Какое излучение наиболее сильно поглощается озоном атмосферы

Экология СПРАВОЧНИК

Озон имеет несколько полос поглощения в инфракрасной области спектра, но они перекрываются более интенсивными полосами углекислого газа и водяного пара. Существенное значение имеет лишь узкая полоса 9,4-9,9 мкм с центром 9,65 мкм. Поглощение солнечной радиации озоном не превышает 3% интегрального потока.[ . ]

ПОГЛОЩЕНИЕ ОЗОНОМ. П. О. обусловливает обрыв солнечного спектра в ультрафиолетовой области (см. граница ультрафиолетовой части солнечного спектра) и температурный режим стратосферы (озоносферы).[ . ]

ПОГЛОЩЕНИЕ ОЗОНОМ. П. О. обусловливает обрыв солнечного спектра в ультрафиолетовой области (см. граница ультрафиолетовой части солнечного спектра) и температурный режим стратосферы (озоносферы).[ . ]

Спектра поглощения озона (/), нуклеиновых кислот (2) и белка (3) в ультрафиолетовой области спектра

Так как озон имеет широкие полосы поглощения в ультрафиолетовой области спектра, изменение концентрации озона в верхней атмосфере приведет к изменению количества ультрафиолетовой радиации, достигающей земной поверхности. Это повлияет, например, на количество витамина О, образующегося в коже, т. е. уменьшение ультрафиолетовой радиации может таким образом привести к серьезным последствиям для здоровья человека. С другой стороны, в результате увеличения ультрафиолетовой радиации, проходящей через атмосферу, также возникают некоторые проблемы, связанные с кожными заболеваниями. Проблемы, связанные с изменением концентрации озона, возникли в основном в связи с предполагаемыми полетами сверхзвуковых самолетов в верхней атмосфере. Окислы азота, выбрасываемые этими самолетами, реагируют с озоном, приводя к уменьшению оредней концентрации озона на этих высотах. Таким образом наблюдается ряд изменений, происходящих в нашей атмосфере, которые могут со временем надолго изменить климат. Взаимодействие между загрязнителями и атмосферой — чрезвычайно сложный вопрос, не имеющий еще четкого описания; это та область науки, в которой концентрируется большая доля проводимых в настоящее время исследований.[ . ]

Сильное поглощение озона в ультрафиолетовой части спектра предотвращает попадание на поверхность Земли биологически активного излучения Солнца в диапазоне 250—320 нм, разрушающего важнейшие биологические элементы — белки и нуклеиновые кислоты. Кроме того, поглощение озоном ультрафиолетового излучения приводит к нагреванию озоносодержащих слоев стратосферы и в значительной степени определяет ее тепловой режим и, тем самым, динамические процессы, протекающие в стратосфере.[ . ]

Молекула озона по вращательным свойствам относится к типу асимметричного волчка и обладает дипольным моментом. Вследствие этого озон имеет большое число интенсивных линий поглощения в инфракрасной и микроволновой областях спектра. В инфракрасной части спектра расположены три колебательно-вращательные полосы с центрами: vi = 1110 см-1 (9,01 мкм), v2 = = 710 см-1 (14,09 мкм) и V3 = 1043 см-1 (9,59 мкм). Полоса vi очень слабая и перекрывается полосой v3. Обертоны и составные частоты колебаний молекулы озона создают колебательно-вращательные полосы вблизи 2,7; 3,27; 3,59; 4,75 и 5,75 мкм, из которых наиболее интенсивной является полоса 4,75 мкм. Ширина этих полос порядка 0,1 см-1.[ . ]

Объемное содержание озона в воздухе у поверхности Земли составляет около миллионной доли процента. Общее его содержание в воздушном океане соответствует слою газа толщиной всего 3 мм (при нормальном давлении). Основная масса озона находится в верхних слоях атмосферы и стратосфере (10—30 км), где он образуется из кислорода за счет энергии «жестких» ультрафиолетовых лучей с длиной волны ниже 185 нм. Более длинноволновый ультрафиолет (200—320 нм) вызывает, наоборот, распад озона. На поддержание подвижного равновесия кислород =г± озон в стратосфере и затрачивается энергия коротковолновой части солнечного спектра. Поглощение озоном «жестких» ультрафиолетовых лучей предохраняет все живое на Земле от их разрушительного действия; без него действие солнца на нас было бы подобно действию бактерицидной лампы на микробы.[ . ]

Полоса поглощения озоном, охватывающая область длин волн 200—300 нм с максимумом около 255 нм. Ею обусловлен резкий обрыв солнечного спектра около 290 нм.[ . ]

Значение стратосферного озона определяется его оптическими свойствами — способностью поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца с длиной волны менее 280—300 нм. На рис. 1 показан спектр поглощения озона в ультрафиолетовой (УФ) и видимой областях спектра. Главная полоса поглощения озона — полоса Гартли (Хартли), .простирающаяся от 200 до 300 нм. В этой электронной полосе поглощения на общий континуум накладываются многочисленные слабые дополнительные полосы, отстоящие друг от друга примерно на 1 нм. Максимальное поглощение в полосе Гартли достигает 132 см-1 на длине волны 253,65 нм. Это означает, что слой озона толщиной 3 мм при нормальном давлении будет ослаблять излучение в Ю40 раз. В этой области на фоне довольно слабого континуума наблюдаются достаточно резкие минимумы и максимумы, которые используются для измерения содержания озона по ослаблению излучения внеземных источников света — Солнца, Луны, звезд. Озон обладает слабым поглощением и в видимой части спектра, в диапазоне длин волн от 440 до 850 нм (полоса Шап-пюи). Ряд колебательно-вращательных полос поглощения озона расположен в инфракрасной части спектра. Из них наиболее интересна узкая, но сильная полоса поглощения при л=9,57 мкм (волновое число 1043 см-1). Поглощение в этой полосе уходящего теплового излучения Земли используется для измерения со спутников общего содержания озона (222, 263, 265], а с некоторыми ограничениями [7] и его вертикального распределения.[ . ]

При оптических измерениях озона в воздухе всегда стоит вопрос о специфичности поглощения. Присутствие в воздухе паров ргути, нитробензола, бензальдегида может внести ошибки, если используется УФ область. При наземных определениях общего содержания озона X следует учитывать возможную поправку в поглощении за счет атмосферной двуокиси азота. Напомним, что сопоставление наблюдений приземного озона в чистом воздухе высокогорья, проведенных двумя методами — оптическим и химическим, указывает на некоторое дополнительное поглощение УФ области спектра. Оно может быть связано с поглощением гипотетическими комплексами 02—02 и О >—1ЧТ2, исследованными в лабораторных экспериментах В. И. Диановым-Клоковым и его сотрудниками [48].[ . ]

Спектральные коэффициенты поглощения озона изучены достаточно подробно. В микроволновой области (9 . . . 118)-109 Гц найден 21 переход. Некоторые интенсивные линии уже использованы для измерения озона в атмосфере (см. § 21). Ряд слабых полос есть в красной и в ближней ИК области от 711 до 960 нм. Наиболее интересна полоса поглощения озона при К = 9,57 мкм (волновое число V = 1043 см-1), имеющая фундаментальное значение для спутниковых наблюдений озона. Она имеет отчетливую тонкую структуру, т. е. состоит из ряда близко расположенных спектральных линий. Краткий обзор современных знаний о характеристиках полосы X = 9,57 мкм дан в монографии К. Я. Кондратьева и Ю. М. Тимофеева [71]. Обширные лабораторные исследования поглощения озона в этой полосе были проведены Уолшоу [420] и А. П. Гальцевым [33]. Их данные хорошо согласуются с результатами современных расчетов, в которых учитываются полоса 1103 см-1, полосы других изотопов, а также тонкая структура около 10 000 линий. Одна из трудностей использования лабораторных данных применительно к измерениям в атмосфере— зависимость поглощения озона от давления [127].[ . ]

Кроме наблюдений в УФ части спектра, неоднократно делались попытки использовать инфракрасные полосы поглощения озона, особенно полосы с X = 9,6 мкм. Однако идеи и результаты перечисленных авторов, касающиеся наблюдений озона в ИК лучах, были потом с успехом использованы уже для диапазона миллиметровых радиоволн [317, 387, 398].[ . ]

Определение содержания озона в атмосфере путем измерения поглощения озона в различных участках спектра, главным образом в ультрафиолетовой области.[ . ]

