Озоновый слой

1.Введение.

Озон образуется в верхних слоях атмосферы из атомарного кислорода в результате химической реакции под влиянием солнечной радиации, вызывающей диссоциацию молекул кислорода. Слой озона удивительно тонок. Однако он надежно защищает нас, почти полностью поглощая опасные ультрафиолетовые лучи. Без него жизнь сохранилась бы лишь в глубинах вод (глубже 10 м) и в тех слоях почвы, куда не проникает солнечная радиация.

2.Роль и функции озонового слоя.

Роль озонового слоя в жизни планеты определяется тем, что озон является основным постоянным газовым компонентом атмосферы, способным поглощать ультрафиолетовое излучение. Озоновая молекула способна поглощать так же инфракрасное, то есть тепловое излучение. Поглощая солнечное излучение в указанных диапазонах озоновый слой формирует тепловую структуру атмосферы.  Особенность ее состоит в том, что температура воздуха в тропосфере на высоте 10 км падает до -50o С, а в стратосфере на уровне 35-40км она возрастает до 0o С и выше. Озоновый слой поглощает инфракрасное излучение в полосе 957 нм. Эта частота лежит вблизи максимума излучения Земли и перекрывает в значительной мере окно прозрачности атмосферы в диапазоне 800-1200нм. Через него в космос уходит до 17% земного тепла.

Озон – активный газ и может неблагоприятно действовать на человека. Обычно его концентрация в нижней атмосфере незначительна и он не оказывает вредного влияния на человека. Большие количества озона образуются в крупных городах с интенсивным движением автотранспорта в результате фотохимических превращений выхлопных газов автомашин.

Озон, также, регулирует жесткость космического излучения. Если этот газ хотя бы частично уничтожается, то, естественно жесткость излучения резко возрастает, а, следовательно, происходят реальные изменения растительного и животного мира.

Образно говоря, озоновый слой играет роль не экрана, а одеяла, которое укутывает Землю и, с одной стороны, закрывает доступ на ее поверхность ультрафиолетовому и инфракрасному излучению Солнца, а с другой- удерживает земное тепло от ухода в космическое пространство. Если толщина озонового «одеяла» будет меняться, а тем более в нем появятся дыры, это неизбежно приведет к аномальным изменениям энергетических потоков. Сказанное и определяет климатическую роль озонового слоя.

 

3.Механизм образования и разрушения О3 в естественных условиях.

Стратосферный озон содержится в атмосфере в ничтожных количествах. Приведенная к нормальным условиям толщина слоя озона составляет в среднем 3 мм или 300 единиц Добсона (еД). Фотохимическая теория образования и разрушения озона в стратосфере была сформулирована С. Чепменом в 1930 г. Суть ее выражают следующие реакции :

Первые две реакции цикла Чепмена объясняют образование озона. Лимитирующей стадией синтеза O3 является реакция (1), а разрушения - реакция (4), поэтому стационарное состояние может быть описано следующим кинетическим уравнением:

где I1 - константа скорости фотодиссоциации молекулярного кислорода. Глобальное распределение общего содержания озона (ОСО) очень неравномерно и находится в пределах примерно от 225 до 400-600 еД. Озон образуется преимущественно в верхней стратосфере над экваториальным поясом. Однако здесь же с наибольшей скоростью происходит его разрушение под действием коротковолновой солнечной радиации: время жизни молекул О3 над экватором на высотах около 40 км составляет примерно три часа. В нижней стратосфере, куда озон попадает с нисходящими потоками воздуха, время его жизни оказывается значительно большим, и он переносится с воздушными массами на большие расстояния. Из внешних факторов, влияющих на величину ОСО, следует упомянуть вариации солнечной активности. В ходе 11-летнего цикла приток УФ-радиации существенно изменяется, что сказывается на скорости образования озона.

4.Каталитические циклы

разрушения стратосферного озона

Проведенные в начале 1960-х гг. прямые измерения концентраций О3 в стратосфере дали значения, меньшие предсказываемых расчетами. В связи с этим встал вопрос о стоках озона, дополняющих процессы (3) и (4).

В результате теоретических и лабораторных исследований были выявлены некоторые однотипные реакции озона с участием радикальных частиц:

Как видно из приведенных уравнений, радикал Х играет роль катализатора, а процесс, описываемый реакциями (7) и (8), носит циклический характер. В зависимости от природы частиц Х выделяют несколько главных циклов распада озона, участники которых, объединенные в «семейства», представлены в табл. 1. Помимо непосредственно реагирующих с озоном радикалов Х, здесь приведены частицы, образование и сток которых влияют на эффективность того или иного цикла. Из всех этих циклов наибольший интерес с точки зрения антропогенного влияния на озоносферу представляют циклы хлора и брома, поскольку с ними прежде всего связывают опасность непреднамеренного разрушения стратосферного озона.

