Озоносфера

Образование (и разрушение, при отсутствии других химических веществ) озона описывается химическими уравнениями цикла Чепмена (цикл назван так в честь химика С. Чепмена, который описал его в 1930-м году). Опуская уравнения реакций, достаточно сказать, что озон образуется при взаимодействии молекулярного кислорода, атомарного (т.е. разлетевшейся на атомы молекулы О или ) и посторонней частицы, способной отводить энергию реакции. Атомарный кислород образуется из молекул молекулярного кислорода и озона в результате «обстрела» их жёстким коротковолновым солнечным излучением. Образующийся атомарный кислород взаимодействует с молекулярным (при этом образуется озон), друг с другом (при этом получается молекулярный кислород) и с озоном (при этом тоже образуется молекулярный кислород). Таким образом, для того, чтобы образовывался озон, нужно несколько условий: а) какое-то воздействие должно «ломать» молекулярный кислород или озон с получением атомарного кислорода; б) в воздухе должно быть достаточно молекулярного кислорода. Именно эти факторы определяют возникновение озонового слоя – в самых высоких слоях атмосферы практически весь кислород, разбитый потоком жёсткого излучения, существует в атомарной форме.

Стратосферный озон разрушается в результате антропогенного загрязнения атмосферы окислами азота, водорода, хлора, метана, фреонов. Озон обладает высокой окислительной активностью и легко вступает в химические соединения с другими веществами. Примеры химических реакций, которые уничтожают озон:

.

Рассмотрим  эти реакции. Обратим внимание на их левые части. Видим, что молекулы окислов азота, водорода и хлора  гибнут, а в правой части этих реакций появились молекулы этих же газов. Значит, расхода озоноразрушающих газов не наблюдается. Эти реакции уничтожают молекулы озона и атомы кислорода, которые нужны для создания озона. Озоновый слой охватывает всю Землю, но его толщина сильно меняется, возрастая от экватора к полюсу. Озон образуется в течение всего года в стратосфере над экваториальным поясом. Благодаря переносу его воздушными течениями он перемещается в направлении полярных широт. На планете четко выделяется тропическая область недостаточно малого содержания озона в зоне от 35° с. ш. до 35° ю. ш., где средняя приведенная толщина слоя около 2,6 мм. К северу и югу от нее толщина слоя больше – 3,5 мм. Источником азотного, водородного и хлорного загрязнения атмосферы являются полеты авиации, космических кораблей, азотные удобрения, сжигание топлива, ядерные взрывы, запуски ракет, угледобыча, нефтедобыча и газодобыча и др. [6].

Молекула озона нелинейна  и имеет структуру треугольника с тупым углом при вершине и равными межъядерными расстояниями:

Рисунок 2 – Структура молекулы озона

При обычных  температурах озон – газ светло-голубого цвета, при пониженных температурах он превращается в жидкость индиго-голубого цвета с температурой кипения 111,9 ºС, в твердой фазе озон образует игольчатые кристаллы густого фиолетово-голубоватого цвета с температурой плавления 192,5 ºС. Способность озона и молекулярного кислорода сосуществовать в трех агрегатных состояниях является одной из исключительных особенностей. Чистый озон во всех трех агрегатных состояниях взрывоопасен [3].

В популярно-научной  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 . 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 200–320 нм [13].

3 ЗНАЧЕНИЕ ОЗОНА В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ

КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИТСТЕМЫ

Озон и климат воздействуют друг на друга. Воздействие  озона на климат проявляется, прежде всего, в изменении температуры. Чем больше озона в данном объёме воздуха, тем больше тепла он удерживает. Озон является источником тепла в стратосфере, поглощая ультрафиолетовое излучение солнца и восходящее инфракрасное излучение от тропосферы. Следовательно, уменьшение количества озона в стратосфере приводит к понижению температуры. А это в свою очередь приводит к истощению озона [15].

