Химия и алхимия озонового слоя

Озон поглощает солнечный ультрафиолет в диапазоне 200-300 нм, проникающий в длинноволновом участке этого диапазона вплоть до верхней тропосферы. С высоты около 20 км (нижняя граница озонового слоя) начинается рост температуры, который продолжается до высот около 50 км (верхняя граница озонового слоя). Если бы не было озонового слоя или если он не поглощал бы ультрафиолет, падение температуры, имеющее место в тропосфере, продолжалось бы вплоть до высоты порядка 80 км. Там уже появляется жесткое ультрафиолетовое излучение, способное ионизовать молекулы воздуха. Его энергия в конце концов превращается в тепло, нагревающее воздух и вызывающее рост температуры выше 80 км. (Кстати, эту точку зрения на роль озона в термической стратификации атмосферы разделяет и Прокофьева И.А., автор книги "Атмосферный озон" (М.; Л., 1951), которую Н. Чугунов указал в списке литературы.)

Поглощая солнечный ультрафиолет, молекулы озона разрушаются, образуя атомы кислорода. Но озоновый слой при этом не исчезает - устанавливается равновесие между количеством озона и атомами кислорода, причем более высокому уровню ультрафиолета соответствует более низкая концентрация озона. Это, в частности, объясняет , почему в тропиках, где интенсивность ультрафиолета велика, озона мало, а в высоких широтах, где солнечное излучение слабо, - много.

Распределение температуры атмосферы и концентрации озона в ней по высоте. Максимальное количество озона находится на высоте 20-25 км, минимальная температура - на высоте около 85 км, отмечая границу между мезосферой и термосферой.

Теоретически и практически доказано, что в диапазоне длин волн 200-300 нм определяющую роль в распределении солнечного излучения по высоте земной атмосферы играет его поглощение молекулами озона, слой которого простирается от 10-15 км до высоты более 50 км с наибольшей концентрацией на высоте 20-25 км. Озон чрезвычайно сильно поглощает ультрафиолет длиной волны около 250 нм, и уже к высоте 40 км от этого излучения остается только 10%, а все остальное поглощается вышележащим слоем. А до высот 20-25 км излучение в диапазоне длин волн 255-266 нм, чрезвычайно опасное в биологическом отношении, практически не доходит. Поэтому о нем можно спокойно забыть: его интенсивность не изменится, даже если озона станет в десять раз меньше.

Разнообразные и многочисленные эксперименты показали, что излучение в диапазоне длин волн 280-320 нм также опасно. Именно это излучение при истощении озонового слоя будет усиливаться, приводя к разнообразным негативным последствиям.

Таким образом (повторим еще раз), интенсивность проходящего солнечного излучения в диапазоне длин волн 200-300 нм на разных высотах полностью определяется только распределением озона в атмосфере.

Распределение стабильных молекул в атмосфере до высот порядка 100 км определяется исключительно барометрическим законом, согласно которому давление падает с высотой по экспоненте. А поскольку молекулы озона рождаются в самой атмосфере, их высотное распределение стремится стать таким же, как у воздуха (попросту говоря, много внизу и мало наверху). И в зависимости от времени жизни частиц оно будет в той или иной мере приближаться к барометрическому.

Озон в атмосфере образуется по механизму, предложенному выдающимся английским геофизиком С. Чепменом семьдесят лет назад. Суть этого механизма состоит в том, что на высотах 20-45 км молекулярный кислород распадается на атомы под действием солнечного ультрафиолета. Образовавшиеся атомы быстро прилипают к молекулам кислорода, давая молекулы озона. Распадаются они в результате реакции с атомами кислорода (возникающими главным образом при фотораспаде озона), образуя две молекулы кислорода. Схема Чепмена просуществовала без изменений до середины 60-х годов, когда была создана теория цепных процессов разрушения озона с участием водородных, азотно-окисных и галоидных (хлор-бром-йод) соединений, попадающих в атмосферу в основном из промышленных выбросов. Однако основа этих новых механизмов осталась "чепменовской".

Из механизма Чепмена следует, что отсутствие ультрафиолетового излучения способствует сохранению и накоплению озона - ночью его содержание в атмосфере практически не меняется. Именно этим и объясняется накопление озона в стратосфере Антарктики и Арктики в течение полярной зимы.

Всю зиму над Антарктикой висит устойчивый циклон. В его внутренней области, изолированной от остальной атмосферы, происходит накопление хлорных соединений. С наступлением весны солнечный свет разлагает их, и молекулы хлора начинают активно разрушать озоновый слой.

Влияние солнечного света проявляется и в механизме образования "озонной дыры", который заключается в следующем.

В течение холодной антарктической зимы, когда температура нижней стратосферы падает до 80 градусов ниже нуля, холодный воздух начинает опускаться вниз, в результате чего под действием сил Кориолиса на высотах 10-20 км образуется полярный вихрь, изолирующий воздух внутри своего объема от остального пространства. В этом воздухе образуются стратосферные полярные облака, содержащие молекулы воды и азотной кислоты (она в небольших количествах постоянно образуется из окислов азота природного происхождения). На поверхности частиц облаков протекают реакции, приводящие к образованию из слабоактивных, достаточно устойчивых соединений хлора малоустойчивых молекул Cl₂ и HOCl. Процессы идут в течение всей зимы, в результате чего к ее концу в полярном вихре накапливается значительное количество этих слабосвязанных компонент. С восходом солнца в начале весны, то есть в начале сентября, они легко распадаются, и образуются активные хлорные частицы, начинающие разрушать озон цепным путем.

Поскольку вихрь еще существует и никакого обмена с соседними, богатыми озоном областями стратосферы нет, содержание озона быстро уменьшается, и внутри вихря, на высоте 10-15 км, озон полностью исчезает. Далее происходит разогрев воздуха, распад вихря и расползание остатков дыры по Южному полушарию.

Назад | Вперед