О лидирующей потенциальной роли атомов хлора в разрушении озона в сопоставлении с участниками других каталитических циклов можно судить по константам скоростей реакций их с озоном (при одинаковой температуре):

Табл.1

Природным предшественником активного хлора, способным проникать в стратосферу, является метилхлорид, который выделяется в больших количествах из морской воды, выбрасывается вулканами, а также образуется при горении биомассы. В условиях стратосферы метилхлорид разлагается с генерированием атомарного хлора. Следовательно, в верхних слоях атмосферы имеет место достаточно интенсивный сток атомарного хлора, который, взаимодействуя с различными химическими частицами (в стратосфере присутствуют HO2*и др.), образует HCl:

Хлористый водород называют «резервуарным газом», поскольку он не реагирует непосредственно с озоном. Но активный хлор может вновь высвобождаться в реакциях HCl с радикалами. Таким образом, разрушение стратосферного озона происходит с участием множества радикалов, предшественниками которых являются как природные компоненты, так и загрязняющие атмосферу антропогенные соединения. При этом отдельные циклы осуществляются не изолированно, а взаимодействуют между собой.

 

5.Антропогенное возмущение озонового слоя.

Всеобщее внимание к проблеме антропогенного воздействия на озоносферу Земли было привлечено после опубликования в середине 1974 г. статьи Молины и Роуленда, в которой излагалась гипотеза об участии в разрушении стратосферного озона хлорфторуглеродов (chlorofluorocarbons, CFC). Основные положения этой гипотезы можно сформулировать в форме следующих тезисов.

1. CFC являются исключительно антропогенными  загрязняющими компонентами, природные  источники этих соединений отсутствуют.

2. В условиях тропосферы CFC очень  устойчивы и не подвергаются каким-либо процессам разложения. Единственным путем удаления - стоком для них оказывается медленный перенос в стратосферу.

3. В стратосфере CFC подвергаются  разложению под действием УФ  радиации Солнца с выделением  атомов хлора, которые атакуют  молекулы озона, разрушают их и образуют радикал ClO. Последний взаимодействует с возникающим при фотолизе молекул О2 атомарным кислородом, в результате чего вновь образуется активный хлор. Таким образом, атомы хлора выполняют роль катализатора, поскольку они не расходуются в процессе, в общем виде описываемом следующими уравнениями реакций:

4. Обусловленное этими процессами  уменьшение содержания озона  в стратосфере приведет к увеличению  уровня опасной УФ- радиации (285-315 нм) у земной поверхности.

6.Озоноразрушающие соединения, их источники, характерные времена жизни и стоки.

Хлорфторуглероды, впервые полученные в 1892 г. бельгийским химиком Ф. Свартсом, нашли практическое применение после того как в 1928 г. работавший в химической корпорации «Дю Пон де Немур» химик Т. Мидгли мл. предложил использовать эти соединения, запатентованные корпорацией под названием «фреоны»,в качестве хладагентов. Впоследствии сфера использования CFC расширилась. Широкому применению CFC обязаны уникальным сочетанием свойств. Они обладают высокой теплоемкостью, не горючи и не токсичны, т.е. практически безопасны в быту. В 1976-1993 гг. для заполнения аэрозольных упаковок, содержащих лекарственные препараты, косметические средства, инсектициды и краски, было израсходовано около 30% произведенных CFCl3 и CF2Cl2. В холодильных установках и кондиционерах нашли применение около 9% CFCl3 и 52% CF2Cl2. Хлорфторуглероды ряда этана (фреоны CFC-113, -114 и -115) использовали главным образом для обезжиривания различных поверхностей и материалов.

В силу специфики технического использования большая часть хлорфторуглеродов очень быстро попадает в атмосферу (до 90% их поступает в атмосферу в течение 1.2 лет после производства). До 1 января

1994 г. было произведено 8,523 млн. т CFCl3 и 11,061 млн. т CF2Cl2. Высказывалось мнение, что практически все это количество фреонов рано или поздно окажется в атмосфере и в результате циркуляционных

процессов значительная часть CFC, перейдет в стратосферу.

Из табл.2, в которой приведены фоновые концентрации некоторых галогенуглеродов и галогенуглеводородов и тренды содержания на 1995 г., видно, что главным хлорсодержащим компонентом земной атмосферы является метилхлорид, имеющий, в основном, природное происхождение. Относительно долгоживущий метилхлорид частично проникает в стратосферу, где встречается на высоте до 35 км.