Самые крупные  потери озона в Арктике и Антарктике происходят зимой и в начале весны, когда полярные стратосферные вихри изолируют воздух в своих пределах. Когда температура воздуха падает ниже -78 °С, формируются облака, состоящие изо льда, азотной и серной кислот. В результате химических реакций на поверхности ледяных кристаллов в облаках выделяются хлорфторуглероды. Из-за воздействия хлорфторуглерода начинается активный процесс разрушения озонового слоя, который приводит к образованию, так называемых «озоновых дыр». Дальнейшее повышение температуры ведет к испарению льда, и озоновый слой начинает восстанавливаться. Весной температура воздуха повышается, лед испаряется, и озоновый слой начинает восстанавливаться. Озоновый слой окружает всю землю, но его толщина на разных широтах не одинакова. Тоньше всего он на экваторе, а на полюсах толще. И хотя озон перемещается воздушными течениями, и его количество в значительной степени зависит от времени года (летом и осенью его больше, а зимой и весной - меньше), это неравномерное распределение сохраняется. С весенним потеплением химические реакции на поверхности кристаллов льда в облаках приводят к образованию активных форм озоноразрушающих веществ из имеющихся там исходных форм [14].

Изменение количества озона тесно связано с температурой стратосферы. С понижением температуры регулярно образуются полярные стратосферные облака со смесью озоноразрушающих веществ в активной форме и резко снижается толщина озонового слоя как на полюсах, так и в глобальном масштабе. Изменения состояния атмосферы ведут год от года к все более резким изменениям температуры.

Озон постоянно  образуется и разрушается, однако при  некоторых условиях, скорость его разрушения может превысить скорость образования. Как выяснилось, большое влияние на этот процесс оказывает человеческая деятельность. Как вещество крайне реактивное, озон вступает во взаимодействие с хлором, фтором, бромом, оксидом азота и другими веществами. В этом плане очень опасны фреоны, широко используемые в холодильниках, кондиционерах и аэрозольных баллончиках, а также в меньшей степени азотистые удобрения и вещества, возникающие при полетах высотной авиации и запусках ракет. Попадая в атмосферу, все эти изначально неопасные соединения медленно поднимаются вверх, пока не достигают озонового слоя, где оказываются под воздействием ультрафиолетового излучения. Разлагаясь и высвобождая атомы хлора, брома, азота, они вступают во взаимодействие с озоном. При этом каждый атом хлора или брома разрушает молекулу озона, присоединяя атом кислорода [7].

Впервые вопрос угрозы озоновому слою Земли поднялся еще в далеких 1960-х годах. Тогда  считалось, что сверхзвуковые самолеты, выбрасывающие при полете выхлопные  газы, состоящие из оксидов азота  и водяных паров, могут серьезно повредить озоносфере. Также определенная опасность приписывалась азотным удобрениям. Но обе эти угрозы оказались незначительными. Сверхзвуковая авиация не нашла такого широкого применения, как предполагалось, и в настоящее время представлена только «Конкордом», совершающим рейсы над Атлантикой несколько раз в неделю, и военными самолетами. Азотные же удобрения нестойки и успевают разложиться прежде, чем достигнут стратосферы [15].

Распределение температуры контролирует динамические процессы в атмосферном газе. Таким образом, вся система циркуляции в стратосфере, включая и вертикальный перенос газа, зависит от распределения озона. И если под влиянием антропогенных процессов распределение озона заметно изменится, должна измениться вся картина динамических процессов, включая и взаимодействие стратосферы и тропосферы.

Расчеты с помощью  атмосферных моделей показывают, что если повсеместно уменьшить концентрацию озона в два раза, то в мезосфере произойдет охлаждение атмосферного газа на 20° С. Это охлаждение в большей части стратосферы (18-40 км) составит 6-8° С, а на стыке тропосферы и стратосферы (7-18 км) составит 2-3° С.

Молекулы O могут не только поглощать мягкое ультрафиолетовое излучение, но и обладают другими свойствами, существенными для теплового режима атмосферы. Наиболее важное из них - способность поглощать излучение в инфракрасном диапазоне, точнее в полосе с длиной волны примерно 9,6 мкм [8].

