Озоновый слой и особенности его формирования

Крегель О.Н.

Озоновый слой — часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), в которой под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулярный кислород (О₂) диссоциирует на атомы, которые затем соединяются с другими молекулами О₂, образуя озон (О₃). Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20—25 км, наибольшая часть в общем объёме — на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

История открытия озонового слоя

Открывателями озонового слоя были французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон. В 1912 году им удалось с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы.

Основная экологическая проблема связана с уменьшением количества озона в стратосфере. Озон был открыт в 1840 г. швейцарским химиком С. Шенбайном, который отметил образование газа с острым запахом при электрических разрядах и назвал его озоном. Долгое время считалось, что озон является компонентом воздуха, и только в 1880 г. английский химик В. Хартли предположил, что этот газ присутствует в верхних слоях атмосферы и образуется под действием солнечного ультрафиолета.

В 1920 г. англичанин Г. Добсон доказал существование в стратосфере слоя озона. В нем сосредоточено около 90% всего газа.

Озон - это одна из форм существования кислорода в атмосфере. В приземном слое кислород существует практически только в форме молекул. В очень незначительном количестве идет диссоциация (разрушение) молекул О₂ до атомов, но быстро наступает реакция обратного соединения атомов в молекулу, поэтому концентрация атомов кислорода в тропосфере очень мала.

В 1930 г. английский физик С. Шепман детализировал фотохимическую теорию образования озона. В его формировании ведущая роль принадлежит УФИ.

В стратосфере под действием космического и жесткого УФИ Солнца (в основном УФС) молекулы кислорода (О₂) диссоциируют на 2 атома кислорода:

Атомарный кислород участвует в образовании стратосферного озона (О₃):

С высотой увеличивается мощность УФИ, поэтому растет и количество озона.

Интенсивность солнечного света достаточна для продукции примерно 350000 т озона в день.

На высоте около 40 км имеет место обратный процесс, и под действием солнечного УФИ (особенно УФВ) молекулы озона быстро разрушаются:

Таким образом, в слое атмосферы толщиной 10-40 км устанавливается динамическое равновесие концентрации озона. При этом скорость разрушения озона на 14% превышает скорость его образования. Хотя молекулы озона в виде примеси к воздуху присутствуют на всех высотах от поверхности Земли, вплоть до высоты 100 км, максимальное коли- чество молекул озона приходится на область 15-40 км, которую образно называют озоновым слоем. Следовательно, озоновый слой - это в буквальном смысле не слой, а область, в которой сосредоточено максимальное количество молекул озона.

Поглощение ультрафиолетовой радиации в верхней части стратосферы ведет к повышению температуры в этой области (разность температур составляет около 60 °С).

Максимальная концентрация озона в стратосфере чрезвычайно мала и составляет всего 10 ррт. Если бы удалось собрать все молекулы озона из атмосферного воздуха в один слой, то толщина его составила бы всего 2-5 мм. Несмотря на это, в силу приведенных выше химических реакций слой озона способен ослабить УФИ в 10 раз. Более того, из-за протекания упомянутых реакций УФС и частично УФВ поглощаются озоновым слоем. Начиная с длины волны 280 нм, солнечное излучение, особенно УФА, уже доходит до поверхности Земли.

Озоновый слой - верхняя граница биосферы. Отсюда весьма важным представляется необходимость поддержания концентрации озона на постоянном уровне.

Измерения, проведенные в 60-х гг. прошлого столетия, показали, что концентрация озона с атмосфере значительно ниже, чем следует из теории с. Шепмана. Это указывает на то, что имеют место реакции, которые способны снижать концентрацию озона.

Существуют группы соединений, способных влиять на концентрацию озона в стратосфере. Сюда относятся соединения хлора, фтора и др.

В популярной литературе слой озона очень часто называют волшебным щитом планеты. Это сравнение связано с оптическими свойствами молекулы озона, которые отличаются от свойств как составляющих его атомов (когда они существуют по отдельности), так и двухатомных молекул O₂.

Одной из наиболее важных оптических характеристик, какого–либо вещества является его спектр поглощения – изменение с длинной волны коэффициента поглощения, то есть способности поглощать проходящие через это вещество излучение.

Спектр поглощения озона обладает несколькими важными особенностями, главной из них является способность сильно поглощать излучение в интервале длин волн 200–320нм.

Область солнечного спектра (а когда говорят о щите, то имеют в виду именно защиту от излучения Солнца) от 200 до 400нм называют биологически активным ультрафиолетом БАУ. При этом выделяются интервалы 320–400нм (УФ-А) и 200–320нм (УФ-Б).

Излучение с длиной волны l, меньше 200нм, хорошо поглощается молекулами кислорода, которых в атмосферном газе много. Поэтому такое излучение не доходит даже до нижней части стратосферы, “застревая” (т.е. поглощаясь молекулами O₂) на больших высотах. С увеличением длины волны коэффициент поглощения молекулярным кислородом быстро падает. Молекулы же азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны и в поглощении этого излучения практически участия не принимают.

Вот и получается, что солнечное излучение с длиной волны от 200 – 300нм проникало бы сквозь атмосферу практически до поверхности Земли, если бы не озон. Его коэффициент поглощения k именно в этой области длин волн очень велик и намного превосходит соответствующие значения k для O₂ и N₂. В результате – излучение УФ-Б не проходит сквозь стратосферу, практически полностью поглощаясь молекулами O₃. Не загружая изложение деталями спектральных характеристик озона, приведу лишь один пример. Максимальное значение k для озона приходится на l = 255нм и составляет около 130 см⁻1. Чтобы легче было представить масштаб этой величины, скажу, что, пройдя через слой озона толщиной в 3 мм при нормальном давлении (а это и есть, как я говорила выше, эквивалент “щита”), излучение, с этой длиной волны уменьшится в 10⁻17.

В целом же эффект волшебного щита именно таков – очень тонкий (всего 2-3 мм!) слой молекул O₃ практически полностью поглощает идущее от солнца излучение в области УФ-Б. Начиная примерно с 320 нм солнечное излучение уже доходит до поверхности, хотя точную границу по очевидным причинам назвать невозможно – переход происходит постепенно, а проникновение излучения зависит от многих факторов – таких, как высота Солнца над горизонтом, чистота или запыленность атмосферы, высота места над уровнем моря и т.д.

До самого последнего периода истории Земли живые системы планеты эволюционировали почти в полной гармонии с атмосферой, литосферой и гидросферой, не испытывая влияния человеческой деятельности. Но по мере развития сельского хозяйства и промышленности воздействие человека на среду стало заметнее. Повсеместная индустриализация, особенно развернувшаяся за последние два столетия, привела к потенциально опасным уровням загрязнения среды.

Список литературы:

1. http://allbest.ru/o-2c0b65635a3ad68b4d43b89521216d27.html

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Озоновый_слой

3. http://www.ecololife.ru/study-491-1.html