Точное определение в 1913 г. коэффициента поглощения озона в ультрафиолетовой области спектра позволило Фабри (1868— 1945 гг.) и Бюиссону (1873—1944 гг.) провести в 1920 г. первые надежные измерения общего содержания озона. Современный этап изучения поведения озона в атмосфере Земли начался после того, как в 1924—1925 гг. в Оксфорде Добсон (1889—1976 гг.) разработал специальный озонный спектрофотометр и организовал его мелкосерийное производство. В 1926 г. начала создаваться мировая озонометрическая сеть, осуществляющая систематические измерения общего содержания озона в столбе атмосферы. В 1929 г. Гетц (1891 —1954 гг.) разработал метод «обращения» (Umkehr), позволяющий по данным оптических измерений в утренние или вечерние сумерки восстановить вертикальный профиль концентрации озона. Создание мировой озонометрической сети уже в середине 30-х годов позволило получить приближенное представление о географическом распределении озона, об его сезонном ходе и о пространственно-временной изменчивости.[ . ]

Одиннадцать очень слабых полос поглощения озоном в видимой области спектра в интервале от 450 до 650 нм.[ . ]

В ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра излучение поглощается сравнительно небольшим числом газов — озоном, диоксидом серы, диоксидом азота и некоторыми другими, причем в области 200—300 нм поглощение определяется озоном. На примере измерения содержания озона рассмотрим реализации многоволновой измерительной схемы Из (2.12) и (2.13) следует, что если измерить ослабление на стольких длинах волн, сколько в атмосфере поглощающих газов, то, решая систему уравнений, можно определить содержание каждого из них. Однако ряд технических и методических трудностей не позволяют решить эту задачу.[ . ]

Газоанализаторы, действие которых основано на поглощени! газами лучистой энергии в ультрафиолетовой области спектра, при меняются для определения в воздухе паров ртути, карбонила ни келя, озона и некоторых других газов. Особенно чувствительно : избирательно определяются пары ртути по поглощению резонанс ной линии ртути с длиной волны 253,7 нм.[ . ]

Из всех атмосферных газов и частиц, участвующих в поглощении части солнечных лучей, наиболее активным является озон. В верхних слоях атмосферы значительная часть энергии солнечного света приходится на ультрафиолетовые лучи. Свое название они получили по тому месту, которое занимают в спектре солнечного света. Наблюдая радугу, вы можете заметить, что она состоит из правильно чередующегося ряда цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего и фиолетового. Все эти цвета появляются в результате разложения солнечного света. Радугу мы видим, когда несметные капельки дождя преломляют и отражают солнечный свет. Действуя как крохотные призмы, они разлагают его на составляющие цвета. Если считать свет состоящим из воли различной длины, легко можно объяснить, почему все это происходит.[ . ]

Прибор для определения общего содержания озона в атмосфере. Универсальный озоно-метр М-83, выпускаемый в СССР, предназначен для измерения общего содержания атмосферного озона с земной поверхности по прямому солнечному свету, по рассеянному свету в зените и по свету луны. Определения основаны на измерении и сравнении интенсивности ультрафиолетового излучения в различных участках спектра: в полосе поглощения озона (220—330 нм) и вне ее.[ . ]

ФРАУНГОФЕРОВЫ ЛИНИИ.Тем ные линии в видимой части солнечного спектра, обусловленные поглощением света на его пути. Часть Ф. Л. возникает в земной атмосфере, особенно вследствие поглощения водяным паром, углекислотой, озоном (теллурические линии); но большая часть Ф. Л. возникает вследствие поглощения света, излучаемого фотосферой Солнца, в солнечной атмосфере. Поэтому Ф. Л. дают представление о химических элементах, составляющих солнечную атмосферу.[ . ]

Распределение энергии в спектре солнечной радиации, полученное путем экстраполяции приземных значений интенсивности к массе, равной нулю. При таком методе расчета не учитывается поглощение озоном в высоких слоях атмосферы.[ . ]

УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ. Ультрафиолетовый участок спектра солнечной радиации с длинами волн менее 400 нм. У земной поверхности спектр У. С. Р. резко обрывается в области 290—300 нм вследствие поглощения радиации меньших длин волн, в высоких слоях главным образом озоном. В верхней атмосфере он простирается до длин волн менее 100 нм. Условно выделяют три области У. С. Р.: ближнюю — в диапазоне длин волн 400—320 нм, среднюю — от 320 до 275 нм, дальнюю — от 275 до 185 нм. На границе атмосферы энергия У. С. Р. составляет не менее 7% энергии интегрального потока, у земной поверхности — сотые доли процента. Интенсивность прямой У. С. Р. у земной поверхности — порядка сотых и тысячных долей кал/см2-мин. Рассеянная У. С. Р. сильнее: при высоте солнца 10° прямая У. С. Р. составляет около 2% рассеянной, при 40° — около 48% и при 60° — около 85%. Интенсивность прямой У. С. Р. возрастает с высотой над уровнем моря, рассеянной — убывает. С широтой интенсивность суммарной У. С. Р. уменьшается. Максимальные значения У. С. Р. в годовом ходе — осенью, в связи с уменьшением количества озона, минимальные — летом, в связи с увеличением содержания аэрозолей в нижних слоях атмосферы.[ . ]

Потоки теплового излучения, формирующиеся в атмосфере, по распределению энергии в их спектре принципиально отличаются от потоков излучения земной поверхности. Это отличие состоит прежле всего в том, что спектральная плотность их энергетической яркости селективна, т.е. имеет дисперсный характер. В спектральной плотности энергетической яркости излучения атмосферы имеются многочисленные полосы излучения и поглощения. Они присуши таким атмосферным газам, как водяной пар, озон, углекислый газ и др.[ . ]

Как и в методе обращения, со спутника можно наблюдать рассеянный в различных участках спектра и соответственно в различных слоях озоносферы свет. Очевидно, задача определения плотности озона упрощается в верхних слоях озоносферы, где молекулярное и аэрозольное рассеяние ослабевает, а поглощение возрастает по мере смещения наблюдаемых длин волн к середине полосы Хартли.[ . ]

В интервале 8,5—12 мкм водяной пар практически прозрачен для инфракрасной радиации, в этом интервале поглощение углекислым газом и озоном (А, = 9,6 мкм) невелико. Этот участок спектра называют окном прозрачности атмосферы.[ . ]

Как правило, требуется учесть и продукты фотолиза, которые могут быть различны в различных участках спектра. При этом квантовым выходом ф (Р) для формирования данного проду кта фотолиза Р называется количество его частиц, приходящихся на один фотон, поглощенный молекулой данного типа. Часто под фотолизом молекулы понимают суммарный процесс, включая первичный акт фотолиза молекулы и последующие вторичные реакции. Суммарный квантовый выход Ф при этом может быть больше 1 (Ф С 1 всегда). Например, при фотолизе озона Ф (— О,) 2 вследствие реакции 03 -г кг — О — 02 и О г 03 —- 20 2.[ . ]

Общее количество некоторых газовых компонентов атмосферы, таких, как водяной пар, двуокись углерода, озон, может определяться с использованием спектрометрии полос поглощения излученной тепловой (в ИК диапазоне для озона 9,6 мкм) и отраженной (и рассеянной) солнечной радиации в УФ диапазоне спектра. Возможно также определение вертикального распределения озона. Послойное определение водяного пара возможно по измерениям полос поглощения в области 6,3 и 20—25 мкм в ИК диапазоне и в области 1,35 см в СВЧ диапазоне.[ . ]

Свет от внеземного источника, проходя через атмосферу, в области А, = 290. 370 нм ослабляется вследствие: а) поглощения атмосферным озоном; б) рассеяния молекулами воздуха; в) рассеяния и поглощения аэрозолем; г) поглощения некоторыми газовыми составляющими атмосферы (в основном сернистым газом и двуокисью азота). Другие составные части воздуха (кислород, азот, водяной пар, углекислый газ и пр.) поглощают свет в этом участке спектра в ничтожно малой степени.[ . ]

На рис. 11 представлен дневной ход общего содержания в атмосфере сразу четырех основных малых компонент: озона, двуокиси азота, паров воды и аэрозоля, измеренных с помощью монохроматора прямой радиации МГУ в Абасту-мани 23 октября 1974 г. Атмосферный озон измерялся многоволновым методом [69]. Содержание двуокиси азота измерялось по методике, изложенной выше [72]. Отметим, что увеличение разрешения позволяет уточнить йдентификацию линий поглощения по спектру и повысить точность измерения NO2. Среднее за денЬ содержание молекул N02 в столбе воздуха 1,3-1016 см-2. Оценка содержания паров воды производилась по данным остаточного поглощения вблизи Х = 720 нм и составила в среднем 1,3±0,5 см. Средняя аэрозольная толща обнаруживает хорошую корреляцию с приземной влажностью, меняясь параллельно ей от 0,080 до полудня до 0,020 после полудня. Несмотря на оценочную точность измерений N02 и Н20, одновременное наблюдение указанных четырех малых примесей на одном прибоое имеет безусловную ценность для анализа относительных колебаний содержания этих примесей.[ . ]

Принцип действия озонометра М-83 основан на измерении ослабления прямой или рассеянной УФ радиации солнца в двух участках спектра, из которых один расположен в полосе поглощения озона, а другой — вне или на краю этой полосы. По значению УФ излучения, дошедшего до прибора, судят о количестве озона в вертикальном столбе атмосферы.[ . ]

