский протокол — единственное соглашение ООН, ратифицированное всеми 198 государствами мира.
• 1974 — хлорная гипотеза Молины и Роуланда
• 1985 — открытие озоновой дыры над Антарктидой
• 1985 — Венская конвенция об охране озонового слоя
• 1987 — подписан Монреальский протокол
• 1995 — Нобелевская премия за химию атмосферы
• 2016 — принята Кигалийская поправка

Доклад: Посмотрите на хронологию: от научной гипотезы 1974 года до обязывающего международного договора прошло всего тринадцать лет. Открытие дыры в 1985 году совпало с подписанием Венской конвенции и резко ускорило переговоры. Монреальский протокол остаётся единственным соглашением ООН, которое ратифицировали все сто девяносто восемь государств мира.

Слайд 18. Венская конвенция и Монреальский протокол

• Охрана озонового слоя опирается на два документа: рамочная конвенция задала принципы сотрудничества, а протокол превратил их в конкретные обязательства с датами и цифрами.
• Принята 22 марта 1985 года в Вене
• Рамочный характер: обязательства сформулированы общо
• Закрепила сотрудничество в исследованиях и обмене данными
• Конкретных запретов и сроков не содержит
• Подписан 16 сентября 1987 года, вступил в силу в 1989 году
• Задал жёсткие графики сокращения производства
• Полный отказ от фреонов: 1996 год для развитых стран, 2010 год для развивающихся
• Создан Многосторонний фонд помощи развивающимся странам

Доклад: Два документа делят между собой роли. Венская конвенция 1985 года — рамочная: она закрепила сам принцип совместной охраны озонового слоя и обмена научными данными, но не установила ни одного запрета. Монреальский протокол 1987 года дал конкретику — графики сокращения, даты полного отказа и фонд помощи развивающимся странам.

Слайд 19. Кигалийская поправка и заменители

• Кигалийская поправка принята 15 октября 2016 года и действует с 1 января 2019 года.
• Она обязывает сократить производство гидрофторуглеродов на 80–85 % к концу 2040-х годов.
• Её выполнение предотвратит дополнительное потепление примерно на 0,4 °C к 2100 году.
• Хлорфторуглероды — первое поколение хладагентов, полностью запрещены с 1996 года
• Гидрохлорфторуглероды — переходные вещества, полный отказ намечен на 2030 год
• Гидрофторуглероды — озон не разрушают, но обладают огромным парниковым потенциалом
• Природные хладагенты — аммиак, углекислый газ, изобутан: безопасны по обоим критериям

Доклад: Отказ от фреонов шёл ступенями. Сначала запретили хлорфторуглероды, затем перешли на гидрохлорфторуглероды как временное решение, потом на гидрофторуглероды, которые озон не трогают. Но выяснилось, что они мощнейшие парниковые газы, и Кигалийская поправка 2016 года обязала сокращать и их. Будущее — за природными хладагентами: аммиаком, углекислым газом, изобутаном.

Слайд 20. Восстановление озонового слоя

• Наблюдения подтверждают: содержание хлора и брома в стратосфере снижается с конца 1990-х годов.
• 99 % — озоноразрушающих веществ выведено из оборота
• 2066 — ожидаемый год восстановления над Антарктидой
• 2045 — прогноз восстановления над Арктикой
• 2040 — возврат к уровню 1980 года в средних широтах

Доклад: Результат налицо: девяносто девять процентов озоноразрушающих веществ выведено из оборота, и содержание хлора в стратосфере снижается с конца девяностых. По прогнозам научных докладов ООН, средние широты вернутся к уровню 1980 года около 2040 года, Арктика — к 2045-му, а Антарктида, где ущерб был наибольшим, восстановится примерно к 2066 году.

Слайд 21. Мониторинг озонового слоя

• Наземная сеть из более чем ста спектрофотометров Добсона и Брюера ведёт регулярные измерения с Международного геофизического года 1957 года.
• Озонозонды, поднимаемые метеорологическими шарами, дают вертикальный профиль озона до высоты 30–35 км.
• Спутниковые спектрометры ежедневно строят глобальную карту общего содержания озона по всей планете.
• Каждые четыре года Всемирная метеорологическая организация и Программа ООН по окружающей среде публикуют сводный научный доклад о состоянии слоя.

Доклад: Чтобы отслеживать восстановление, нужна постоянная система наблюдений. Наземные спектрофотометры Добсона и Брюера работают непрерывно с Международного геофизического года, озонозонды на шарах дают вертикальный профиль, а спутники строят ежедневную глобальную карту. Раз в четыре года Всемирная метеорологическая организация и ЮНЕП сводят все данные в общий научный доклад.

Слайд 22. Выводы

• Озоносфера — тонкий, всего в три миллиметра приведённой толщины, но незаменимый фильтр жёсткого ультрафиолета, без которого жизнь на суше невозможна.
• Разрушение слоя вызвано хлорфторуглеродами: инертные внизу, в стратосфере они запускают каталитические циклы, где один атом хлора губит десятки тысяч молекул озона.
• Антарктическая дыра — результат уникального сочетания полярного вихря, стратосферных облаков и возвращения солнечного света весной.
• Венская конвенция и Монреальский протокол доказали, что согласованные международные действия способны обратить глобальную экологическую угрозу вспять.
• Полное восстановление слоя ожидается к середине XXI века — но только при строгом соблюдении принятых обязательств.

Доклад: Подведём итог. Озоновый слой — это всего три миллиметра приведённой толщины, но без него суша была бы стерильна. Разрушают его хлорфторуглероды через каталитические циклы, а антарктическая дыра возникает из-за особых полярных условий. Главный урок в том, что глобальную угрозу удалось развернуть вспять — и восстановление слоя к середине века реально, если обязательства будут соблюдаться.

Слайд 23. Список литературы

• Александров, Э. Л. Озонный щит Земли и его изменения / Э. Л. Александров, Ю. А. Израэль, И. Л. Кароль, А. Х. Хргиан. — Санкт-Петербург : Гидрометеоиздат, 1992. — 288 с.
• Брасье, Г. Аэрономия средней атмосферы / Г. Брасье, С. Соломон. — Ленинград : Гидрометеоиздат, 1987. — 414 с.
• Голубев, Г. Н. Геоэкология : учебник / Г. Н. Голубев. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Аспект Пресс, 2006. — 288 с.
• Кароль, И. Л. Газовые примеси в атмосфере / И. Л. Кароль, В. В. Розанов, Ю. М. Тимофеев. — Ленинград : Гидрометеоиздат, 1983. — 192 с.
• Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой : с поправками / Программа ООН по окружающей среде. — Найроби : ЮНЕП, 2020. — 88 с.
• Хргиан, А. Х. Физика атмосферного озона / А. Х. Хргиан. — Ленинград : Гидрометеоиздат, 1973. — 292 с.

Доклад: Список литературы включает шесть источников, оформленных по действующему стандарту библиографического описания. Основу составляют классические отечественные монографии по физике атмосферного озона — работы Хргиана, Кароля и коллективная книга «Озонный щит Земли и его изменения». Дополняют их учебник по геоэкологии и текст самого Монреальского протокола с поправками.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом наша презентация завершена. Мы прошли путь от строения атмосферы до международных договоров и увидели редкий пример успеха экологической политики. Спасибо за внимание — готов ответить на ваши вопросы.