Свойства озона. Распределение в атмосфере. Источники и стоки.

В 1785 г. голландский врач, естествоиспытатель Ван Марум сообщил о возникновении неизвестного газа с резким запахом около электрической машины.

Озон был открыт К.Ф. Шонбейном в 1839 г. при наблюдениях за электрическими разрядами, однако лишь в 1850 г. было определено, что озон является одной из естественных составляющих атмосферы. В 1865г. француз Соре доказал, что озон- трёхатомный газ.

Озон представляет собой едкий, слегка голубоватый газ. Его молекула состоит из трех атомов кислорода (O3), так что озон является «химическим родственником» более стабильного и изобилующего в атмосфере вещества, необходимого для дыхания человека, состоящего из двух атомов кислорода (О2). Озон образуется, когда молекула кислорода распадается на атомы под воздействием солнечного ультрафиолетового излучения. Атомы кислорода вступают в связь с молекулами кислорода, при этом образуется озон (О+ О2—>O3).

Свойства озона:

-способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца;

-озон - сильнейший окислитель (попросту яд), поэтому приземный озон опасен; 

-способность поглощать инфракрасное излучение земной поверхности;

-способность прямым и косвенным образом влиять на химический состав атмосферы.

В отличие от других атмосферных составляющих озон появился в атмосфере исключительно химическим путём и является наиболее молодой атмосферной компонентой. Наиболее ценным с экологической точки зрения свойством озона является его способность поглощать биологически опасное ультрафиолетовое излучение Солнца; в то же время как химическое соединение озон является сильнейшим окислителем (попросту ядом), способным при непосредственном контакте отравить ту самую флору и фауну, которую он защищает в качестве стратосферного озонового слоя. Помимо этого озон является эффективным парниковым газом. И, наконец, озон оказывает заметное влияние на малые активные составляющие атмосферы (такие, например, как гидроксильный радикал), а через них - и на стабильные компоненты, которые как и сам озон поглощают и ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Тем самым озон оказывает не только прямое, но и косвенное влияние на парниковый эффект и уровень поверхностного УФ излучения. 

Растительность на суше появилась лишь чуть более 400 миллионов лет тому назад, когда содержание кислорода составило примерно 0,5, а озона - 0,7 современного уровня, что оказалось достаточным, чтобы защитить живые клетки от коротковолнового солнечного излучения. До этого момента жизнь развивалась исключительно в водной среде, которая и обеспечивала соответствующую защиту вместо озонового слоя. Накопление кислорода в атмосфере до появления растений на суше происходило за счёт процессов фотосинтеза в океане, а также за счёт дегазации базальтовой магмы. Оба этих источника атмосферного кислорода продолжают действовать и сейчас, причём доля океана в фотосинтезе кислорода составляет 80%.

Концентрация молекул озона в атмосфере ниже, чем одна молекула O3 на каждый миллион молекул воздуха. Такое соотношение одновременно как подчеркивает, так и дает неверное представление о том, какую критическую роль играет озон в глобальной экологической системе. Ключевой момент заключается в том, что озон поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение (УФ излучение с длиной волны в диапазоне между 280 и 320 нанометров, способное повредить ДНК живых организмов). Это свойство делает озон незаменимым элементом защиты человека от УФ излучения, способного нанести огромный биологический вред.

Общее количество озона в атмосфере, если его сжать до плотности воздуха у поверхности Земли, составит слой толщиной приблизительно в 3,5 миллиметра. И эта тонкая пленка является одним из ключевых факторов, делающих окружающую среду планеты пригодной для жизни человека.

Количество озона в стратосфере сильно различается в зависимости от географической широты, от высоты расположения в слоях атмосферы и от времени года. Показатели концентраций O3 могут также меняться год от года. Например, общее количество озона в северных умеренных широтах показывает сильную корреляцию с сезонными циклами. Согласно данным Шервуда Роуленда, опубликованным в 1990 году в издании «Амбио», наиболее высокие концентрации озона в этих широтах отмечены в марте-апреле и наименьшие в октябре-ноябре. По мнению ученого Памеллы Зурер, естественные колебания озона могут достигать 25 процентов в высоких широтах. Эту информацию она опубликовала в 1993 году в журнале «Новости химии и инженерии».

Молекулы озона постоянно образуются и разрушаются в стратосфере. Новые молекулы озона непрерывно возникают в процессе химических реакций, происходящих на солнечном свету. Когда молекулы озона подвергаются воздействию солнечных лучей, они распадаются на очень активный элемент - атомарный кислород (О). Атомарный кислород вступает в реакцию с молекулами кислорода с образованием озона.

Механизм образования, а также расходования озона был предложен Сидни Чепменом в 1930 году и носит его имя.

Реакции образования озона :

О₂ + hν → 2О.

О₂ + O → О₃.

Фотолиз молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны 175—200 нм и до 242 нм. Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом:

О₃ + hν → О₂ + О.

О₃ + O → 2О₂.

Энергия Солнца, высвобождающаяся в УФ-части спектра, неодинакова особенно это заметно в течение хорошо известного цикла солнечных пятен, составляющего 11 лет. Проводившиеся начиная с 1950-х гг. наблюдения за несколькими солнечными циклами, показали, что общее глобальное количество озона уменьшается на 1-2% от максимума к минимуму типичного солнечного цикла.

Рис.1. Распределение озона в атмосфере.