Таким образом, к числу важнейших космических факторов относится связанное с солнечной активностью электромагнитное излучение с широким диапазоном длин волн. Влияние тепловой части солнечного спектра будет рассмотрено ниже, а здесь мы отметим лишь тот факт, что поглощение атмосферой Земли коротковолнового излучения приводит к образованию своего рода защитных оболочек, в частности озоносферы. Озон образуется в результате реакции между атомарным (О) и молекулярным (О2) кислородом именно под воздействием ультрафиолетового излучения.[ . ]

Рассмотрим частный случай заболевания СПИДом и возможный подход к диагностике и лечению этого заболевания. Известно, что первые заболевшие проживали в местах повышенной биологически активной ультрафиолетовой солнечной радиации. Существует мнение ученых, что первопричиной заболевания являлась озонная дыра, то есть на Землю проходило космическое излучение с длиной волны менее 280 нм, что привело к сдвигу равновесия иммунологических реакций в сторону их ослабления и стабильному качественно новому состоянию организма. Если прошла некая реакция, то изменяются характер протекания биохимических процессов и биополе человека. Расшифровка биополей заболевших (составляющие, динамика, интенсивность, спектр) может указать на наличие характерных аномалий, не наблюдавшихся У здоровых людей. Пользуясь концепцией единства мироздания, можно оценить, где в спектре поглощения находится соответствующая аномалия электромагнитной составляющей биополя, и провести восстановление иммунитета по схеме (рис. 2.17).[ . ]

Ионизирующее излучение (гамма- и рентгеновские лучи) обладает такой энергией, что способно выбить из молекулы электроны с образованием ионов. Инфракрасное излучение обладает низкой энергией и при взаимодействии с молекулами вызывает колебательные и вращательные эффекты. Электромагнитное излучение в близкой ультрафиолетовой и видимой областях спектра (240—700 нм) взаимодействует с электронами молекулы. Ниже 240 нм ультрафиолетовый участок спектра задерживается озоном на уровне 20—30 км от Земли. При поглощении света с длиной волны менее 800 нм изменяется электронная, вращательная и колебательная энергия молекул, что приводит к возбужденному состоянию молекул.[ . ]

На основе данных численных экспериментов с различными моделями они показали, что наибольшей эффективностью обладает методика восстановления, объединяющая оба вида одновременных независимых ИК измерений — по лимбу и в надир [20]. Отметим определенную аналогию с методом ОУФР: при измерениях в надир в более прозрачных спектральных интервалах получаемая информация об озоне относится к слоям атмосферы, расположенным ниже его максимума; данные же измерений в участках спектра с сильным поглощением содержат информацию о средней и верхней стратосфере. Лимбовые измерения углового изменения уходящего излучения, содержащие в основном сведения о профиле озона в средней и верхней стратосфере, позволяют несколько увеличить (как и в методе ОУФР) максимальную высоту зондирования. При этом структура спектральной информации оказывается аналогичной в различных интервалах рассматриваемой полосы поглощения [20].[ . ]

Изложенный метод расчета ОС применим для приборов с широкими спектральными полосами пропускания самых различных форм. Расчет погрешностей этого метода, связанных с выбором светофильтров, показывает, что погрешности тем меньше, чем в более коротковолновой области находится максимум пропускания первого светофильтра (точнее говоря, правое крыло кривой пропускания), или, иначе, чем больше эффективные коэффициенты поглощения озона. Разумеется, максимум пропускания первого светофильтра нельзя смещать в область волн короче 290 нм по той причине, что солнечный спектр у поверхности земли резко обрывается при X < 290 нм. Если при измерении ОС учитывать аэрозольную погрешность, то выгоднее использовать светофильтры, максимумы пропускания которых по спектру расположены близко друг к другу. Однако если эти максимумы располагаются слишком близко друг к другу, то возрастает погрешность, связанная с уменьшением разности между эффективными показателями поглощения озона. Поэтому должно существовать оптимальное расстояние по спектру между максимумами пропускания двух светофильтров, предназначенных для измерения ОС.[ . ]

Изложенный выше метод измерения ОС пригоден для приборов с высокой монохроматичностью (например, для спектрофотометра Добсона). Эти приборы довольно сложны, требуют квалифицированных наблюдателей и дорого стоят. В связи с этим значительный интерес для измерения ОС представляют более простые и доступные для сети станций приборы со светофильтрами, которые выделяют довольно широкие спектральные полосы пропускания. Комбинации стеклянных светофильтров, изготавливаемых в настоящее время, выделяют полосы пропускания (ширина полосы измеряется на половине высоты кривой пропускания) в ультрафиолетовой области спектра шириной 10—30 нм, интерференционные светофильтры— 5—10 нм. Указанные спектральные интервалы не удовлетворяют условию монохроматичности. В этом случае применение метода Добсона для расчета ОС становится невозможным. На участке спектра, выделяемом коротковолновым светофильтром, показатель поглощения озона изменяется в несколько раз, вследствие чего заметно проявляется эффект Форбса, вызывающий искажение измеряемой величины озона (см. раздел 3.1).[ . ]

Озоновые дыры: причины и последствия

Ученые предполагают, что возникновение озонового экрана Земли произошло четыреста миллионов лет назад. Именно этот процесс, по их мнению, позволил микроорганизмам подняться со дна океана и выйти на сушу. Так на Земле появилась жизнь.

Что такое озоновый слой

Озоновый слой — это самый легкий и тонкий слой в атмосфере, который содержит относительную концентрацию озона (до 0,001%). Озоновый слой защищает нашу планету от опасного ультрафиолетового излучения, которое способно причинить значительный ущерб жизни на Земле.

Однако озоновый слой не только покрывает нашу планету. Его также можно найти и на поверхности земли — он используется для таких целей, как отбеливание бумажной целлюлозы, обеззараживание питьевой воды и удаление неприятных запахов из продуктов.

Как образуется озоновый слой

Озон — это аллотропная модификация кислорода. Ультрафиолетовые лучи расщепляют молекулы кислорода, превращая О2 в О+О. После расщепления О присоединяется к другим молекулам кислорода, образуя озон (О3=О+О2).

Аллотропными модификациями называют вещества, сходные по составу, но отличающиеся по химическому строению и, соответственно, физическим свойствам.

О3 и молекулы кислорода «поглощают» около 97–99% вредного ультрафиолетового излучения, преобразовывая его в тепло.

Где находится озоновый слой

Озоновый слой находится на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли, в верхних слоях атмосферы. Озоносфера (или озоновый экран) в разных широтах планеты находится на разных уровнях. В тропических широтах озоновый слой находится на расстоянии от 25 до 30 км, в умеренных — от 20 до 25 км, в полярном круге расстояние еще меньше — от 15 до 25 км.

Толщина озонового слоя

Озоновый слой считается самым тонким в атмосфере. Концентрация озона в верхних слоях измеряется в единицах Добсона. Одна единица Добсона составляет 10 микрометров чистого озона при температуре 0 °C и стабильном атмосферном давлении. Нормальной концентрацией озона считается 300 единиц. Отсюда следует, что толщина озонового слоя составляет всего 3 000 микрометров (3 миллиметра).

Гордон Миллер Борн Добсон — британский физик и метеоролог XX века. Он посвятил свою жизнь изучению озона в атмосфере и сконструировал первый озоновый спектрометр.

Где находится озоновый слой Земли?

Заметное повышение содержания молекул озона начинается на расстоянии 10 км и сохраняется до 50 км над Землей. Но то количество вещества, которое имеется в тропосфере, — это еще не экран. По мере удаления от земной поверхности возрастает плотность озона. Максимальные значения приходятся на стратосферу, ее область на высоте от 20 до 25 км. Здесь молекул О3 содержится в 10 раз больше, чем у поверхности Земли.

Но почему толщина, целостность слоя озона вызывает беспокойство ученых и простых людей? Бум по поводу состояния защитного экрана разразился в минувшем столетии. Исследователи обнаружили, что озоновый слой атмосферы над Антарктидой стал тоньше. Была установлена основная причина явления — диссоциация молекул О3. Разрушение происходит в результате совместного воздействия ряда факторов, ведущим среди них считается антропогенный, связанный с деятельностью человечества.

Озоновый слой и УФ-излучение

Главная задача озонового слоя — оберегать планету от опасной солнечной радиации.

УФ-излучение в малых дозах полезно для человеческого организма, потому что напрямую связано с выработкой витамина D.

В современной медицине это излучение используется для лечения псориаза, остеопороза, желтухи, экземы и рахита. При лечении также учитывается риск негативного воздействия, поэтому любое использование данного излучения происходит под четким медицинским наблюдением.

Долгосрочное воздействие солнечного ультрафиолетового излучения на человека может спровоцировать развитие острых и хронических заболеваний кожи, глаз и иммунной системы.

