2.3. Теоретические предпосылки, позволяющие понять, чем важен озон для жизни на земле

Когда имеет место процесс перехода электрона в состояние, характеризуемое главным квантовым числом с большим номером, то такой переход электрона с орбитали на орбиталь сопровождается поглощением порции энергии (кванта) .

При соединении атомов в молекулы имеет место сложная конфигурация орбиталей, поэтому молекулы могут поглощать одновременно кванты, которые характеризуются различным набором частот (длин волн . В частности, очень сильно зависят частоты (а равным образом от длины волны и энергии их квантов) при взаимодействии излучения с газом.

При воздействии оптического излучения, содержащего волны различной длины, на газ, поглощаются кванты, характеризуемые различными наборами порций энергии . Часто говорят, что поглощаются кванты целых диапазонов энергий. Из-за этого поглощения излучение не может проходить далее через газ.

Вспомните теперь, что Солнце излучает в направлении Земли излучение в виде целого потока оптических квантов различной частоты . Вместе частоты образуют электромагнитный спектр. При этом, чем больше длина волны , тем меньшую энергию она несет . По характеру взаимодействия с газом (веществом) излучение Солнца делят на диапазоны: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны..

Вам известно, что из всего спектра излучения Солнца человеческий глаз способен улавливать излучение только в очень узком диапазоне видимого света. Не секрет, что на протяжении многих тысяч лет большую часть информации об окружающем мире люди черпали из диапазона видимого излучения, границы которого определяются свойствами светочувствительных клеток человеческой сетчатки. Разные длины волн видимого света воспринимаются человеком как разные цвета — от красного до фиолетового. Существует традиционное деление видимого диапазона спектра на семь цветов радуги, которое является культурной условностью. За восприятие всего разнообразия цветов и оттенков видимого света отвечают всего три различных типа рецепторов, которые чувствительны к красному, зеленому и синему цвету. Это позволяет воспроизводить практически любой цвет, смешивая на экране эти три основных цвета.

С коротковолновой стороны от видимого света располагается ультрафиолетовый диапазон. Ультрафиолетовое излучение (УФ) охватывает область длин волн от 380 нм (граница видимого фиолетового) до 10 нм (граница рентгеновского излучения). УФ- излучение делится на ближнее, или флуоресцентное, от 380 до 200 нм, и дальнее, или вакуумное, от 200 до 10 нм.

Органами чувств человек его не воспринимает, но на коже ближний ультрафиолет вызывает появление загара. Это защитная реакция кожи на определенные химические нарушения под действием ультрафиолета. Чем короче длина волны , тем большие нарушения может вызывать ультрафиолетовое излучение в биологических молекулах.

В отличие от видимого диапазона оптического излучения УФ-излучение невидимо для глаза. Более того, действуя на наружную оболочку глазного яблока, оно вызывает ее болезненное воспаление (конъюнктивит). Поэтому, если имеют дело с источниками УФ-излучения, например, в солярии), необходимо защищать глаза специальными очками.

УФ-излучение оказывает сильное биологическое воздействие на живые организмы, которое может быть полезным или вредным. Поэтому оно имеет большое значение для жизни растений, животных и людей. В ткани организма УФ- излучение проникает очень неглубоко – на 0,1- 1 мм, но при этом вызывает очень сложную биологическую реакцию, которая проявляется на месте действия излучения эритемой. Эритемой называется интенсивное покраснение кожи, которое проявляется через 6-12 часов после действия излучения, удерживается в течение нескольких дней и оставляет на длительное время светло коричневую пигментацию кожи, называемую загаром.

Когда энергия Солнца, в виде потока оптических квантов (фотонов) достигает газовой оболочки, которая окружает Землю, то при столкновении фотонов оптического излучения с атомами или молекулами, содержащимися в атмосфере, энергия квантов передается встречаемым частицам газа. Эта энергия идет на увеличение внутренней энергии атомов или молекул газа и, соответственно, поглощение фотона вызывает квантовый переход атома или молекулы газа из основного электронного состояния в одно из возбужденных состояний (часто говорят, что энергия идет на фотоионизацию). Поглощение энергии кванта веществом можно представить, как переход такой сложной системы, как атом (или молекула) из начального состояния с энергией в конечное состояние с более высокой энергией . Согласно закону сохранения энергии, «скачок» в энергии атома приводит к убыванию на ту же величину энергии оптического излучения. От величины энергии кванта зависит то, какой частоты излучение поглощается. Поскольку атомы и молекулы газа атмосферы имеют свои собственные дискретные наборы (уровни) энергии (в действительности, основной и возбужденный энергетический уровень еще распадается на множество подуровней), то поглощаются только те кванты, энергия (а, соответственно, и частота оптического излучения) которых соответствует разнице между двумя дискретными уровнями. Поглощаемые дискретные значения энергии являются внутренним свойством вещества или газа, поэтому квантовые свойства входящих в его состав атомов определяют тот набор частот (тот спектр электромагнитных волн оптического излучения), которое э это вещество будет поглощать.