Суть парникового  эффекта состоит в том, что  поверхность Земли поглощает энергию падающего на неё солнечного излучения (ближнего ультрафиолетового, видимого, инфракрасного – всего, которое до неё дошло, почти не поглотившись в воздухе) и переизлучает эту энергию в виде тепловых лучей сугубо в инфракрасной области. Если бы это инфракрасное излучение не поглощалось в атмосфере и не уходило назад в космическое пространство, на Земле было бы невыносимо холодно. Но этого не происходит потому, что большая часть переизлученной энергии не покидает нижних слоев атмосферы, а поглощается там облаками и различными малыми составляющими. Наиболее активны в этом поглощении две атмосферные составляющие – углекислый газ и пары воды. Именно они обеспечивают задержку в атмосфере большей части инфракрасного излучения. Однако существует так называемое окно прозрачности в полосе 8-13 мкм, где суммарное поглощение указанными двумя составляющими ( и ) мало. В этой области в роли основного поглотителя выступает озон. Как отмечалось выше, озон имеет сильную полосу поглощения в области 9,6 мкм, которая и обеспечивает захват уходящего инфракрасного излучения в середине окна. Отмечу, что у молекулы озона имеются и другие полосы поглощения в инфракрасной области (например, с длиной волны 13,8 и 14,4 мкм). Но там они накладываются на сильные полосы поглощения и . [10].

В последние  два десятилетия человечество все  больше беспокоит проблема усиления парникового эффекта из-за увеличения в атмосфере количества . Факт монотонного роста концентрации двуокиси углерода в тропосфере в результате человеческой деятельности (уменьшение площади лесов, сжигании органического топлива, и другие промышленные процессы) установлен с высокой степенью достоверности. Этот рост за последние 20 лет составляет 0,3-0,4% в год. Если тенденция роста в последующие десятилетия сохранится, то удвоение количества в атмосфере, которое существовало в доиндустриальную эру, должно произойти примерно в середине XXI в. Правда, наиболее оптимистические модели предсказывают такое удвоение лишь к 2100 г. Конечно, реальная картина будет зависеть, прежде всего, от того, как быстро будет расти потребляемое человечеством количество энергии и насколько удастся заменить существующие сегодня источники энергии новыми, чистыми в экологическом отношении.

4 ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

За последние  десятилетия уже не раз в прессе появлялись сообщения  о близкой  гибели озонового слоя – «волшебного  щита Земли». Поднимался шум, рождалась сенсация, назывались даже сроки катастрофы. И каждый раз более строгие расчеты и более точные измерения «снимали напряжение», уменьшали амплитуду ожидаемого ущерба озонному слою, отодвигали в будущее сроки его реализации.

Все озонные  «сенсации» имели под собой реальную почву и стимулировали более активное изучение тех или иных вопросов физики атмосферы. Именно в результате такой «стимуляции». Мы узнали за последние десятилетия об озоне гораздо больше, чем о любой другой атмосферной компоненте. Да и изучение структуры, химии, динамики стратосферы в целом продвинулось благодаря интересу к проблеме озона очень сильно.

Подтверждение же того, что проблема озона действительно  стоит сегодня очень серьезно, что угроза заметного разрушения озонового слоя в обозримом будущем реально существует, я хочу рассмотреть в следующих вопросах:

4.1 Ядерное облако и озон

Существует  еще один антропогенный  источник азотных окислов, который может влиять на жизнь стратосферного озона. Речь идет о высотных ядерных взрывах.

Из-за сильного нагрева газа (в тепловую энергию переходит около трети всей энергии взрыва) и частично за счет мощного излучения состав  воздуха в области взрыва сильно изменяется – в нем появляется много азотных окислов. Сама вспышка излучения длится очень недолго, да и падение температуры после внезапного нагрева происходит достаточно резко. Однако быстро вернуться назад к исходному состоянию газ с измененным составом уже не может – время жизни относительно динамических и химических процессов составляет часы. В результате облако с высокой «добавкой» азотных окислов будет, постепенно расширяясь, существовать довольно большое время(некоторое превышение концентрации над нормальным значением может наблюдаться и через сутки после взрыва)

По разным оценкам, при  взрыве образуется от 1 до 10 кт на 1 Мт мощности. На первой стадии в облаке присутствует в основном двуокись азота . Именно ей облако обязано своим желтоватым цветом. При остывании облака происходит перераспределение азотных радикалов и в облаке появляются другие окислы, прежде всего NO.На стадии, когда горизонтальный диаметр облака составляет несколько километров, концентрация молекул   в нем равна примерно . Легко видеть, что эта величина близка к концентрации самого озона в максимуме его слоя. Неизбежно заключение о том, что атомные взрывы должны разрушать стратосферный озон.