Солнечные ожоги случаются в результате долгого влияния УФ-излучения на кожу. Оно способно вызвать дегенеративные изменения клеток кожи, фиброзной ткани и кровеносных сосудов. Рак кожи и катаракта — самые серьезные и нередкие последствия облучения ультрафиолетом.

Озоновый слой служит естественным щитом Земли и спасает человечество от ультрафиолетовой радиации, которая также вызывает мутации ДНК.

Мощность ультрафиолетового излучения Солнца чаще всего делят на три категории:

1. УФ-А
   (от 320 до 400 нанометров): не поглощаемая озоном длина, так как находится на безопасном расстоянии.
2. УФ-В
   (от 280 до 320 нанометров): большая часть поглощается озоном, но данная длина излучения может быть вредна для чувствительной кожи.
3. УФ-С
   (менее 280 нанометров): полностью поглощается озоном. Наиболее опасная длина, потому что она самая короткая и может уничтожить добрую часть нашей экосистемы.

Разрушение озонового слоя

Годы изучения защитного экрана показали, что над поверхностью Земли в некоторых районах озоновый слой начал истончаться. Первую «брешь» обнаружили над Антарктидой.

Причиной повреждения и истончения озоносферы Земли были признаны синтетические и искусственные вещества, образованные в результате промышленной деятельности.

Причина разрушения озона — хлорфторуглерод, группа органических соединений, включающих атомы фтора, хлора и углерода. Эти соединения не токсичны, стабильны и, взаимодействуя с воздухом, не образуют взрывоопасных веществ.

Фреон (хладагент)

— яркий представитель этих соединений и включает в себя более 40 различных веществ. Область применения фреона захватывает практически все сферы жизнедеятельности человека. Впервые хлорфторуглероды стали использовать в работе холодильных устройств (холодильники, кондиционеры), заменив ими токсичные и взрывоопасные аммиак и сернистый газ. Позже хлорфторуглероды стали широко эксплуатировать в аэрозольных баллонах, вспенивателях, растворителях, а также в пищевой и парфюмерной отраслях.

Однако сейчас известно, что под воздействием солнечной радиации хлорфторуглероды разлагаются в атмосфере и образуют вещества, которые эффективно разрушают молекулы озона. И если на Земле фреон не представляет опасности для жизни, в стратосфере он активно разрушает защитную систему нашей планеты.

Монреальский протокол

В 1987 году Всемирная Метеорологическая Организация и Программа ООН по окружающей среде собрали вместе ученых, дипломатов, защитников окружающей среды, членов правительства, представителей промышленности и коммерческие организации для заключения соглашения о поэтапном отказе от химических веществ. В январе 1989 года вступил в силу Монреальский протокол, первое в мире международное соглашение о регулировании химических загрязнителей.

В рамках протокола было решено постепенно сокращать производство и использование озоноразрушающих химических веществ, в первую очередь был введен запрет на использование ХФУ (хлорфторуглерод) в распылительных аэрозольных баллончиках.

ОЗО́НОВЫЙ СЛОЙ

ОЗО́НОВЫЙ СЛОЙ, часть ат­мо­сфе­ры Зем­ли, где экс­пе­рим. ме­то­да­ми уда­ёт­ся об­на­ру­жить озон. За­ни­ма­ет про­стран­ст­во от зем­ной по­верх­но­сти до выс. 70–80 км над уров­нем мо­ря. В бо­лее уз­ком смыс­ле О. с. (или озо­но­сфе­рой) на­зы­ва­ют всю стра­то­сфе­ру или (ино­гда) её слой от 20 до 30 км, в ко­то­ром на­хо­дит­ся наи­боль­шее ко­ли­че­ст­во озо­на.

Вертикальная структура озонового слоя: r3 – отношение смеси озона, р3 – парциальное давление озона, Т – температура воздуха, Н – высота над уровнем моря.

Ес­ли бы во всей ат­мо­сфе­ре со­блю­да­лись нор­маль­ные ус­ло­вия и её мож­но бы­ло бы раз­де­лить на слои, ка­ж­дый из ко­то­рых со­дер­жал бы толь­ко один газ, то вся ат­мо­сфе­ра за­ня­ла бы слой тол­щи­ной ок. 8 км, а слой озо­на имел бы тол­щи­ну ок. 3 мм. Тол­щи­на это­го ги­по­те­тич. слоя озо­на над кон­крет­ным ме­стом оп­ре­де­ля­ет важ­ней­шую ха­рак­те­ри­сти­ку О. с. – об­щее со­дер­жа­ние озо­на (ОСО), из­ме­ряе­мое в еди­ни­цах Доб­со­на, на­зван­ных в честь брит. ме­тео­ро­ло­га лор­да Г. М. Б. Доб­со­на; при­ве­дён­ная тол­щи­на слоя озо­на в 3 мм со­от­вет­ст­вует 300 еди­ни­цам Доб­со­на. При уда­ле­нии от эк­ва­то­ра ОСО обыч­но воз­рас­та­ет; макс. ОСО на­блю­да­ет­ся в на­ча­ле вес­ны, ми­ни­маль­ное – осе­нью. Эта за­ви­си­мость не­вер­на для Ан­тарк­ти­ды (см. Озо­но­вая ды­ра). ОСО мо­жет из­ме­нять­ся от 80 еди­ниц Доб­со­на (над Ан­тарк­ти­дой в пе­ри­од ве­сен­ней озо­но­вой ано­ма­лии) до 650 еди­ниц Доб­со­на (над Даль­ним Вос­то­ком в кон­це зи­мы – на­ча­ле вес­ны). На рис. по­ка­за­на вер­ти­каль­ная струк­ту­ра О. с.: здесь ОСО про­пор­цио­наль­но пло­ща­ди ме­ж­ду вер­ти­каль­ной осью и кри­вой пар­ци­аль­но­го дав­ле­ния. Осн. часть ат­мо­сфер­но­го озо­на на­хо­дит­ся в стра­то­сфе­ре, ме­нее 1% – в ме­зо­сфе­ре, 10–15% – в тро­по­сфе­ре. В ат­мо­сфе­ре мо­ле­ку­лы озо­на по­сто­ян­но пе­ре­ме­ща­ют­ся, пре­им. в сто­ро­ну умень­ше­ния т. н. от­ноше­ния сме­си озо­на (от­но­ше­ния чис­ла мо­ле­кул озо­на к об­ще­му чис­лу мо­ле­кул в еди­ни­це объ­ё­ма воз­ду­ха; r3 на рис.) и всту­па­ют в хи­мич. ре­ак­ции. Гл. ис­точ­ни­ком озо­на в ат­мо­сфе­ре яв­ля­ет­ся верх­няя стра­то­сфе­ра, где он об­ра­зу­ет­ся из мо­ле­ку­ляр­но­го ки­сло­ро­да под дей­ст­ви­ем УФ-из­лу­че­ния Солн­ца.

На­ли­чие О. с. в ат­мо­сфе­ре при­во­дит к по­гло­ще­нию УФ-из­лу­че­ния с дли­на­ми волн ме­нее 310 нм, гу­би­тель­но­го для все­го жи­во­го на Зем­ле. По­это­му ми­ро­вое со­об­ще­ст­во чрез­вы­чай­но обес­по­кое­но гло­баль­ным умень­ше­ни­ем ОСО, на­блю­дав­шим­ся с кон. 1970-х гг. Силь­ное умень­ше­ние ОСО име­ло ме­сто над по­ляр­ны­ми рай­она­ми, осо­бен­но над Ан­тарк­ти­дой; над тро­пи­ка­ми ОСО прак­ти­че­ски не из­ме­ня­лось. Бы­ло ус­та­нов­ле­но, что умень­ше­ние ОСО свя­за­но как с на­блю­дае­мы­ми кли­ма­тич. из­ме­не­ния­ми, так и с уве­ли­че­ни­ем со­дер­жа­ния в ат­мо­сфе­ре хлор­фто­руг­ле­ро­дов (боль­шин­ст­во из них бо­лее из­вест­ны как фре­о­ны). По­это­му в 1987 за­клю­че­но Ме­ж­ду­нар. со­гла­ше­ние по за­пре­ще­нию про­из-ва и при­ме­не­ния озо­но­раз­ру­шаю­щих со­еди­не­ний (Мон­ре­аль­ский про­то­кол). В 1994 Ге­не­раль­ная ас­самб­лея ООН про­воз­гла­си­ла 16 сен­тяб­ря Ме­ж­ду­нар. днём ох­ра­ны О. с. Наи­мень­шее со­дер­жа­ние озо­на в ат­мо­сфе­ре на­блю­да­лось в кон. 20 в. (в уме­рен­ных ши­ро­тах Сев. по­лу­ша­рия вес­ной оно бы­ло при­мер­но на 5% ни­же нор­мы), в нач. 21 в. фик­си­ру­ет­ся мед­лен­ный рост ОСО; ожи­да­ет­ся, что к 2050–2080 гг. О. с. вос­ста­но­вит­ся.

