Озоновый защитный слой

Как известно, в атмосфере на высоте около 15-25 км (в зависимости от широты) расположен озоновый защитный слой Земли, оп­ределяющий верхний предел жизни в биосфере. Озоновый слой появился вместе с появлением в земной атмосфере кислорода. Озона в атмосфере очень мало, всего 4*10^-7 об. %. Если собрать весь озон атмосферы в один слой, то при нормальных условиях, т. е. при давлении 1 атм. и температуре 273^оС он будет иметь толщину всего лишь 0,3 см. Однако этого количества вполне достаточно, чтобы говорить о защитных свойствах озонового слоя, поскольку озон обладает очень сильным поглощением. Он полностью поглощает всю энергию ультрафиолетовой радиации Солнца в полосе от 290 до 220 нм, что совершенно исключает попадание на поверхность Земли губительных для всего живого солнечных лучей короче 290 нм. Кроме того, озон поглощает также инфракрасное излучение Земли, препятствуя ее охлаждению. Определяя верхний предел жизни в биосфере, озоновый защитный слой естественно привлекает к себе особое внимание. Однако химия озона, особенно атмосферного, весьма сложна, и в ней еще многое остается неясным.

Синтез и разложение озона в атмосфере представляют собой сложный процесс, поскольку поведение самой атмосферы переменчиво. Так, облучение ее Солнцем периодически изменяется по суткам и по временам года.

Рассмотрим механизм образования озона в стратосфере. Расчеты по термодинамическим данным реакции 3О₂ ↔ 2О₃ (1.39)

I

показывают, что при низких температурах газ в основном состоит из молекулярного кислорода, а при высоких - из атомарного, и при давлении 1 атм. нет никакой области температур, где равновесное парциальное давление озона было бы сколько-нибудь существенным. Поэтому правомочен вопрос: каковы же причины наблюдаемых на опыте сравнительно больших концентраций озона? В yстановлении равновесия (1.39) большую роль играют реакция образования озона, из атомарного и молекулярного кислорода и обратная ей реакция бимолекулярного разложения продукта:

О₂ + О + М ↔ О₃ + М. (1.40)

Здесь М означает любую частицу, присутствующую в системе и необходимую для отвода энергии от образующейся молекулы озона.

При высоких температурах, когда содержание атомарного кислорода велико, равновесие реакции (1.39) сильно сдвинуто влево и образования озона не происходит. При низких же температурах, когда равновесие по реакции (1.39) сдвинуто вправо, парциальное давление атомарного кислорода слишком низкое, что также препятствует образованию озона. Для получения значительных концентраций озона необходимо сочетание двух условий: сравнительно низкой температуры, обеспечивающей достаточный сдвиг равновесия в сторону образования озона, и больших концентраций атомарного кислорода. Выполнение этих условий возможно, когда диссоциация молекул кислорода обеспечивается в результате нетермического воздействия на систему, например за счет облучения или потока быстрых частиц. Для получения представлений о механизме образования атмосферного озонав первомприближении условимся, что в расчет берется только кислород. Кроме того, кислород и озон под влиянием коротковолнового излучения Солнца подвергаются диссоциации на атомы, которые могут вновь соединяться, образуя кислород и озон. В то же время озон может снова разлагаться и под влиянием более длинноволнового облучения. Есть еще и другие причины, осложняющие процесс, в частности наличие в атмосфере, кроме кислорода, азота и других газов. Диссоциация или ионизация молекул азота приведут к образованию атомов или ионов азота, которые могут соединяться с другими различными атомами. То же происходит и с другими газами, которые содержатся в воздухе в виде примесей. Все эти процессы могут происходить во время облучения воздуха солнечным светом и будут идти с разной скоростью, зависящей от интенсивности света. Ночью, когда атмосфера будет находиться в тени Земли, все процессы идут в обратном направлении или затормаживаются вплоть до полного пре­кращения. На их течение влияет также высота над уровнем моря. Все это происходит постоянно, и потому ни равновесие, ни стационарное состояние не достигаются. Тем не менее при некоторых упрощениях можно получить определенное представление о механизме образова­ния озона в атмосфере и об условиях равновесия образования и раз­ложения озона.

