Воздействие солнечного излучения на атомы и молекулы вещества

Все вещества состоят из атомов и молекул. При воздействии излучения (в том числе и солнечного) на вещество, атомы и молекулы могут менять свое состояние, вплоть до разрушения. Чтобы лучше разобраться в этом, вспомните, что атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро атома состоит из нейтронов и протонов. Если хватило сил изменить состав атомного ядра, то это называется ядерной реакцией – превращением атома одного химического элемента в другой. Атомы могут объединяться в молекулы, образуя химические соединения. При внешнем воздействии молекула может «развалиться» на атомы – такое превращение называется диссоциацией молекулы. Если удалось «оторвать» часть электронов от атома (молекулы), то говорят, что произошла ионизация атома (молекулы) - атом распадается на положительный ион и свободные электроны. Диссоциация молекулы и ионизация атома (молекулы) – это химические реакции, приводящие к новым химическим соединениям. В случае химической реакции атомы химических элементов, участвующие в реакции, не превращаются в другие.

Атмосферные слои

ИОНОСФЕРА –это верхние слои атмосферы, от 50-80 км до примерно 1000 км, характеризующиеся значительным содержанием атмосферных ионов и свободных электронов. Причина существования ионосферы – разложение на ионы и электроны (ионизация) молекул атмосферы газов под действием электромагнитного излучения Солнца (РГ и УФ). Если бы не было ионосферы, РГ и УФ, попадая в наш организм, вызвали бы дополнительную ионизацию нашей биомассы, что привело бы, в частности, к перерождению нормальных клеток в злокачественные образования. В частности, воздействие на щитовидную железу рентгеновскими лучами приводит к увеличению частоты случаев рака щитовидной железы.

СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ - слой в пределах стратосферы на высоте 10-50 км, отличающийся повышенной концентрацией озона. Озон образуется при поглощении кислородом солнечного электромагнитного излучения (УФ). При таком поглощении молекула кислорода распадается на атомы с последующим образованием молекулы озона. Этот слой получил также названия «полезного озона», «хорошего» озона», а также «озонового щита». Не пропуская значительную часть УФ излучения Солнца, слой стратосферного озона защищает нас и растения от УФ ожогов. Также, избыточное УФ облучение живых организмов вызывает в них мутации, что, как и в случае РГ облучения, увеличивает вероятность возникновения онкологических заболеваний.

Более подробное описание процессов, происходящих в стратосферном озоновом слое приведено ниже (образовательный сайт students.russianplanet.ru).

«ХОРОШИЙ ОЗОН» В СТРАТОСФЕРЕ

 

Рис.2

   Изменение с высотой содержания озона в воздухе особенно интересно. У земной поверхности озон содержится в ничтожных количествах. С высотой содержание его возрастает, причем не только в процентном отношении, но и по абсолютным значениям. Максимальное содержание озона наблюдается на высотах 25-30 км; выше оно убывает и на высотах около 60 км сходит на нет. Процесс образования озона из кислорода происходит в слоях от 60 до 15 км при поглощении кислородом ультрафиолетовой солнечной радиации. Часть двухатомных молекул кислорода разлагается на атомы, а атомы присоединяются к сохранившимся молекулам, образуя трехатомные молекулы озона. Одновременно происходит обратный процесс превращения озона в кислород. В слои ниже 15 км озон заносится из вышележащих слоев при перемешивании воздуха. Возрастание содержания озона с высотой практически не сказывается на доле азота и кислорода, так как в сравнении с ними озона и в верхних слоях очень мало. Если бы можно было сосредоточить весь атмосферный озон под нормальным давлением, он образовал бы слой только около 3 мм толщиной (приведенная толщина слоя озона). Но и в таком ничтожном количестве озон важен потому, что, сильно поглощая солнечную радиацию, он повышает температуру тех слоев атмосферы, в которых он находится. Ультрафиолетовую радиацию Солнца с длинами волн от 0,15 до 0,29 мк (один микрон - тысячная доля миллиметра) он поглощает целиком. Эта радиация производит физиологически вредное действие, и озон, поглощая ее, предохраняет от нее живые организмы на земной поверхности.

Озон образуется и разлагается под действием ультрафиолетовых лучей. Молекула озона поглощает ультрафиолетовый свет и рассеивает его энергию в виде тепла. Поверхности Земли достигают только те ультрафиолетовые лучи, которые не опасны для живых организмов.