В ниж­нюю ат­мо­сфе­ру озон по­сту­па­ет из стра­то­сфе­ры, а так­же ге­не­ри­ру­ет­ся в ре­зуль­та­те фо­то­хи­мич. ре­ак­ций с уча­сти­ем ок­си­дов азо­та и лег­ко­ле­ту­чих ор­га­нич. со­еди­не­ний. Озон в кон­цен­тра­ции св. 80 млрд–1 гу­би­те­лен для ды­ха­тель­ных кле­ток разл. ор­га­низ­мов. Та­кая кон­цен­тра­ция при­зем­но­го озо­на ино­гда на­блю­да­ет­ся в тё­п­лый се­зон (осо­бен­но при темп-рах вы­ше 28 °С) во всех про­мыш­лен­но раз­ви­тых стра­нах, в т. ч. в Рос­сии. Счи­та­ет­ся, что из-за воз­дей­ст­вия при­зем­но­го озо­на толь­ко США еже­год­но не­до­би­ра­ют с.-х. про­дук­ции на неск. млрд. дол­ла­ров. Из-за гло­баль­но­го по­те­п­ле­ния и уве­ли­че­ния вы­бро­сов за­гряз­няю­щих ве­ществ кон­цен­тра­ция при­зем­но­го озо­на в ря­де стран по­сто­ян­но рас­тёт (со ско­ро­стью ок. 0,3% в год), что пред­став­ля­ет уг­ро­зу для че­ло­ве­че­ст­ва. Осо­бен­но силь­ное уве­ли­че­ние кон­цен­тра­ции при­зем­но­го озо­на ожи­да­ет­ся для Ин­дии, Ки­тая и стран Юго-Вост. Азии.

Озоновые дыры

В 1985 году над Антарктидой обнаружили озоновую «дыру» диаметром более 1 000 км. По сей день она является самой большой и занимает площадь чуть меньше 20 млн кв. км.

К счастью, как таковой дыры нет. На самом деле, когда ученые и популярные средства массовой информации ссылаются на дыру в озоновом слое, речь идет об области с низкой концентрацией озона. Толщина озоновой оболочки в этой местности меняется в зависимости от времени года.

Почему дыра образовалась именно над Антарктидой, если главная причина в опасных выбросах?

Ученые объясняют этот феномен тем, что хлорфторуглероды переносятся в Антарктику воздушными потоками. Особенные климатические условия, а конкретно — крайне низкие температуры (до −80 °C) способствуют формированию стратосферных облаков.

В этих облаках происходит серия химических реакций. Хлор, содержащийся в ХФУ, отделяется от других веществ, кристаллизуется и в течение всего холодного периода сохраняется в таком состоянии. С приходом весны интенсивность ультрафиолетовых лучей усиливается, атомы хлора высвобождаются, разрушая молекулы озона. В итоге образуется озоновая дыра.

bobot 12.04.201612.04.2016 Рубрика Наука, ПриродаМетки Антарктика, атмосфера, Земля, озон, планета 1 коммент.

Озоновый слой является важной составляющей частью для нашей планеты, целостность которого можно восстановить, уменьшив выбросы вредных веществ.

Многие из нас наверняка слышали о таком природном явлении как озоновый слой. Это защитный механизм Земли, который препятствует проникновению ультрафиолетового излучения. К сожалению, слой озона со временем разрушается и виной тому необдуманная деятельность человека.

Выхлопы вредных веществ в атмосферу отрицательно влияют на защитный слой, год за годом ухудшая экологическое состояние планеты. Если темп загрязнений не уменьшить, то самые худшие опасения учёных могут оправдаться.

Википедия: озоновый слой

Озо́новый слой

— часть стратосферы на высоте от 20 до 25 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), с наибольшим содержанием озона, образовавшимся в результате воздействия ультрафиолетового излучения Солнца на молекулярный кислород (О2).

Так какие же размеры имеет озоновый слой Земли? Большинство из нас будут удивлены, но на самом деле слой озона имеет толщину всего лишь 3 мм! Этот факт подтверждён научно, вопреки мнению, что столь значимая и важная система для нашей планеты должна иметь толщину хотя бы в несколько метров. Это действительно интересная и познавательная информация, которой легко удивить своих друзей и знакомых.

Смотрите также: Самые глубоководные организмы Земли

Почему над Антарктикой разрушается озоновый слой

Осенью и в начале зимы (когда в Южном полушарии наступают весна и лето) озоновый слой над Антарктикой становится особенно тонким, местами исчезая совсем. Этот факт зафиксирован многолетними измерениями концентрации озона в стратосфере.

Подробные отчеты, переданные со спутников, ежедневно размещаются на сайте NASA. Почему гигантские озоновые дыры площадью более 20 миллионов км2

Аномалии озонового слоя над Антарктикой заметили в 1970-е годы — раньше ничего катастрофического там не наблюдали. Отсюда и родилась гипотеза о том, что озон разрушают промышленные газы. Но как они попадают к Южному полюсу? Полагают, что фреоны разносятся ветрами по всей планете, их концентрация в атмосфере примерно везде одинакова. При очень низких температурах, которые бывают в Антарктике, начинаются необычные химические реакции: на ледяных кристалликах стратосферных облаков из фреонов выделяется свободный хлор и замерзает. С приходом весны льдинки тают, хлор освобождается и разрушает озон. Вроде все ясно, но посмотрите на рисунок.

Антарктическая озоновая аномалия принимает форму звезды. Почему? На это вопрос нашли ответ российские ученые, но от общепринятой — гетерогенной — гипотезы им пришлось отказаться. Они заметили, что «дыра» простирает свои лучи над зонами крупных разломов. Из этих разломов периодически происходят мощные выбросы глубинных газов, в том числе водорода и метана, которые, достигая стратосферы, разрушают озон. А минимальная толщина озонового слоя находится на пересечении разломов — в море Росса, где расположен активнейший вулкан планеты — Эребус.

Смотрите также: Земля находится в рекордной близости от Солнца

Журнал «Вокруг света»

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

BraveRobot нашел еще статьи на эту тему:

• «Слоеный пирог» атмосферы Земли: тропосфера, стратосфера, ионосфера
• Как сделать салат «Французская любовница»
• Шашлык из телятины в красном вине!
• Слоеная картофельная запеканка: как приготовить вкусное блюдо
• Как правильно красить губы
• Фитнес-салаты для плоского живота: эти 5 рецептов перевернут вашу жизнь!
• Вкусный и пикантный салат «Любовница»: рецепт приготовления
• Как сделать прозрачный текст в Photoshop
• Огненное облако: невероятные фотографии, снятые в США
• Как сделать восточный макияж глаз

Мир без озонового слоя

Озоновая дыра над Антарктидой не единственная. Количество дыр растет с каждым годом по всему миру. Поток солнечной радиации увеличивается и вызывает вспышки раковых заболеваний кожи и катаракту, причем дети этому явлению подвержены сильнее.

Ученые из Центра космических полетов имени Годдарда (НАСА), чтобы доказать значение озонового слоя, смоделировали ситуацию стремительного разрушения защитного экрана Земли.

Группа ученых начала работу с создания модели атмосферной циркуляции земной системы, которая учитывает химические реакции в атмосфере, колебания температуры и ветра, изменения солнечной энергии, а также другие элементы глобального изменения климата. Потери озона изменяют температуру в разных частях атмосферы, и эти изменения способствуют или подавляют химические реакции.

Затем исследователи увеличили выброс ХФУ и подобных соединений на 3% в год, что примерно вдвое меньше, чем в начале 1970-х годов, когда хлорфторуглероды активно использовались в производстве и быту. Ученые позволили моделируемому миру развиваться с 1970 по 2065 год.

Почти две трети озоносферы Земли исчезло. У самой большой озоновой дыры над Антарктидой появился двойник над Северным полюсом. Ультрафиолетовое излучение, падающее на города средних широт (например, Вашингтон), настолько сильное, что способно вызвать солнечный ожог всего за пять минут. Из-за высокого уровня радиации вероятность мутации ДНК увеличивается на 650%.

Усиление ультрафиолетового излучения спровоцирует гибель планктона в океанах и, следовательно, уменьшит рыбные запасы. Также ультрафиолет может оказать неблагоприятное воздействие на рост растений, что приведет к полному увяданию сельского хозяйства.

Решение есть

Увидев мир без озонового слоя, ученые пришли к выводу, что разрушение стратосферного озона можно остановить. Альтернативные вещества, которые не навредят защитному экрану Земли, существуют. К ним относятся углекислый газ, нетоксичный пропан, аммиак и изобутан (природный хладагент).

