Озоновый слой

Озоновый слой в атмосфере

Абсорбция ультрафиолетового излучения озоновым слоем. По горизонтальной оси отложена концентрация озона в единицах Добсона (DU) на километр высоты. По вертикальной оси — высота в километрах. Показано также поглощение в трёх диапазонах ультрафиолета (см. текст)

Озо́новый слой — часть стратосферы на высоте от 20 до Шаблон:Nobr (в тропических широтах Шаблон:Nobr, в умеренных Шаблон:Nobr, в полярных Шаблон:Nobr) с наибольшим содержанием озона (вещества, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода, O₃), образующегося в результате воздействия УФ-излучения Солнца на молекулярный кислород (O₂). При распаде кислорода, атомы которого затем образуют озон, поглощается ближняя (к видимому свету) часть ультрафиолета солнечного спектра. Кроме того, диссоциация озона под воздействием ультрафиолетового излучения приводит к поглощению наиболее жёсткой его части.

Около 90 % атмосферного озона находится в стратосфере, главным образом на высоте от 20 до 40 км над поверхностью Земли. Его концентрация в стратосфере составляет от 2 до 8 частей на миллион. Общее количество озона в атмосфере таково, что если бы можно было весь его переместить на уровень моря и сконцентрировать до атмосферного давления при температуре 0 °C, он занял бы слой высотой всего Шаблон:Nobr (это соответствует Шаблон:Nobr, или 300×2,69×10¹⁶ молекул озона на квадратный сантиметр поверхности Земли). Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в Шаблон:Nobr. Озоновый слой поглощает от 97 до 99 % солнечного излучения в области длин волн от 200 до 315 нм.

Очень опасный ультрафиолет в диапазоне UV-c (Шаблон:Nobr) практически полностью поглощается кислородом (Шаблон:Nobr с образованием монокислорода и далее озона) и озоном (Шаблон:Nobr) в самых верхних слоях атмосферы, выше 35 км. Диапазон UV-b (Шаблон:Nobr), вызывающий загар и рак кожи, поглощается озоном почти полностью, до поверхности Земли доходит лишь несколько процентов, причём в длинноволновой части этого диапазона, тогда как на длине волны 290 нм коэффициент поглощения озонового слоя составляет 3,5×10⁸. Диапазон UV-a (Шаблон:Nobr), ближайший к видимому свету (Шаблон:Nobr), почти не поглощается (см. рис.).

Благодаря нагреванию воздуха вследствие поглощения озоном солнечных лучей возникает температурная инверсия, то есть повышение температуры с высотой. Таким образом, тропосфера и стратосфера разделяются тропопаузой и смешивание воздуха между этими слоями атмосферы затруднено.

Озоновый слой образовался в атмосфере Земли 1,85—0,85 млрд лет назад, когда в ней вследствие фотосинтеза накопилось достаточно кислорода. Лишь после образования озонового слоя жизнь (включая растения) смогла выйти из океанов; без этого высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы.

История открытия озонового слоя

Открывателями озонового слоя были французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон. В 1912 году им удалось с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы.

Благодаря данным ультрафиолетового спектрометра, работавшего на борту орбитального зонда Venus Express, астрономы обнаружили озоновый слой в атмосфере Венеры.

Механизм Чепмена

Механизм образования, а также расходования озона был предложен Сидни Чепменом в 1930 году и носит его имя.

Реакции образования озона:

${𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}𝗁\mathsf{\nu }\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖮\mathsf{:}$

${𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}𝖮\mathsf{:}\mathsf{\to }{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}$

Фотолиз молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны Шаблон:Nobr и до Шаблон:Nobr.

Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом:

${𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝗁\mathsf{\nu }\mathsf{\to }{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}𝖮\mathsf{:}$

${𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝖮\mathsf{:}\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}$

Пути гибели озона

Стратосферная химия озона

Кроме реакций, входящих в механизм Чепмена, имеется целый ряд других реакций, приводящих к гибели озона. Их все объединяют в несколько семейств, главными из которых является азотное, кислородное (из механизма Чепмена), водородное и галогеновое. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.

Азотный цикл (NO_x):

${𝖭}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{+}𝖮\mathsf{\cdot }\mathsf{(}{\mathrm{\Delta }}^{\mathrm{𝟣}}\mathsf{)}\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖭𝖮$

${𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝖭𝖮\mathsf{\to }𝖭{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}$

$𝖭{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}𝖮\mathsf{:}\mathsf{\to }𝖭𝖮\mathsf{+}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}$

Водородный цикл (HO_x):

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{+}𝖮\mathsf{:}\mathsf{\to }\mathrm{𝟤}𝖧𝖮\mathsf{\cdot }$

$𝖧𝖮\mathsf{\cdot }\mathsf{+}{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{\to }𝖧{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\cdot }\mathsf{+}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}$

$𝖧{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\cdot }\mathsf{+}{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{\to }𝖧𝖮\mathsf{\cdot }\mathsf{+}\mathrm{𝟤}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}$

Хлорный цикл (ClO_x):

$𝖢𝖥𝖢{𝗅}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝗁\mathsf{\nu }\mathsf{\to }𝖢𝖥𝖢{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\cdot }\mathsf{+}𝖢𝗅\mathsf{\cdot }$

$𝖢𝗅\mathsf{\cdot }\mathsf{+}{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{\to }𝖢𝗅𝖮\mathsf{\cdot }\mathsf{+}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}$

$𝖢𝗅𝖮\mathsf{\cdot }\mathsf{+}𝖮\mathsf{:}\mathsf{\to }𝖢𝗅\mathsf{\cdot }\mathsf{+}{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}$

Доля в расходовании озона различных химических семейств на разных высотах:

Давление, гПа	азотное	кислородное	водородное	галогеновое
1,31	0,10	0,26	0,41	0,21
3,78	0,50	0,14	0,11	0,25
8,93	0,68	0,11	0,08	0,13
21,9	0,46	0,12	0,19	0,20
55,8	0,12	0,03	0,48	0,14

Доля галогенового пути распада стратосферного озона увеличилась в результате деятельности человека, что привело к возникновению озоновых дыр. Генеральная ассамблея ООН в 1994 году провозгласила 16 сентября ежегодным Международным днём охраны озонового слоя.

Единица измерения толщины озонового слоя

Единицей измерения толщины озонового слоя служит единица Добсона (DU).

См. также

• Озоновая дыра
• Монреальский протокол
• Международный день охраны озонового слоя
• Нулевой цикл (химия атмосферы)

Ссылки

• Озоновый слой Земли. Шаблон:Wayback
• Химия озонового слоя. Шаблон:Wayback

Статьи и обзоры

• Озон в атмосфере. Озоновый слой — ультрафиолетовый щит Земли
• Химия и алхимия озонового слоя Шаблон:Wayback
• Охрана озонового слоя в мире

Международные соглашения

• Венская конвенция об охране озонового слоя
• Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой