Жердің озонды қалқаны

   Жерді күн сәулелерінен  қорғай отырып озон оның салқындап  кетуінен қорғап, «парникті» эффект тудырады.

   Озон маңыздылығын бір  сөзбен озон жоқ болса, тіршілікте  жоқ болған еді деуге болады.

    

2.1. Атмосфера биіктігінде озонды анықтау әдістері.

 

Жер атмосферасында озон мөлшері 1 атм қысым мен 273°С температурадағы қалыңдығы бойынша өлшенеді. Бұл қабат шамамен 0,3см-ге тең деп есептеледі. Алайда озон мөлшерін сипаттаудың басқа әдістері бар. Мысалы, озонның парциалдық тығыздығы (ρ3), микрограмм 1 куб метрге есептеледі (1мкг = 10-6г).

   Озонның парциалдық қысым, нанобар бойынша есептеледі (1 нбар = 10-9 бар). Озон тығыздығының ауа тығыздығына қатынасы (ρв), r3 = ρ3/ρв  шамасы шексіз мөлшермен есептеледі.

   Бұл қабылданғандар метрология  мен физикада атмосфера мәні  оның сипаттау мәніне тікелей  байланысты, яғни химияда парциальды көлем немесе қысым, немесе, концентрациямен есептеледі.

   Қазіргі кезде озонограмма  деп алатын шамалар қолданылады. Онда абсцисса өсінде озон  қысымының мәні, ал ордината өсінде  – жалпы қысым белгіленеді. Басқа жағдайда бұдан басқа бірліктерді қолданады.

   Ал атмосферадағы озон  мөлшерін қалай анықтайды.

   Ол үшін 2 әдісі бар: жер  бетіндегі бақылаулар мен ұшатын  аппараттар мен бақылау.

   Жер бетіндегі әдіске  негізінен оптикалық әдістер  жатады. Мынадай аспаптар бар: )мысалы: Добсонның спектрофотометрі), онда озон сіңіру

-27-

немесе шығару спектрлерімен анықталады.

  Добсонның спектрофотометрі  озонды тікелей күн сәулесі  бақыланады және Айдың жарық  сәулесі мен аспанның шашыраған  сәулесі бойынша өлшейді.

  Айэрозольды жоғалтуларды азайту  үшін озонды жоғары таулардан бақылауға болады.

   Өлшеу құралдарына тәуелсіз  мынадай жер әдістері қолданылады. Ол Ламберт – Бэр заңына бағынады.

                               Jλ = Joλ · 10 – (αχμ + βm+δm).

Мұндағы Jλ мен Joλ – λ толқын ұзындығы бар Жер бетіндегі және атмосфера 

                                     шегіндегі жарықтың интенсивтілігі;

                              α – озонды сіңіру коэффициенті (λ толқын ұзындығы

                                     үшін);

                               χ – озон қабатының қалыңдығы;

                              β – жарықтың ауамен таралу коэффициенті;

                               δ – жарықтың аэрозольдармен таралу коэффициенті;

                 m және μ – ауа массалары, яғни салыстырмалы атмосфера мен

                                     озонның оптикалық қалыңдықтары.    

   1.Бұл әдістің кейбір қысқартулары бар мысалы сызықтық анализ әдісі, онда ықтималдықтар m = μ және δ = 0 болады.

   2. Жарықтың салыстырмалы  интенсивтілігінің 2 толқын ұзындығы  бойынша өлшену әдісі.

   3. Аз толқын ұзындық әдісі.

   4. Спектрдің көрінетін бөліктерін  анықтау әдісі.

   5. Зениттегі ашық аспанды  бақылап, озонның жалпы мөлшерін  анықтау.

   6. Зениттегі бұлттанған  аспан, Ай мен Жұлдыз жарығы бойынша озон мөлшерін анықтау.

   Қазір ең кем дегенде үш биіктік әдісі қолданылады.

   Кең таралғаны озондызондтар. Бірінші озондызонд 1934 жыл Регенер ағайындылары бойынша жіберілді. Озонозонд дегеніміз ішінде сутегі бар баллон,оны спектрограф көтеріп тұрады. Оптикалық озондызондтан басқа да озондызондтар, мысалы электрохимиялық және хемилюминесцентті

-28-

озондызондтар қолданылады.

   Электрохимиялық озондызондта анализ жасалады, онда иод түзіледі, яғни иодты калийге озон әрекеттеседі. Ал хемилюминесцентті озондызондтарда люминесцирлеуші зат қолданады, яғни озон әрекетіне негізделеді.

   Озонды бақылау спутниктер  көмегімен жүргізілді. Мысалы кеңестік «Космос - 65» және «Космос - 121» спутниктерінің көмегімен әртүрлі биіктіктегі озон қабаттары туралы ақпараттар алынды.

       

2.2. Озонның уақытша және кеңінен таралуы.

 

   Озон жер шарына тең мөлшерде таралған және концентрациясы уақыт бойынша тұрақты. Озонның уақыты бойынша, ендік бойынша және сонымен қатар биіктігі бойынша таралады.

   Тропикалық аймақта озон 26 айлық период бойынша озонның өзгеруі байқалады. 11 жылдық циклдегі озон туралы айтуға болады.

   Озонның тәуліктік таралуының тербелуі бар. Ол метерологиялық жағдайларға байланысты. Көбінесе түстен кейінгі озон мөлшері таңертеңнен көп болады. Ереже бойынша күндізгі және түнгі мөлшерінде азонның айырмашылығы жоқ.

   Жыл мезгіліне қарай озон  мөлшерінің өзгеруі тұрақты және  басқа атмосфералық құбылыстарға  байланысты емес. Озон мөлшері  көктемде максималды мәнге ие  болады, ал қыста минимум мөлшерге  жетеді. Бұл құбылыс солтүстік жартышарда жақсы, оңтүстік жартышарда нашар байқалады.

   Географиялық жағдайына  және ендік бойынша (сурет 3) картада  озон мөлшері көрсетілген. Картада  озонның бірдей мөлшерінің сызығы  көрсетілген, бұл мөлшер 103 рет артылған. (1 атм мен 0°С , бұл мөлшер Добсон бірлігі ДЕ деп аталған). Экваторда озон мөлшері картада көрсетілгендей (240 ДЕ) аз, ал полярлық ендікте, әсіресе солтүстік ендікті 400ДЕ құрайды. Озон бойлықта да таралған.

   Озонның биіктік бойынша таралуы өте қызық 4 суретте көрсетілгендей

-29-

озон концентрациясы 25км өтеді. Кейде екінші максимум 4км-де байқалады. Озонның мөлшері 70км-тең биіктікке артады.

   Озон қабатының биіктігі 24-27-ден 13-15 км-де ендіктің артуымен  кемиді. Озон мөлшері қабатта 260 ДЕ  –ден 400 ДЕ-ге артады.

   Озон мөлшері неге максимум болатынына соңынан тоқталамыз. Озонның Жердегі мөлшері туралы еске түсірейік Жердің деңгейінде озон мөлшері өте аз, ол 2-10ДЕ-ден аспайды. Алайда ол ауаның, атап айтқанда аэрозольдармен ластануына байланысты. Аэрозолдар, тотығуға қабілетті , ол озон мөлшерін азайтады. Көбінесе, бақылаулар, Лос-Анжелесте, озон мөлшері смог әсерінен артып кеткенін көрсетіп отыр. Озонның мөлшері атмосфераның төменгі қабаттарында метеорологиялық жағдайларға байланысты, мысалы найзағай озон мөлшерін шамамен 100 рет артатыны байқалған.

 

                   

                  2.3. Озонның атмосферада түзілу теориясы.

 

Атмосферада озонның синтезі мен ыдырауы күрделі процесс. Күрделілігі сол, ол атмосферада ауыспалы мінез көрсетеді.

   Біріншіден Күннің сәуле  шығаруы, тәулік және жыл мезгілі  бойынша өзгереді. Екіншіден, (қысқатолқынды) күннің қысқатолқынды сәулеленуінің  әсерінен оттегі мен озон молекулалары  атомдарға ыдырауы жүреді. Атомдар  бір-бірімен қосылуы мүмкін, мысалы  молекулярлы оттегі және озон. Озон: ұзынтолқынды сәуле әсерінен молекула және оттегі атомдарына ыдырайды.

   Процестің күрделенуінің  басқа да себептері бар.

   Біз тек бұл жерде тек  оттегі туралы айттық, ал атмосферада  сонымен қатар азот және басқа  газдар қоспасы бар. Азот молекуласының диссоциациясы немесе иондалуынан азот атомы немесе азот иондары түзіледі, олар басқа атомдармен қосылуы мүмкін.

   Бұл барлық процестер  ауаның күн сәулесімен сәулелену  арқылы, әртүрлі жылдамдықпен жарықтың  интенсивтілігіне байланысты өтеді. Атмосфера Жер өлкесінде болғанда, яғни түнде, процестер кері бағытта өтеді, яғни

-31-

тоқталады.

   Процестердің өзгеруі Жер  деңгейінің биіктігіне байланысты.

   Озонның фотохимиялық түзілуі  туралы алғашқы ойды Чепмен  айқан еді. Соңынан көптеген оқымыстылар оны жақсарту және тереңдетуге көп жұмыстар жасады.

   Белгілі кеңес оқымыстысы А.Х.Хргиан, физикада атмосфералық озон туралы көптеген зерттеулер жүргізді.

   Біріншіден, тек оттегі, екіншіден озонның түзілуі мен ыдырауы тепе-теңдігі түзіледі.

   Озонның түзілуі үшін оттегі атомдары қажет. Атомдар молекуланың фотохимиялық диссоциациясы нәтижесінде алынады:

                                               O2 + һν = 2 O.

Озонның биіктік бойына ендіктік таралуын, ол полярлық облыстарда қабаттары төмен әрі күшті болады.

   Тропикте озон қабаттары 24-27км биікте жатып 260ДЕ ретте болады, ал полярлық облыста ол 13-15км биіктікте, озон мөлшері 400 ДЕ болады. Кейде күрделі жағдай онда озон 2 қабатқа ие: біріншісі 19-21км, ал екіншісі 11-14км биіктікте болады.

   Озон қабаты тұрақты пайда  болады және бұзылады. Оттегі  атомдары үлкен биіктікте қысқа  толқынды сәулелену нәтижесінде  пайда болады. Түзілу процесі 20-25км  төменгі шекарада таралады. (4 суретті қара). Бұл қысымда атмосферада молекулярлы оттегі мен озоттың парциалды қысымы болады, реакцияда ауыр озон молекуласы түзіледі:

                                       O + O2 + М = O3 + М.

Ауыр озон одан төмен қарай қозғалады. Бір мезгілде ол ұзын толқынды сәулелену нәтижесінде ыдырайды:

                                        O3 + һν = О2 + O

Төменгі биіктерде озонның ыдырауы жоғары жиіліктегі сәулеленуден төмендеп және ұзын толқындар сақталады. Озонның ыдырауы кезінде молекулярлы және атомарлы оттегі түзіледі, барынша жеңіл бөлшектер озонмен салыстырғанда жоғары бағытталады.

-32-

 Осылайша тұрақты озон ағыны  төмен бағытталып, озон жаңбыры  сияқты болады. Есептеулер көрсеткендей  бұл озон тұнбалары жылына 3 · 109т. құрайды.

   Г.П.Гущин бұл стратосферадан трапосфераның ағыны озонның мөлшерінің өзгеруіне әкеледі. Қазаннан сәуірге дейін әлсіз күн радиациясы әсерінен озон мөлшері төменгі бөлікте артып, максимум сәуір айында байқалады. Ал керісінше күн радиациясы артқанда озон мөлшері төменгі бөлікте азаяды.

   Озонның науқандық өзгерісі  ендікке тәуелді өзгереді. Төменгі ендікте күн радиациясы көп емес, жоғары ендікте күн радиациясы суммасы күшті өзгереді және озонның жылдық мөлшері сәйкесті өзгереді.

 

     2.4. Атмосферадағы озон концентрациясына қоспа газдардың әсері.

   

   Атмосфера негізінен азот  пен оттегіден тұрады. Бұл негізгі газдардан басқа атмосфера құрамына аргон және кейбір табиғи тегі бар  газдар: СО2, Н2О, азот оксидтері бар. Одан басқа атмосфера құрамына мөлшері аз газдарда кіреді. Атмосферада одан басқа антропогенді текті газдар да бар.

   Атмосфера құрамына озон мөлшерінің әсерін қарастырайық.

   Озон түзілуі мен ыдырауына  азоттың рөлі өте жоғары. Бүкіләлемдік  Метерологиялық Ұйымдардың ұсыныстарында «озоттың толық циклы, стратосфера химиясындағы ролін» оқып үйрену керектігін айтқан еді. Жалпы азоттың фотохимиялық реакциялары өте көп, 50-ге жуық.

   Атмосфераның жоғарғы қабаттары (мезосфера және термосфера) азот  атомдарынан тұрады. Ал қысқа  толқынды сәулелер әсерінен оның  молекулалары ыдырайды.

   Озонның түзілуі атмосфераның  жоғарғы қабаттарында жүреді, шамамен 80км биіктікте, онда қысым 10-2 тор тең және онда молекулалар үш рет соқтығысу нәтижесінде түзіледі.

   Стратосферадан төменде  озон азот оксидтері көмегімен  түзіледі. Атмосферада негізінен (NO) және (NO2) азот оксидтері болады. Тропосферада азоттың оксидтерінің мөлшері жоғарыдан төмен қарай азаяды,

-34-

өйткені ол су буларымен әрекеттеседі.

   Стратосферада кері процесс, биіктеген сайын, азот оксидтерінің  мөлшері артады. Азот оксидтері  атмосферада күн сәулесінің әсерінен түзіледі. Өлшеулер көрсеткендей 28км биіктікте күннің шығуына қарай азот оксидтерінің концентрациясы 2 ретке артады.

   Азот оксидтерінің жалпы көлемінің атмосфераның жалпы көлеміне қатынасы 10-10 –нен 10-8 дейін өзгереді.

   Азот оксидтерінің озонның  түзілуі мен ыдырауына қандай әсері бар?

Мысалы, мынадай тізбекті реакция болады (азот оксидтерінің циклы)

                         NO2 + O => NO + O2                                 (9)  

                         NO + O3 => NO2 + O2                                 (10)  

Тізбекті реакция атомарлы оттегі мен озонның концентрациясын төмендетеді. Оның бұл реакцияға қатысуы яғни озонның түзілуіне қатысуы тізбек ұзындығына байланысты.

   Реакция лабораториялық  практикада белгілі. Азот оксидтері  атомарлы оттегі үшін реагент  ретінде кеңінен қолданылады:

                          NO + O => NO2 + һν                                  (11)  

   В.А.Тальрозе өзінің жұмыстары  атмосфералық озонның ыдырауына  оттегі, азот және галоидтардың  қатысуын қарастырады.

   Жалпы процеске қатысатын  барлық есептеулер төменде көрсетілген. Әдебиеттерде (9) және (10) реакциядан  басқа тағы бір цикл бар  екендігі қарастырылады.

                          NO + O3 => NO2 + O2                                 (10)

                          NO2 + O3 => NO3 + O2                               (12)