Как отмечают экологи, озоновый щит планеты уже сейчас восстанавливается на 1–3% в десятилетие. При благоприятных прогнозах озоновые дыры могут исчезнуть по всей планете к 2060 году. Команда ученых НАСА предполагает, что восстановление озонового слоя связано с Монреальским протоколом.

Специалисты из Национального управления океанических и атмосферных исследований США в 2021 году обнаружили крупные выбросы в атмосферу озоноразрушающего газа — трихлорфторметана.

Было установлено, что эпицентр выбросов находится в Восточной Азии, а позже более 18 производственных фабрик в Китае сами признались в незарегистрированном использовании фреона.

Экологи считают, что повлиять на целостность озонового слоя могут сами люди на бытовом уровне. Озоновый экран планеты также подвергается атакам парниковых газов и токсичных выбросов воздушного и наземного транспорта. Использование экологически чистого топлива, сохранение ресурсов земли и правильная утилизация вредных отходов сыграет значительную роль в спасении Земли.

Стоит начать очищение окружающей среды с маленького островка — своей квартиры. Через открытые окна в наше жилище поступает большое количество пыли, вредных испарений, ядовитых выбросов и неприятных запахов. В этой ситуации поможет бризер: благодаря трехступенчатой системе фильтрации устройство препятствует проникновению в комнату вредных веществ, бактерий, аллергенов и вирусов с улицы. Бризер борется с духотой в квартире и создает все условия для комфортной жизни и спокойного сна.

Наказание нарушителей

Читайте на РБК Pro
Как мир борется с ростом цен на еду — Bloomberg Золотые правила частного инвестора на рынке ценных бумаг Назло Бузовой: зачем тиктокеры живут в одном доме и учатся петь Еще по одной: топ-3 акций алкогольных компаний для покупки в 2021 году

Эти успехи возможны благодаря трем факторам: грамотной научной экспертизе, воле в претворении рекомендованных решений в жизнь и качественному мониторингу исполнения этих решений. Последний не так очевиден, как может показаться: в этом году мониторинг и анализ его результатов превратились в международный детективный триллер.

В мае 2021 года группа исследователей из обсерватории на Гавайях сообщила о необычно высокой концентрации одного из запрещенных к использованию веществ — трихлорфторметана (CFC-11). Он был синтезирован для использования в качестве хладагента и вспенивателя и входил в состав аэрозолей. К концу 1980-х годов во всем мире в атмосферу ежегодно попадало около 350 тыс. т CFC-11, но спустя десять лет этот показатель упал до 54 тыс. т. По Монреальскому протоколу его производство и использование должно было быть прекращено к 2010 году (Россия отказалась от него еще раньше — к 2000 году).

Новость вызвала горячие дискуссии: сложно было поверить в массовое производство практически выведенного из употребления вещества. Однако наблюдения с Гавайев были вскоре подкреплены данными из Гренландии, Самоа и Антарктиды. Вероятность ошибки была крайне низкой, но установить наличие выбросов и найти их источник — разные вещи. Тогда ученые из Колорадо применили к собранным данным глобальную климатическую модель, «промотав» ее назад. В результате было сделано предположение, что источник загрязнения находится в Восточной Азии. Британские активисты из неправительственного Агентства экологических расследований (Environmental Investigation Agency) поехали в Китай и действительно нашли незаконное производство: CFC-11 использовался как вспениватель для полиуретановой пены, служащей изоляционным материалом в строительстве. Фабрик-нарушителей нашлось около 20: несмотря на запрет китайского правительства, там стремились воспользоваться дешевым и эффективным материалом. История, как экологам удалось обнаружить подлог, достойна отдельного материала: следователи-добровольцы ухитрились притвориться клиентами фабрик, получив таким образом доступ на производство.

Активистам удалось то, чего не смогли сделать китайские контролирующие органы: теперь информация о нарушениях задокументирована и передана китайским властям и структурам, обеспечивающим исполнение Монреальского соглашения. Все это стало возможно благодаря редкому продуктивному сотрудничеству ученых из разных стран и научных областей, к которым сначала присоединились активисты, а потом — органы власти.

Химия озонового слоя и жизнь на Земле

Об озоновом слое Земли говорят много. Одни пугают тем, что озоновый слой исчезает быстро и необратимо и жить человечеству осталось чуть-чуть. Другие авторитетно успокаивают, что озоновые дыры существовали всегда и это нормальный процесс, на который человечество своей деятельностью никак повлиять не может. Попробуем разобраться, что происходит с атмосферным озоном и чем это нам угрожает.

Зачем нам озоновый слой

Озон — одна из наиболее важных малых составляющих нашей атмосферы. С экологической точки зрения наиболее ценное его свойство — это способность поглощать опасное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца. С другой стороны, он сильнейший окислитель (попросту яд), способный при непосредственном контакте отравить ту самую флору и фауну, которую он защищает в качестве стратосферного озонового слоя. Помимо этого, озон — эффективный парниковый газ, который заметно влияет на изменение климата Земли. Эти свойства и делают озон таким важным для нас. Сохранение его обеспечивает те экологические и биологические условия, в которых земная фауна и флора существуют уже многие миллионы лет.

1. Изменение приземной концентрации кислорода и полного содержания озона в земной атмосфере за последние 4 миллиарда лет по сравнению с современным уровнем, формы жизни в этот период, а также геологические периоды: 1 — озон, 2 — кислород, 3 — строматолиты, 4 — сине-зеленые водоросли, 5 — эуариоты, 6 — многоклеточные организмы без оболочки, 7 — многоклеточные организмы с твердой оболочкой, 8 — наземные растения, 9 — наземные животные, 10 — млекопитающие, 11 — покрытосеменные растения, I — докембрий, II — кембрий, III — ордовик, IV — силур, V — девон, VI — карбон,
VII — пермь, VII — триас, IX — юра, X — мел (R.P.Wayne, 1991.Chemistryо/the Atmospheres 2 ed.. Clarendon Press, Oxford U.K.)

Посмотрим, как же изменялось содержание озона за последние 4 миллиарда лет (рис.1, сегодняшний уровень принят за единицу). Видно, что растительность на суше появилась чуть более 400 миллионов лет назад, когда содержание кислорода составляло более 0,6, а озона — более 0,8 от современного уровня. Этого оказалось достаточно, чтобы защитить живые клетки от коротковолнового солнечного излучения. До этого момента жизнь развивалась только в воде, которая и защищала ее вместо озонового слоя. Атмосферный кислород в то время накапливался за счет фотосинтеза в океане и дегазации вулканической базальтовой магмы (оба этих источника продолжают поставлять кислород и сейчас, причем доля океана в фотосинтезе О ₂ сегодня составляет 80%). Когда на суше появилась растительность, атмосферный кислород стал накапливаться быстрее, и вскоре содержание кислорода и образующегося из него озона достигло нынешнего уровня.

2. Зависимость высоты, на которой поглощается 90% первичн солнечного ультрафиолетового излучения, от длины волны (Dr. Stephen Wilson, Tropospheric Chem Overview)

Таким образом, жизнь на Земле последние 400 миллионов лет развивалась под защитой озонового слоя, поскольку озон поглощает солнечное Уф-излучение в том же диапазоне длин волн (230-290 нм), что и молекулы живых клеток. Именно поэтому опасное УФ-излучение не достигает поверхности Земли (рис. 2), а задерживается на высоте 30 км. На рисунке видно, что если бы озонового слоя не было, то весь поток в этой области длин волн достигал бы поверхности Земли, возвращая нас к ситуации, существовавшей 4 миллиарда лет назад. Но даже если содержание озона в атмосфере уменьшится только на 20%, то, если верить рис.1, мы вернемся на 400 миллионов лет назад, когда на суше не было даже растений.

Чем вредно УФ-излучение

Основное воздействие УФ-излучения на живую клетку проявляется в том, что оно повреждает молекулы ДНК, которые поглощают его гораздо сильнее, чем молекулы белков, образующих клетку.

В большой степени за это ответственны циклические структуры азотистых оснований, соединяющие в ДНК-группировки сахара-дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Когда молекула тимина (рис. 3) в одной из нитей спирали ДНК поглощает квант света, двойная связь между 5-м и 6-м атомами углерода в кольце разрывается и образуются две свободные валентности. Если вблизи от этого места то же самое происходит и в соседней нитке спирали, то образовавшиеся связи могут замкнуться и прочно соединить нити. Понятно, что из-за этого клетка перестает расти и делиться и в конце концов гибнет.

3. Схема фотообразования димеров тимина. Две молекулы тимина, участвующие в реакции, принадлежат соседним нитям молекулы ДНК (В.А.Барабой. Солнечный луч, «Наука», М., 1976)

Заметим, что эта реакция, при всей своей обыденности, совершенно особенная. Действительно, если бы связь между 5-м и 6-м атомами углерода в тимине стала бы чуть слабее, а спектральная полоса поглощения света была бы чуть шире, то описанный процесс мог бы происходить и при больших длинах волн, которые озоновый слой пропускает, и, следовательно, жизнь не смогла бы появиться на земной поверхности ни 400 миллионов лет назад, ни позднее и была бы обречена лишь на подводное существование.

