Усі уроки до курсу «Екологія». 11 клас

УРОК 6. ПРОБЛЕМА ЗБЕРЕЖЕННЯ ОЗОНОВОГО ШАРУ ЗЕМЛІ

Цілі уроку: проаналізувати проблему збереження озонового шару Землі; розвивати логічне мислення; виховувати розуміння відповідальності за наслідки своєї діяльності.

Обладнання й матеріали: таблиці або слайди презентації, які ілюструють динаміку змін озонового шару Землі та викидів фреонів.

ХІД УРОКУ

I. Організаційний етап

II. Актуалізація опорних знань і мотивація навчальної діяльності учнів

1. Чи залишається клімат Землі завжди незмінним?
2. До яких проблем може призвести зміна клімату в масштабах планети?
3. Чи вплине зміна клімату на життя в Україні?
4. Які наслідки для людства матиме глобальне потепління?

III. Вивчення нового матеріалу

1985 р. фахівці з Британської Антарктичної Служби дослідження атмосфери повідомили про абсолютно несподіваний факт: весняний уміст озону в атмосфері над станцією Халлі-Бей в Антарктиді зменшився за період з 1977 по 1984 р. на 40 %. Незабаром це підтвердили інші дослідники, які показали, що область зниженого вмісту озону йде за межі Антарктиди й за висотою охоплює шар від 12 до 24 км, тобто значну частину нижньої стратосфери. Найбільш докладним дослідженням озонового шару над Антарктидою був міжнародний Літаковий Антарктичний Озоновий Експеримент. Протягом експерименту вчені з чотирьох країн декілька разів піднімалися в зону зниженого вмісту озону й збирали детальні дані про її розміри й хімічні процеси, які там вібуваються. Фактично це означало, що в полярній атмосфері є озонова «дірка». На початку 1980-х, за вимірюваннями із супутника «Німбус-7», аналогічна дірка була виявлена й у Арктиці, правда, вона охоплювала значно меншу площу і зниження рівня озону в ній було не таке суттєве — близько 9 %. У середньому на Землі з 1979 по 1990 р. вміст озону знизився на 5 %.

Зменшення концентрації озону на 1 % приводить у середньому до збільшення інтенсивності жорсткого ультрафіолету біля поверхні Землі на 2 % . Ця оцінка підтверджується вимірюваннями, проведеними в Антарктиді (правда, через низьке положення Сонця інтенсивність ультрафіолету в Антарктиді все ще нижче, ніж у середніх широтах). За своїм впливом на живі організми жорсткий ультрафіолет подібний до йонізуючих випромінювань, однак, через більшу, ніж у []-випромінювання, довжину хвилі він не здатний проникати глибоко в тканини, і тому уражає тільки поверхневі органи. Жорсткий ультрафіолет володіє достатньою енергією для руйнування ДНК та інших органічних молекул, що викликає рак шкіри, особливо швидкоплинну злоякісну меланому, катаракту й імунну недостатність. Природно, жорсткий ультрафіолет здатний викликати і звичайні опіки шкіри й рогівки. Вже зараз у всьому світі помітне збільшення захворювання на рак шкіри, однак значна кількість інших чинників (наприклад, популярність засмаги зросла, і це призвело до того, що люди більше часу проводять на сонці, таким чином отримуючи велику дозу УФ-опромінення) не дозволяє однозначно стверджувати, що це спричинило зменшення вмісту озону. Жорсткий ультрафіолет погано поглинається водою й тому становить велику небезпеку для морських екосистем. Експерименти показали, що планктон, який мешкає в приповерхневому шарі, у разі збільшення інтенсивності жорсткого УФ може серйозно постраждати й навіть загинути повністю. Планктон є основою харчових ланцюжків практично всіх морських екосистем, тому без прикрас можна сказати, що практично все життя приповерхневих шарів морів і океанів може зникнути. Рослини менш чутливі до жорсткого УФ, але в разі збільшення дози можуть постраждати й вони. Якщо вміст озону в атмосфері значно зменшиться, людство легко знайде засіб захисту від жорсткого УФ-випромінювання, але при цьому ризикує померти від голоду.

Вперше думка про небезпеку руйнування озонового шару була висловлена ще в кінці 1960-х років. Тоді вважалося, що основну небезпеку для атмосферного озону становлять викиди водяної пари й оксидів Нітрогену (NOX) 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 на тиждень між Америкою й Європою, з військових літаків у стратосфері літають практично тільки надзвукові стратегічні бомбардувальники, такі як В1-В або Ту-160, і розвідувальні літаки типу SR-71. Таке навантаження навряд чи становить серйозну загрозу для озонового шару. Викиди оксидів Нітрогену з поверхні Землі внаслідок спалення викопного палива, масового виробництва й застосування азотних добрив також становить певну небезпеку для озонового шару, але оксиди Нітрогену нестійкі й легко руйнуються в нижніх шарах атмосфери. Запуски ракет також відбуваються не дуже часто, проте хлоратні тверді палива, що використовуються в сучасних космічних системах, наприклад у твердопаливних прискорювачах «Спейс-Шаттл» або «Аріан», можуть завдавати серйозної локальної шкоди озоновому шару в районі запуску.