Через атмосферу ближний ультрафиолет, как и видимый свет, проходит. Выше некоторой частоты (вакуумный УФ) атмосфера перестает пропускать ультрафиолетовое излучение, поскольку энергии его квантов становится достаточно для разрушения (диссоциации) молекул воздуха.

Вместе атмосферные газы предохраняют поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое называют вакуумным, поскольку оно может распространяться только в пустоте (вакууме). Верхний предел вакуумного ультрафиолета — 200 нм. С этой длины волны молекулярный кислород (O₂) начинает поглощать ультрафиолет. Таким образом, одним из первых ультрафиолетовый удар принимает на себя кислород.

К малым газовым компонентам атмосферы относится озон . Он содержится в атмосфере в ничтожных количествах и в среднем на один миллион молекул воздуха, содержащего около 80 % азота и 20 % молекул кислорода, приходится одна молекула озона. Приведенная к нормальным условиям толщина слоя озона составляет в среднем 3 мм.

Несмотря на ничтожные количества озон существенно уменьшает поток квантов, попадающий на земную поверхность. Структура орбиталей и собственных дискретных наборов (уровней) энергии озона такова, что стратосферный озон поглощает кванты, которые составляют часть оптического излучения Солнца с длинами волн менее 285 нм, и, кроме того, значительно ослабляет поток излучения в диапазоне 285 – 315 нм. Тем самым озоновая оболочка предохраняет поверхность Земли от так называемого жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое разлагает хроматин клеточного ядра, прекращает деление и размножение клеток, оказывает бактерицидное (то есть убивающее бактерии) действие. У людей такое ультрафиолетовое излучение повреждает ДНК, нарушает генетический код и может привести к трагическим последствиям. Эффект поражения наиболее силен при действии оптического излучения с длинами волн 255-265 нм и существенно убывает после 290 нм. Иначе говоря, озон, пропуская оптическое излучение с длинами волн больше 290 нм, «задерживает» опасное оптическое излучение.

Ученые, которые наблюдают за формированием озоновой оболочки, предохраняющей поверхность Земли от так называемого жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, отмечают озоновую «дыру» в районе Южного полюса. Заметим, что Европейские экологи пообещали озоновому слою в Арктике весной 2011 года рекордное утончение, сообщает ScienceNews.

Формирование озоновой дыры обусловлено ежегодными изменениями в движении воздушных масс. Ветра приносят хлорфторуглероды (CFC), использовавшиеся в промышленности в 80-х годах прошлого века. Сами исследователи отмечают, что, начиная с 2001 года, количество опасных для озона веществ уменьшилось на 4 процента. При этом, однако, позитивные изменения в озоновом слое проявятся не раньше 2020 года.

Эти соединения отличаются долгим сроком жизни, поэтому несмотря на прекращение их использования, они продолжают разрушать озон.

Рис. 11а. Озоновая дыра на Южным полюсом. Иллюстрация NASA

Совсем недавно ученые установили, что в настоящее время главным истребителем озонового слоя является веселящий газ N₂O. Рост концентрации этого газа составляет примерно 0,25 процента в год. Губительности веселящему газу добавляет тот факт, что он разлагается в атмосфере примерно за 100 лет.

По данным исследователей, достаточно крупный регион (15 миллионов квадратных километров) в окрестности Северного полюса потерял почти половину озона. Так, в настоящее время количество озона там составляет 306 единиц Добсона (единицы измерения состояния озонового слоя) при нормальном значении в 430-380 единиц.

Рис. 11б. Озоновая дыра на Северным полюсом.

По словам ученых, столь низкая концентрация озона обусловлена низкой температурой стратосферы. В качестве одной из причин этого называется большое количество парниковых газов, которые задерживают испускаемое землей тепло, обычно нагревающее верхние слои атмосферы.

Исследователи отмечают, что озоновая дыра - регион резкого утончения озонового слоя - образование не постоянное, способное к перемещению. В частности, арктическая дыра вполне может на несколько дней сместиться южнее, дойдя до широт Италии и Греции.

Таким образом, уменьшение или исчезновение озона в стратосфере создает серьезную угрозу для регулирования потока ультрафиолетовых квантов, задерживая наиболее опасные из них. Проблема эта настолько серьезная, что для ее решения потребовалось принятие на международном уровне политических соглашений, непосредственно затрагивающих экономические и жизненные интересы многих миллионов людей.

Эксперимент 4. Изучение основных понятий, связанных с современными представлениями о квантовомеханической модели атома