Итак, отметим два важных момента.

1. Совершенно случайно оказалось, что озон, образовавшийся в древней земной атмосфере, и клетки живых организмов, развившиеся в это время в Мировом океане, поглощают биологически опасное коротковолновое излучение Солнца в одном и том же диапазоне длин волн 230-290 нм.

2. Когда образовался достаточно плотный слой озона в атмосфере, жизнь смогла шагнуть на сушу и начать ту уникальную, может быть, единственную во Вселенной ветвь эволюции, которая дала такое разнообразие живых форм, включая человека.

Короче говоря, наше появление на Земле было делом случая. Но раз уж нам так повезло с озоном, имеет смысл разобраться, каким образом природа создала и сохраняет озоновый слой и как человек невзначай может разрушить эту гармонию.

Откуда он берется и куда исчезает

4. Схема процессов чепменовского цикла образования и разрушения озона. Характерные времена процессов рядом со стрелками соответствуют высоте 30 км

Практически единственный источник озона в атмосфере — это молекулярный кислород, который под действием коротковолнового излучения фотодиссоциирует на атомы. Впервые механизм этого процесса предложил в начале 1930-х годов английский геофизик Чепмен (рис.4). Это была первая попытка объяснить, как образуется озоновый слой в атмосфере:

О + О₂ + М → О₃ + М (2),
где М — молекула азота или кислорода.

Этот процесс происходит на высоте более 30 км, поскольку ниже коротковолновое солнечное излучение не проникает (рис. 2). В результате молекулы озона и атомы кислорода появляются довольно высоко в атмосфере.

Гибель атмосферного озона происходит таким образом:
O₃ + hv → О + О₂ (3)

«Развалить» молекулу озона очень легко, для этого не нужно коротковолновое излучение. Поскольку связь атома О с молекулой О₂ в озоне слабая, то достаточно видимого света, чтобы молекула озона распалась на исходные составляющие. Надо отметить, что реакция (3) — основной поставщик атомов кислорода, так как ее скорость на всех высотах тропосферы (0—15 км) и стратосферы (15—55 км) на три и более порядков выше скорости реакции (1).

Из приведенной схемы видно, что если бы после образования озона можно было «выключить» Солнце, то накопленный озон сохранялся бы в атмосфере. Так оно в действительности и происходит: накопленный за день в стратосфере озон ночью не расходуется. Аналогичный механизм действует и в течение всего года. Он заключается в том, что образующийся в тропической стратосфере (где высок уровень коротковолнового УФ-излучения) озон, благодаря глобальной циркуляции, переносится к полюсам, где накапливается в течение полярной ночи. Поэтому во все времена года больше всего озона находится в высоких широтах (особую роль антарктической и арктической весенних озоновых дыр мы обсудим ниже), а его максимальная концентрация на всех широтах приходится на весну, что связано с накоплением озона в зимний период.

5. Высотное распределение озона. 90% всего озона сосредоточено в стратосфере, 10% — в тропосфере, частично в смоговых образованиях

В результате всех этих процессов образования и разрушения озона он распределяется на высоте так, как показано на рис.5. Видно, что больше всего озона находится на высоте 20-25 км, где его концентрация превышает 30 мПа, что соответствует примерно 1 молекуле озона на 100 000 молекул воздуха.

К механизму Чепмена нужно добавить еще две реакции, которые губят озон:

хотя в реакции (6) погибают атомы О, а не озон. Дело в том, что за время жизни О₃ происходит быстрое взаимное превращение между О₃ и О, образующих связанную систему частиц нечетного кислорода О_х = О₃+О. Поэтому озон погибает если гибнет любая из частиц О₃ или О.

Но именно реакция (4) — основной путь гибели нечетного кислорода. Этот выбор чрезвычайно важен. Ведь озон исчезает и по реакции О₃ + hv → О₂ + О. Однако в этом случае время жизни молекул озона на высоте 30 км было бы полчаса, а на высоте 15 км — двое суток, и перенос озона из тропиков к полюсам, который требует месяцев, был бы невозможен. Только приняв, что озон и атомарный кислород О (мы их рассматриваем как одну частицу О_х) погибают в реакции (4), можно правильно оценить равновесную концентрацию и атмосферное время жизни этих частиц. Более того, как мы увидим, действие всех остальных факторов — естественных и связанных с человеческой деятельностью — ускоряет исключительно эту реакцию.

Это ускорение связано с появлением более быстрых параллельных путей гибели нечетного кислорода:

где X = ОН, NO, CI, Вr, I.

Чрезвычайно важная особенность реакций с участием частиц X — их цепной характер. В простейшем случае этот механизм включает следующие стадии:

1. образование химически активных частиц X, ведущих цепь;

2. продолжение цепи X + О₃ -> ХО + О₂

Результат: О₃ + О -> О₂ + О₂
На этой стадии частицы X сохраняются, а О₃ и О погибают;

3. гибель частиц X.

Из приведенного набора частиц X, разрушающих озон, наиболее опасны соединения, содержащие хлор и бром. Именно эти вещества (фреоны и талоны) в XX веке человечество стало активно производить и выбрасывать в атмосферу. Несмотря на то что скорость появления атомов хлора из фреонов в стратосфере в миллионы раз меньше скорости образования молекул озона солнечным светом, один атом хлора может разрушить сотни тысяч молекул озона (!). И все благодаря цепной реакции (в этом случае длина цепи достигает сотен тысяч звеньев). Этот механизм разрушения стратосферного озона — уникальная особенность озонового слоя, не имеющая аналогов в газофазной химии атмосферы. Правда, такая уникальность сделала озоновый слой чрезвычайно чувствительным по отношению к антропогенным воздействиям. В результате человек чуть не разрушил то, благодаря чему он появился на Земле.

Фреоны и озоновые дыры

К счастью, такую возможность еще 25 лет тому назад предсказали американские ученые Ф. Шервуд Роуланд и Марио Молина, за что в 1995 году им присудили Нобелевские премии в области химии. Вслед за этим прогнозом были приняты Венская конвенция (1985 г.) и Монреальский протокол (1987 г.), запретившие производство озоноопасных веществ.

6. Тенденция изменения общего содержания озона с 1988 по 1997 год в ррт, выявленная по его среднемесячным значениям для периода с апреля по октябрь каждого года (Ozone Site-615, Preble Co.); ррт (part per million) — число молекул озона на миллион молекул воздуха

Сегодня концентрация озона на разных высотах и его общее количество (содержание в столбе атмосферы) стали заметно меньше, чем 50 лет назад. Как теперь надежно установлено, это — следствие появления в атмосфере галогенсодержащих соединений (главным образом, фреонов), которые широко применяли в промышленности и быту в последние десятилетия. Молекулы фреонов чрезвычайно устойчивы, и к тому же плохо растворяются в воде. Поэтому с поверхности Земли они беспрепятственно проходят тропосферу (первые 10-15 км) и в конце концов добираются до стратосферы, где находится 90% атмосферного озона. Правда, это долгое и сложное путешествие, поскольку фреоны, как и все другие соединения, могут попасть в стратосферу с поверхности Земли лишь с тропическими конвективными потоками. Поэтому сначала им нужно добраться до тропиков, что занимает около месяца. Конвекция до высоты 10-15 км требует дней и даже часов, но чтобы подняться на высоту 35 км, нужно 15 лет. Из этого следует, что повлиять на озоновый слой могут лишь те соединения, время жизни которых в атмосфере превышает несколько десятков лет. Поэтому окислы азота, выбрасываемые у поверхности Земли, никакого влияния на стратосферный озон оказать не могут (время их жизни равно нескольким дням). А фреоны, живущие 50 и более лет, способны разрушать стратосферный озон. На высоте более 30 км под действием солнечного ультрафиолетового излучения фреоны разлагаются, высвобождая атомы хлора, которые цепным образом разрушают озон по уже известному механизму. Именно фреоны, содержание которых в атмосфере увеличилось в последние десятилетия, истощили озоновый слой. На рис.6 видно, что с 1988 по 1997 годы он стал меньше примерно на 13%.

7. Антарктическая весенняя озоновая дыра 6 октября 1987 года (данные NASA). В центре видны контуры Антарктиды

Однако наиболее яркое проявление антропогенного воздействия на озоновый слой Земли — это антарктическая весенняя озоновая дыра (рис.7), в которой истощение озонового слоя составляет свыше 50 процентов. Это явление в 1985 году открыл английский геофизик Фарман, что стало полной неожиданностью для всех, кто занимается озоном. Ведь озоновая дыра обнаружилась, казалось бы, в совершенно «мертвой» зоне, где нормальный озон мог только сохраняться и накапливаться. И тем не менее дальнейшие наблюдения и исследования этого необычного явления убедили, что это — неизбежное следствие накопления в атмосфере разрушающих озон антропогенных веществ. Правда, здесь помогли и совершенно уникальные метеорологические условия, существующие только в антарктической стратосфере (рис.8).