Характерной особенностью распределения большинства короткоживущих компонентов является значительный широтный градиент концентраций. Самый большой градиент наблюдается для три- и тетрахлорэтилена, тогда как для долгоживущих ССl4 и CFC он составляет всего лишь несколько процентов. Изучение вертикального распределения галогенуглеводородов в тропосфере показало слабую зависимость концентрации большинства из них от высоты. Наиболее резкое изменение концентраций происходит в сравнительно тонком слое тропопаузы и в нижних слоях стратосферы.

Табл.2

7.Озоновые «дыры», причины их формирования.

Значительные колебания общего содержания озона могут обусловливаться причинами, не зависящими от хозяйственной деятельности человека. К их числу относятся гетерогенные процессы, роль которых выяснилась при попытке объяснения феномена «озоновой дыры», образующейся над Антарктидой и прилегающими к ней территориями. Суть его заключается в том, что зимой в Южном полушарии происходит постепенное, а в начале весны более быстрое уменьшение общего содержания озона, обычно достигающее в октябре 30-50% от среднегодового. Затем в середине весны общее содержание О3 в стратосфере быстро восстанавливается до нормального уровня. Ни одна из созданных к середине 1980-х гг. радиационно-фотохимических моделей не предсказывала возможности такого явления.

В настоящее время сложилось представление о том, что озоновая дыра возникает вследствие уникальных особенностей динамики потоков и физико-химических процессов, отличающих стратосферу Антарктиды от других слоев атмосферы в других регионах планеты. К ним прежде всего относится зимний циркумполярный вихрь, изолирующий атмосферу над Антарктидой от других частей стратосферы. Вследствие этого в зимний период в антарктическую стратосферу не поступает воздух из низких широт, и, следовательно, не восполняется естественная убыль озона внутри вихря.

Другая особенность антарктической стратосферы, с которой связывают образование озоновой дыры, заключается в аномально низкой зимней температуре: в нижних ее слоях в ночные часы температура обычно бывает

ниже 195 К. В этих условиях образуются так называемые «полярные стратосферные облака» (ПСО). Период таких низких температур и существования ПСО над Антарктидой может достигать пяти месяцев в году. Зимой в экстремально холодной стратосфере резко уменьшается содержание оксидов азота и водяного пара. Такая «денитрификация» и «дегидратация» происходит на фоне очень высокой концентрации частиц ClO: внутри вихря в середине полярной зимы концентрации этого компонента могут быть примерно в десять раз больше, чем за его «стенками». Считается, что роль ПСО заключается в захвате ледяными кристаллами одного из компонентов азотного цикла.

Весной циркумполярный вихрь быстро разрушается на сегменты, которые дрейфуют в направлении экватора. В целом температура в стратосфере над Антарктидой резко повышается и ПСО исчезают, высвобождая компоненты азотного цикла. Приток воздуха из низких широт ликвидирует дефицит озона над континентом. Следует учитывать также «естественную» гибель молекул озона на поверхности кристаллов льда ПСО.

В разработанной некоторыми группами западных исследователей «химической гипотезе» основная роль в разрушении стратосферного озона над Антарктидой отводится активным формам хлора, образующимся из

антропогенных хлорфторуглеродов CFCl3 и CF2Cl2. Однако в зимней стратосфере внутри вихря фотолитическая деструкция этих устойчивых соединений невозможна. Поэтому нельзя исключать наличие источника более легко распадающихся соединений хлора (и других компонентов, способных разрушать озон) на самом антарктическом континенте. Им могут быть действующие вулканы Антарктиды, прежде всего Эребус. Расположенный на 77,53° ю.ш. и 167,15° в.д. вулкан Эребус (его высота 3794 м над у.м.) относится к немногочисленным на Земле постоянно действующим вулканам. Его извержения с выбросами больших количеств газов обычно происходят несколько раз в сутки, а в отдельные периоды их частота становится гораздо большей.

Таким образом, аномально низкое содержание озона в зимне-весенний период над Антарктидой может быть связано с естественными причинами : формированием изолирующего полярного вихря, гетерогенным разрушением озона на поверхности частиц льда полярных стратосферных облаков и поступлением в антарктическую стратосферу вулканических газов с высоким содержанием предшественников озоноразрушающих соединений. О решающей роли динамических процессов в формировании озоновой дыры говорит тот факт, что после очень сильного снижения общего содержания О3 зимой 1987 г. (до 50% от среднегодового уровня) в 1988 г. озоновая дыра над Антарктидой практически не наблюдалась. Это объясняется тем, что в 1988 году циркумполярный вихрь имел аномально короткое время жизни.