Содержание озона в атмосфере его распределение , колебания.

Общая масса озона в атмосфере Земли 4´10^-6 т, т.е. всего 0,64´10⁹ от массы атмосферы. Это значит, что если собрать весь озон и осадить его на горизонтальную площадку поверхности Земли, то он покроет ее слоем равным в среднем для всей земной атмосферы 2,9 мм (толщина этого слоя в одну тысячную долю сантиметра соответствует одной единице Добсона (канадский ученый). Сравним: озона почти 3 мм, а столб атмосферы 8 км. Вес озона на каждый кв.метр не превышает 5-6 грамм.

Озон имеется в тропосфере, стратосфере и мезосфере. В термо-ионосфере его содержание принебрежительного мало. Механизм образования: в приземном воздухе азот и кислород существует практически в форме молекул N₂ и О₂. Под действием солнечной радиации идут процессы диссоциации (т.е. разрушения молекул), приводящие к появлению атомов N и О, т.е. количество атомарного кислорода (хотя и очень малое) с увеличением высоты растет. Этим и объясняется рост с высотой количества молекул О₃. Но с некоторого уровня, расположенного в нижней стратосфере, разрушение молекул О₃ солнечным излучением растет с высотой быстрее, чем образование озона из атомов О, поэтому, начиная с этого уровня (т.н. максимума слоя озона), концентрация озона с высотой начинает уменьшаться. Такова упрощенная схема вертикального распределения озона с максимумом на высоте 15-25 км в нижней стратосфере. Понятно, что никакого "слоя" озона, конечно нет. Озон существует в виде малой примеси "микрогаза" к атмосферному воздуху на всех высотах от поверхности Земли до мезопаузы. Иногда атмосферу ниже мезопаузы называют ОЗОНОСФЕРОЙ.

Общее количество озона колеблется от 120 до 760 еД при среднем значении 290 еД. Это количество колеблется от сезона к сезону, от широты, от солнечной активности. Колебания с периодом в 26 месяцев зафиксированы, т.е. реально существуют. Они трудно увязываются с периодами на Земле и Солнце. Ближе всего это увязывается с квазидвухлетним (квази-"якобы", "мнимый") колебанием и проявляется, прежде всего, в изменении зонального (т.е. дующего вдоль параллели) ветра в экваториальной атмосфере (2 года и 2 месяца ветер на экваторе дует с запада, а затем резко меняется на восточный) (рис.4)

Итак, согласно приведенному рис.4. максимум приурочен к концу зимы - началу весны (февраль-март), а минимум к осени (сентябрь-октябрь). Наибольший сезонный контраст наблюдается в высоких широтах (70-80° .сш), где его от 450 еД (март) до 280 еД (сентябрь). С уменьшением широты амплитуда сезонных колебаний падает (на 40-43град. - от 350 еД зимой, до 280 еД осенью), а на широтах меньше 30°, сезонные изменения практически отсутствуют (от месяца к месяцу не более, чем на 20 еД). И это понятно, т.к. в тропиках сезоны отсутствуют.

Рис4

Причиной сезонных и широтных колебаний являются фотохимические и динамические процессы, характерные для земной атмосферы. Если солнечное излучение отсутствует или ослаблено (ночь, зима, весна, осень в высоких широтах и т.д) реакция образования озона не идет и разрушение молекул О₃ определяется образованием при длинноволновом излучении атома и молекулы кислорода. Эту схему поведения озона впервые предложил еще в 1930 г. английский геофизик ЧЕПМЕН и оно носит его имя (Чепменовские процессы).

Важно знать "время жизни", "время пребывания" озона в атмосфере от его зарождения до гибели. На высоте 40 км фотохимическое время жизни для озона составляет примерно 3 часа, т.е. это значительно быстрее динамических процессов, которые, как правило, длятся одни сутки. На высоте 15 км совсем по-другому: здесь фотохимическое время жизни озона более 100 суток, т.е. дольше динамических процессов. Таким образом, динамические процессы в данном случае могут повлиять на озон, а значит, концентрация О₃ будет отражать интенсивность именно динамических процессов. Более того, установлено, что озон при восходящих процессах, подымаясь вверх, становится "тонким", а значит общее количество озона будет меньше, а при нисходящих процессах озона больше, следовательно, происходит и утолщение слоя озона.

Теперь ясно каков механизм сезонного хода. В течение зимы происходит накопление (разрушающее влияние солнечного излучения слабо) озона. Таким образом, форма профиля озона определяется динамическими процессами. Именно фотохимические процессы определяют характер распределения озона, а динамические только перераспределяют то, что уже создано.

СТРАТОСФЕРНЫЙ ОЗОН И УМЕНЬШЕНИЕ ЕГО КОЛИЧЕСТВА

Дело в том, что молекулы азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны и в поглощении излучения практически участия не принимают. Поэтому получается, что если бы не озон, то солнечное излучение с длиной волны от 0,2 до 0,32 мкм проникало бы сквозь атмосферу до поверхности Земли. Коэффициент поглощения озона в этой области спектра очень велик и намного превосходит коэффициент поглощения кислорода, азота, аргона.

Жесткое УФ излучение после прохождения озона уменьшается в 1017 раз. Таким образом, защита трехмиллиметрового слоя озона огромна. Мягкое УФ излучение доходит до поверхности Земли. А один берр излучения (биологически активного) вызывает в организме большие изменения, чем рентгеновское и гамма-излучение (поэтому оно биологически активное). Даже мягкое УФ излучение приводит к временной потере зрения в горах и на заснеженных равнинах. Наибольшую опасность и влияние озон оказывает на нуклеиновые кислоты ( ДНК, РНК), т.к. они отвечают за наследственность.

Эволюция выработала адаптацию к излучению больше 0,32 мкм. Суть - белок поглощает это излучение, как бы защищая нуклеиновые кислоты, а от излучения ниже 0,32 нет защиты и как последствия - рак кожи, гомолиз-разрушение красных кровяных телец, иммунной системы, поражение сетчатки глаза (катаракты). Уже сейчас установлено, что последнее характерно для полярников, т.е. количество таких заболеваний растет с уменьшением широты.

Озона становится все меньше. Тренд (т.е. тенденция изменения какого-либо параметра во времени) общего количества озона изменяется в сторону уменьшения. Существующие на земном шаре станции измеряют содержание озона спектрометром Добсона. Точность ( ± 0,5%). Установлено, что последние два десятилетия наблюдается уменьшение общего количества озона в стратосфере. На современном этапе мониторинга озона это уменьшение возможно оценить равным 2% ( с 1969 по 1987 гг). Медики считают, что уменьшение озона даже на 1% увеличивает заболеваемость раком кожи на 10-20 %.