Стратосфера – это безоблачная, сухая, холодная область нашей атмосферы приблизительно между 10 и 50 км над уровнем моря. Воздух очень медленно перемешивается в ней по вертикали, но зато довольно интенсивно – по горизонтали. Поэтому промышленные загрязнения, попав в стратосферу, могут оставаться в ней многие годы и легко распространяться вокруг Земли. Озоновый слой, разрушение которого так легко катализируется, очень мал по объему. Если сконцентрировать весь стратосферный озон в окружающую земной шар тонкую оболочку, то ее толщина составит всего около 3 мм. Тем не менее, этого незначительного (в масштабах планеты) количества озона хватает для того, чтобы не пропускать к поверхности Земли наиболее вредные для живых организмов "жесткие" ультрафиолетовые лучи. Когда мы загораем на солнце, на нашу кожу падают "мягкие" ультрафиолетовые лучи, не способные принести вреда здоровью (если загорать в меру). Таким образом, проблема промышленных выбросов в атмосферу – это не только проблема загрязнения поверхности Земли вредными веществами, но еще и проблема "загрязнения" солнечного спектра жестким, вредным для человека ультрафиолетовым излучением. Но не стоит и преувеличивать опасность: полное исчезновение озона не грозит атмосфере до тех пор, пока в ней есть кислород и пока светит Солнце.

«ПЛОХОЙ ОЗОН» В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ (ТРОПОСФЕРЕ) - слой вблизи поверхности Земли, отличающийся повышенной концентрацией озона. Основной причиной образования «плохого озона» является распад на атомы молекул газов, образующихся при сгорании топлива с последующим образованием озона. Распад происходит при воздействии солнечного света (RGB). Термин «плохой озон» связан с тем, что озон в больших количествах вреден для дыхания.

Озон в приземном слое образуется также при разряде молний.

Опишите, какие реакции происходят:

• в ионосфере;

• в озоновых слоях.

При этом не забудьте указать, какие части солнечного излучения принимают участие в этих реакциях.

Возникает ощущение, что каждый из атмосферных слоев (ионосфера и озоновые слои) «выбирает» себе для существования определенные части солнечного излучения. Откуда такая избирательность? Чтобы разобраться в этом, добавим немного дополнительных сведений о солнечном излучении и веществах, составляющих атмосферу.

Части солнечного излучения – РГ, УФ и RGB отличаются друг от друга энергиями фотонов (вспомните, что такое фотоны). При воздействии солнечного электромагнитного излучения на атмосферу энергия фотонов передается атомам и молекулам атмосферных газов. Результат воздействия зависит от того, насколько велика энергия фотона по сравнению с энергией, необходимой для вышеназванных реакций (см. предыдущую страницу с вашими эскизами реакций). Чтобы сравнивать энергии, необходимо знать величины энергий (похоже на ситуацию, когда стоимость товара мы сравниваем с нашими денежными запасами), - т.е. оперировать с единицами измерения. В мире малых частиц – фотонов, атомов и молекул удобной единицей измерения энергии является электрон –вольт (ЭВ). Чтобы иметь представление, о том, что это такое приведем такие примеры:

• для того, чтобы атом кислорода «разбить» на электрон и положительный ион нужна энергия не менее 14 ЭВ;

• для того, чтобы молекулу кислорода O₂ «разбить» на атомы нужна энергия не менее 5 ЭВ;

• для того, чтобы молекулу NO₂ (входит в состав «выхлопа» автомобилей) «разбить» на атомы нужна энергия не менее 2 ЭВ;

• для того, чтобы превратить атом азота –14 (обозначается ¹⁴N), в атом углерода –14 (обозначается ¹⁴С), потребуется энергия не менее 10⁶ ЭВ.

Сказанное выше можно изобразить в виде числовой оси:

Рис. 3

Ниже приведены энергии фотонов солнечного излучения (РГ, УФ и RGB) а также энергии частиц, приходящих на Землю со всех сторон – космических лучей (у нас еще будет повод познакомиться с ними подробнее). Вертикальными пунктирными линиями указаны границы интервалов энергий для каждого из этих излучений. В частности, границы для RGB – от 1,8 ЭВ до 3 ЭВ.

Рис. 4

Рис. 4

Используя полученную информацию, заполните, пожалуйста, таблицу:

Таблица воздействий излучений на вещество

Виды воздействий		Схема воздействия Эскиз, текст)	Энергия частицы излучения ЭВ	Названия излучений
Ядерные реакции
Хим ре ак-ции	Иони-зация
	Дис- соци- ация

Рис. 5

Ответьте на вопросы, указанные на рисунке «Атмосферные слои»

• Почему разные типы излучений проникают в атмосферу Земли на разную глубину?

• От каких излучений защищает нас ионосфера?

• В чем защитные свойства озонового слоя?

Озон образуется во время грозы. Он создает типичный запах после грозы. Грозовой озон – он хороший или плохой? (Дать ответ с пояснениями).

• Укажите правильные ответы.

1.Плохой озон всегда образуется при плохой погоде.

2. Плохой озон образуется в тропосфере.

3. Хороший озон образуется в стратосфере.

4. Хороший озон хорошо пахнет.

Почему в результате человеческой деятельности стратосферный озоновый слой может разрушаться, а тропосферного озона становится больше?

Максимальное загрязнение воздуха выхлопными газами наблюдается в утренние часы. Наибольшее содержание «вредного озона» приходится на послеполуденное время. Объясните, пожалуйста, эту разницу во времени.

Летом высота озонного слоя больше, чем зимой (на широте г. Москвы). В одно и то же время года высота озонного слоя возрастает при движении к экватору. Как вы это объясните?