1974 р. М. Моліна і Ф. Роуленд з Каліфорнійського університету в Ірвіні довели, що хлорфлуорвуглеці (ХФВ) можуть руйнувати озон. З того часу так звана хлорфлуорвуглецева проблема стала однією з основних у дослідженнях на забруднення атмосфери. Хлорфлуорвуглеці вже понад 60 років використовуються як «холодагенти» в холодильниках і кондиціонерах, пропеленти для аерозольних сумішей, піноутворюючі агенти у вогнегасниках, очищувачі для електронних приладів, у хімічному чищенні одягу, виробництві пінопластиків. Колись вони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки є дуже стабільними й неактивними, а отже, нетоксичними. Як це не пародоксально, але саме інертність цих сполук робить їх небезпечними для атмосферного озону. ХФВ не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, який має межі від поверхні Землі до висоти 10 км), як це відбувається з більшістю оксидів Нітрогену, і зрештою проникають у стратосферу, верхня межа якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули ХФВ підіймаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони зазнають інтенсивного впливу ультрафіолетового випромінювання, яке не проникає на менші висоти через екрануючу дію озону. Ультрафіолет руйнує стійкі у звичайних умовах молекули ХФВ, які розпадаються на компоненти, що володіють високою реакційною здатністю, зокрема атомний хлор. Таким чином, ХФВ переносить хлор з поверхні Землі через тропосферу й нижні шари атмосфери, де менш інертні сполуки Хлору руйнуються, у стратосферу, до шару з найбільшою концентрацією озону. Дуже важливо, що хлор під час руйнування озону діє подібно до каталізатора: у ході хімічного процесу його кількість не зменшується.

Внаслідок цього один атом Хлору може зруйнувати до 100 000 молекул озону, перш ніж буде дезактивований або повернеться в тропосферу. Зараз викид ХФВ в атмосферу оцінюється мільйонами тонн, але потрібно зазначити, що навіть у гіпотетичному випадку повного припинення виробництва й використання ХФВ негайного результату досягнути не вдасться: дія ХФВ, що вже потрапили в атмосферу, триватиме декілька десятиріч. Вважається, що час життя в атмосфері для двох ХФВ — фреону-11 (CFCl₃) і фреону-12 (CF₂CL₂) — становить 75 і 100 років відповідно.

Беручи до уваги ці аргументи, багато країн почали вживати заходів, спрямованих на скорочення виробництва й використання ХФВ. З 1978 р. в США було заборонене використання ХФВ в аерозолях. На жаль, використання ХФВ в 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 ХФВ до половини рівня 1986 р. Для використання як пропелента в аерозолях вже знайдений непоганий замінник ХФВ — пропан-бутанова суміш. За фізичними параметрами вона практично не поступається фреонам, але, на відміну від них, вогненебезпечна. Проте такі аерозолі вже використовують у багатьох країнах світу. Складніше з холодильними установками — другим споживачем фреонов. Справа в тому, що через полярність молекули ХФВ мають високу теплоту випаровування, а це дуже важливо для робочого тіла в холодильниках і кондиціонерах. Кращим відомим на сьогодні замінником фреонов є амоніак, але він токсичний і все ж поступається ХФВ за фізичними параметрами. Непогані результати отримані для повністю флуорованих вуглеводнів. У багатьох країнах ведуться розробки нових замінників, і вже досягнуті непогані практичні результати, але повністю ця проблема ще не розв’язана.

До особливо небезпечних ворогів атмосфери, крім хладонів, належить також метилбромід. Цей газ використовують у сільському господарстві як засіб для захисту рослин. Але метилбромід добре знищує не лише шкідників у грунті, а й озон у повітрі. Причому навіть у вищих шарах атмосфери.

IV. Практична робота

Тема роботи. Причини й наслідки руйнування озонового шару

Мета роботи: проаналізувати причини й наслідки руйнування озонового шару атмосфери.

Обладнання й матеріали: картка для практичної роботи; таблиці або слайди презентації, які ілюструють динаміку змін озонового шару Землі й викидів фреонів, робочий зошит.

Хід роботи

1. Використовуючи картку для практичної роботи з теоретичними відомостями, ознайомитися з наслідками і причинами руйнування озонового шару.
2. Визначити фактори, які найбільше впливають на стан озонового шару.
3. Запропонувати власний прогноз: які наслідки руйнування озонового шару становитимуть найбільшу загрозу для вашого регіону?

Теоретичні відомості для виконання роботи

Руйнування озонового шару відбувається так:

1) активне функціонування хімічної промисловості, яка випускає речовини, що містять хлор і бром, спричинює накопичення в атмосфері озоноруйнівних газів (ОРГ);
2) ОРГ піднімаються на висоту 20-50 км над поверхнею Землі, де розташований озоновий шар (особливо сприятливі умови для цього в приполярних районах);
3) сонячні промені діють на техногенні гази, з яких виділяється хлор;
4) хлор руйнує озон, відбираючи один із трьох атомів Окисгену й перетворюючи його на О₂; при цьому кожний атом Хлору здатен відокремити атом Оксигену майже 100 тис. разів.

За останні 15 років спостерігається руйнування озонового шару над континентальною Європою. За прогнозами, у першій чверті XXI ст. озоновий шар може стати тоншим на 30 %. За даними екологічного відділу ООН і Всесвітньої метеорологічної ради, відбувається руйнування озонового шару над усією Північною Америкою, Європою, територією колишнього СРСР, Австралією, Новою Зеландією та частиною Південної Америки.

Якщо озоновий шар зменшиться на 10 %, це спричинить розвиток раку шкіри ще в 300 тис. осіб, катаракти — в 1 млн 750 тис. осіб. Постане серйозна загроза здоров’ю всього населення Землі, оскільки знизиться опірність людського організму.

Після 1991 р. в Чилі неодноразово реєструвалися випадки сліпоти лососевих риб, диких кроликів, овець, пов’язані з істотним зростанням інтенсивності ультрафіолетового випромінювання. Водночас із тієї самої причини зменшилася кількість планктону в районі Антарктиди. У районах підвищеного ультрафіолетового опромінення пригнічується ріст рослин, знижується врожайність багатьох культур.

V. Домашнє завдання

Опрацювати теоретичний матеріал за відповідною темою.