В атмосфере на больших высотах концентрация озона с увели­чением высоты должна убывать из-за уменьшения концентрации третьих частиц (М) и кислорода. С уменьшением высоты она должна убывать за счет снижения интенсивности облучения. Расчет показы­вает, что концентрация озона должна быть максимальной на высоте 25-30 км.

В атмосфере существует распределение озона по времени, ши­роте и высоте. В соответствии с суточными колебаниями по­слеобеденное содержание озона больше утреннего. Максимального значения содержание озона достигает весной, а осенью падает до ми­нимума. В полярных широтах озона содержится в два раза больше, чем у экватора. Наибольшего внимания заслуживает вертикальное распределение озона. На рис. 8 видно, что концентрация озона про­ходит через максимум на высоте 25 км. С повышением широты вы­сота озонового слоя падает с 25 км до 13 км

h,км

СН₃

0,01 0,02 С, см³/км³

Рис. 8. Схема вертикального распределения озона

Постоянно возникающий и разрушающийся слой озона обусловливает явление, названное «озоновым дождем». Как уже отмечалось, атомарный кислород образуется на больших высотах благодаря коротковолновому излучению. Процесс его образования распространяется вниз до 25 км высоты. На этой высоте атмосферное давление обеспечивает достаточное парциальное давление молекулярного кислорода для начала реакции образования сравнительно тяжелых молекул озона:

О₂ + О + М ↔ О₃ + М.

На более низких высотах благодаря уменьшению высокочастотного облучения и сохранению длинноволнового начинается обратный процесс - все большее разложение озона. Образующиеся при этом молекулярный и атомарный кислород, будучи легче озона, поднимаются вверх. Таким образом, существует постоянный поток озона вниз, как бы «дождь» озона. Можно считать, что от этого потока из стратосферы в тропосферу зависит годовое изменение содержания озона. Так как за период с октября по апрель солнечная радиация слабее, чем с апреля по октябрь, содержание озона в весенне-летний период заметно уменьшается. Так же можно объяснить и сезонное содержание озона в зависимости от широты. В тропосфере, в земном слое содержится лишь 10% от общего атмосферного озона. Повышенное содержание озона отмечается на берегах морей и над лесами.

Озон имеет многочисленные, полосы поглощения, простирающиеся от длинноволновой инфракрасной до коротковолновой ультрафиолетовойобласти. Спектрпоглощения озона вультрафиолетовойобласти, как видно из рис. 9, хорошо коррелирует со спектрами поглощения нуклеиновых кислот и белка.

'230 250 270 290 310 λ, нм

Рис. 9. Спектры поглощения озона (1); нуклеиновых кислот (2) и белков (3) в ультрафиолетовой области

По своему биологическому действию солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, обычно делится на более активное, с λ = 280 - 315 нм, называемое УФ - А, и менее активное, с λ= 315 - 400 нм, называемое УФ - В. Количество ультрафиолетового излучения зависит от многих физико-химических, метеорологических, геофизических и других условий. В частности, оно зависит от широты местности, высоты над уровнем моря, прозрачности атмосферы и т. д. Годовая доза УФ - А изменяется на порядок при переходе от Арктики (360 Вт • ч/м²) к тропикам (3600 Вт • ч/м²). В небольших дозах ультрафиолетовое облучение сказывается благоприятно на человеке, животных и растительности, в частности способствует выработке в организме человека, животных и птиц витамина D₃, регулирующего процесс кальциевого обмена. Совершенно противоположно действие повышенных или больших доз УФ. Под их влиянием происходит распад важнейших частей клетки. В ней возникают вещества, блокирующие процессы воспроизводства ДНК и синтеза РНК. У человека высокие дозы УФ-облучения вызывают сильные ожоги и раковые заболевания. Отмечается также отрицательное влияние повышенных доз УФ на растительный мир.

Поглощение озоном коротковолнового ультрафиолетового из­лучения, корреляция его с поглощением белка и нуклеиновых кислот предопределяют защитные функции озонового слоя для всего живого на земле.