8 . Механизм образования весенней озоновой дыры

Что же происходит? Холодной антарктической зимой, когда температура нижней стратосферы понижается до -80°С, холодный воздух начинает опускаться вниз, в результате чего под действием сил Корриолиса на высотах 15-20 км образуется полярный вихрь, изолирующий воздух внутри вихря от остального пространства. В этих условиях формируются стратосферные полярные облака, частицы которых включают молекулы воды и азотной кислоты. На поверхности этих частиц протекают реакции, в результате которых из малоактивных, достаточно устойчивых соединений хлора (HCI, CIONO ₂ ) образуются малоустойчивые молекулы Сl ₂ и HOCl. Эти соединения накапливаются в течение всей зимы. А с восходом солнца, в начале весны эти молекулы легко разрушаются солнечным светом, в результате чего образуются активные частицы хлора, разрушающие озон цепным путем. Поскольку вихрь еще существует и обмена с соседними, богатыми озоном областями стратосферы не происходит, внутри вихря озон практически полностью уничтожается. Потом воздух разогревается, вихрь распадается, и остатки дыры расползаются по Южному полушарию. Размеры этих остатков могут быть весьма внушительны, если учесть, что площадь дыры в четыре раза больше площади Европы и лишь немногим уступает площади Азии и Африки.

На первый взгляд кажется, что антарктическая озоновая дыра не представляет особой угрозы для окружающей среды и человека. Однако это не так. Не считая того, что остатки дыры по площади могут превосходить Австралию и создавать хотя и временные, но существенные повышения уровня УФ-излучения на поверхности земли, уже сейчас есть данные о том, что такой же гетерогенный аэрозольный механизм разрушения антарктического озона работает и в средних широтах. Если количество парниковых газов в атмосфере будет и дальше увеличиваться, то стратосфера будет охлаждаться и в средних широтах могут возникнуть «антарктические» метеорологические условия. И тогда дыра может оказаться и над головами жителей средних широт. Частично это уже происходит, поскольку в арктической стратосфере весной существенно понижается общее содержание озона, связанное с теми же антропогенными причинами. Следы же распадающейся арктической озоновой дыры уже наблюдали и в Санкт-Петербурге, и в Москве.

Все не так плохо

Итак, выброс галогенсодержащих антропогенных соединений в атмосферу вызвал заметные изменения озонового слоя на всех широтах и экстремальные изменения в полярных областях. Эти изменения зафиксированы разнообразными методами мониторинга озонового слоя, причем по мере его истощения рос уровень ультрафиолетового излучения на земной поверхности. Так что прогноз 25-летней давности о том, что под влиянием антропогенных факторов истощится озоновый слой со всеми вытекающими отсюда последствиями, полностью подтвердился.

Именно понимание сути дела и принятые меры, о которых говорилось выше, позволили остановить губительное воздействие на озоновый слой и создать условия для восстановления «дофреонового» уровня. Темпы восстановления (при соблюдении всех поправок к Монреальскому протоколу) зависят от накопленных в атмосфере разрушающих озон соединений и их атмосферных времен жизни, которые составляют десятки и даже сотни лет. Расчеты показывают, что процесс восстановления будет происходить в течение XXI столетия, причем к его середине уровень восстановления может составить 80- 90%.

В принципе можно считать, что проблема озонового слоя XX столетия решена — его восстановление уже началось. Но теперь есть другие опасения: в XXI веке из-за роста парникового эффекта восстановленный озоновый слой может стать толще, чем он был до начала своего истощения. Предварительные оценки показывают, что при бесконтрольном выбросе в атмосферу таких парниковых газов, как СО₂, метан, закись азота и др., которые нагревают тропосферу и охлаждают стратосферу, это вполне вероятное событие. В этом случае уровень УФ-излучения по сравнению с привычной нормой уменьшится, что грозит появлением ультрафиолетового голодания и другими экологическими неприятностями, которые еще предстоит изучить.

Время жизни соединения — это время, за которое его содержание в атмосфере уменьшается в е раз (в 2,7 раза)

1 единица Добсона (Д.Е.) равна 0,01 мм толщины слоя, который получается, если сжать весь озон, содержащийся в атмосфере, до давления 1 атм. при Т=0°С

Озоновый слой

Озоновый слой (ozone layer) — это часть земной атмосферы с наибольшей концентрацией озона. Она поглощает значительную часть ультрафиолетового излучения Солнца, защищая от него жизнь на поверхности Земли. Наличие озонового слоя — один из главных факторов существования на Земле высокоразвитых форм жизни.

Как устроен озоновый слой

Озоновый слой открыли французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон в 1912 году путем спектроскопических измерений. Расположен он в стратосфере на высотах от 15 до 30 км: в тропиках на высоте 25-30 км, в умеренных широтах — 20-25 км, в полярных — 15-20 км. Механизм образования озона в атмосфере первым описал британский геофизик и астроном Сидни Чепмен в 1930 году. Молекулы озона (O₃) состоят из трех атомов кислорода, и образуются после «распадания» (диссоциации) молекул кислорода (O₂) под воздействием солнечного излучения.

Озоновый слой поглощает разрушительную для живых клеток часть ультрафиолетового излучения (спектр с длиной волн 100-280 нм). Менее опасная для жизни часть ультрафиолета (с длиной волн 280-315 нм) также поглощается озоном, но не полностью: до нас добирается несколько процентов, которые вызывают загар и рак кожи. Остальная часть ультрафиолета, безопасная и ближайшая к видимому свету (с длиной волн 315-400 нм) практически не поглощается.

Откуда берутся озоновые дыры

Общее снижение концентрации озона, порядка нескольких процентов, начали регистрировать в конце 1970-х годов. Его вызвало накопление в атмосфере хлорфторуглеродов, галонов и других газов, которые широко использовались, например, в качестве хладагентов для холодильников и кондиционеров, а также как распылители в аэрозольных баллончиках и противопожарных средствах. Эти вещества вступают в реакцию с озоном и способствуют распаду его молекул. По данным ООН, в 1987 году суммарный объем выбросов озоноразрушающих веществ составлял около 10 гигатонн эквивалента углекислого газа.

Озоновыми дырами называют локальные области озонового слоя со значительным падением концентрации озона. Первую и крупнейшую озоновую дыру обнаружили в 1985 году над Антарктидой британские метеорологи Джон Шанклин, Джо Фармен и геофизик Брайан Гардинер. Каждый год антарктическая дыра появляется в августе — сентябре и исчезает к ноябрю — декабрю. По данным НАСА, с 1988 по 2000 год ее площадь увеличилась с 13,8 млн кв. км до 29,9 млн кв. км (максимальное значение за время наблюдений), а в 2018-м составляла 22,8 млн кв. км. В Северном полушарии, над Арктикой осенью и зимой временами также образуются небольшие озоновые дыры площадью до 2 млн кв. км, но они существуют не более семи суток.

Над полюсами самые крупные дыры появляются потому, что во время полярных ночей в отсутствие солнечного света перестает вырабатываться новый озон, а накопленный прежде быстро разрушается под воздействием антропогенных газов.

Как мир борется с разрушением озонового слоя

22 марта 1985 года была принята Венская конвенция об охране озонового слоя. Ее рамочный характер не предусматривал конкретных действий со стороны присоединившихся к ней стран. 16 сентября 1987 года был принят Монреальский протокол к этой конвенции, обязавший страны поэтапно прекратить производство почти 100 химических веществ, в том числе наиболее опасных — галонов, хлорфторуглеродов и гидрохлорфторуглеродов. Окончательно вывести их из применения в развитых странах предполагается к 2030 году, в развивающихся — к 2040-му. Документ вступил в силу в 1989 году, его участниками являются 193 государства — члена ООН, а также Евросоюз, Ватикан, Ниуэ, Острова Кука и Палестина.

По данным ООН, благодаря Монреальскому протоколу и четырем поправкам к нему (приняты в 1990, 1992, 1997 и 1999 годах), к 2015 году общие выбросы озоноразрушающих веществ снизились более чем на 90%. Согласно Всемирной метеорологической организации от 2018 года, с 2000-го озоновый слой восстанавливался со скоростью 1-3% в десятилетие. При сохранении этих темпов, над Северным полушарием он полностью восстановится к 2030 году, над Южным — к 2050-му, а над полярными регионами — к 2060-му. Новые поправки к протоколу продолжают приниматься до сих пор: в октябре 2016-го в Кигали (Руанда) подписали пятую, предусматривающую снижение выбросов гидрофторуглеродов. Она вступила в силу 1 января 2019 года.