Озоновый слой - роль в атмосфере, как образуется и разрушается

Защита от космического излучения

Озоновый слой находится в атмосфере Земли и содержит относительно высокие концентрации О3. Он поглощает 93−99% солнечного ультрафиолетового излучения, которое потенциально угрожает жизни на планете, и расположен в нижней части стратосферы. Его толщина варьируется в зависимости от сезона и географического положения.

История открытия

Это явление было открыто в 1913 г. французскими физиками Шарлем Фарби и Анри Буассоном. Более детально его свойства исследованы британским метеорологом Дж. М. Б. Добсоном, который разработал простой спректрофотометр, использующийся для измерения содержания стратосферного газа с земли.

Между 1928 и 1958 гг. этот учёный создал всемирную сеть мониторинга. Она продолжает функционировать и по сей день, а «единица Добсона» названа в его честь и признана удобной мерой для оценки общего количества озона в верхней части колонны воздуха. С тех пор исследователи проделали большую работу для выяснения природы явления, а политики постарались на законодательном уровне затормозить разрушительные процессы в верхних слоях атмосферы.

Роль в развитии жизни на планете

Без стратосферного озона жизнь на планете не смогла бы достигнуть высокого уровня. Первая стадия развития одноклеточного организма требует бескислородной среды, и подходящие условия существовали на Земле более 3 миллиардов лет назад. По мере развития примитивные формы начали выделять в процессе жизнедеятельности незначительное количество кислорода в результате реакции фотосинтеза.

Накопление О2 в атмосфере привело к образованию озонового слоя в верхней части воздушного пространства. Этот защитный экран отфильтровывает повреждающее клетки входящее излучение ультрафиолетового спектра (УФ). Таким образом, благодаря именно этому явлению произошло формирование более совершенных организмов.

Химический процесс

Озоновый слой на самом деле таковым не является: молекулы О3 рассредоточены в атмосфере на расстоянии от 19 до 30 км от поверхности Земли. Их концентрация обычно составляет менее 10 частей на миллион. Озон образуется в стратосфере, когда ультрафиолетовое излучение Солнца попадает на молекулы кислорода О2 и вызывает расщепление двух атомов кислорода. При столкновении одного свободного атома с О2 образуется озон (О3). Этот процесс известен как фотолиз. Вещество также естественным образом разрушается в стратосфере солнечным светом и химической реакцией с различными соединениями, содержащими:

• азот;
• водород;
• хлор.

В незначительных количествах образуется в приземном слое в качестве реакции химических соединений с солнечным светом, является компонентом смога и может быть вредным для здоровья человека.

Хотя оба вида озона содержат одни и те же молекулы, их присутствие в отдельных частях атмосферы имеет очень разные последствия:

• Стратосферный слой блокирует вредную для живых существ солнечную радиацию.
• Приземный слой является просто фактором загрязнения. Он поглощает некоторую часть излучения, но не может компенсировать разрушение озонового слоя в стратосфере.

N, H и Cl в природе встречаются в очень небольших количествах. В незагрязнённой атмосфере существует баланс между численностью образующего и разрушающегося озона. В результате общая концентрация остаётся постоянной. При разных температурах и давлениях скорость образования и разрушения отличается.

Озон имеет следующие особенности:

• бесцветный газ с резким запахом;
• встречается гораздо реже, чем О2;
• из миллиона молекул воздуха озоном являются не больше десяти.

Значительная часть находится над экватором, где уровень УФ является наибольшим. Ветрами он переносится в направлении более высоких широт. Следовательно, количество газа над разными регионами Земли изменяется естественным образом в зависимости от широты, климата и времени года ежедневно. В нормальных условиях самые высокие значения наблюдаются над канадской Арктикой и Сибирью, а низкие — в районе экватора.

Стратосферная аномалия

В средствах массовой информации и многих книгах термин «озоновая дыра» часто используется слишком свободно для описания любого эпизода разрушения О3, независимо от того, насколько этот процесс значителен. К сожалению, это неаккуратное обращение с фактами упрощает проблему и стирает важное различие между огромными потерями озона в полярных областях и менее значительными в других регионах мира.

Технически этот термин должен применяться в тех случаях, когда истощение стратосферного О3 настолько велико, что его уровень падает ниже 200 единиц Добсона (д.е.). Нормальная концентрация составляет от 300 до 350 д. е. Такая потеря каждую весну происходит над Антарктидой и в меньшей степени над Арктикой, где особые метеорологические условия и очень низкие температуры воздуха усиливают разрушение озона искусственными химическими веществами.

Обнаруженное в 1980-х гг. истощение над Южным полюсом оказалось настолько значительным, что измеривший его британский геофизик Джо Фарман заподозрил неисправность спектрофотометра и отправил устройство в ремонт. Как только появились повторные данные, существование аномалии было подтверждено.

Благодаря предоставленным НАСА спутниковым снимкам, учёные неоднократно наблюдали большое количество химических веществ в атмосфере над Антарктидой.

Причины разрушения

Исчезновение озона происходит тогда, когда естественный баланс между выработкой и разрушением склоняется в пользу последнего. Хотя природные явления могут вызывать временную потерю О3, хлор и бром, выделяющиеся из искусственных соединений, сейчас считаются основной причиной истощения.

Впервые на это обратили внимание общественности М. Молина и С. Роуланд в 1974 г. Они обнаружили, что группа химических соединений, известная как хлорфторуглероды (ХФУ), является основным источником разрушения защитного слоя. Однако это сообщение не было принято всерьёз до открытия озоновой дыры над Антарктидой в 1985 г. Проблема в том, что ХФУ не «вымываются» обратно на землю дождями и не разрушаются в результате реакций с другими веществами, а остаются в атмосфере от 20 до 120 лет и даже дольше.

Постепенно они попадают в стратосферу, где в итоге разрушаются ультрафиолетом, высвобождая свободный хлор. Последний активно вовлекается в процесс разложения О3. Конечным результатом становится то, что две молекулы озона заменяются тремя молекулами кислорода, и хлор высвобождается для повторения реакции:

• CL + O3 = CLO + O2;
• CL + O = CL + O2.

Озон превращается в кислород, оставляя атом хлора свободно повторять процесс до 100 тысяч раз, что приводит к снижению уровня О3. На выбросы ХФУ приходится 80% общего уменьшения количества атмосферного озона. Природный хлор способствует тем же процессам, но имеет более короткий цикл.

Современные исследования, проведённые в США, выявили новую опасность: будущее разрушение озона от нерегулируемых запусков ракет в итоге превысит показатели потерь из-за всех остальных факторов. Университет аэронавтики им. Эмбри-Риддла представил анализ рынка для оценки будущего истощения на основе ожидаемого роста космической отрасли и различных последствий запусков. Высокореактивные молекулы микроэлементов, известные как радикалы, доминируют в разрушении защищающие функции стратосферного О3. Один радикал здесь может погубить до 10 тыс. молекул озона до его деактивации и удаления из атмосферы.

Воздействие на человека и природу

Повышенное проникновение солнечного ультрафиолетового излучения оказывает глубокое воздействие на здоровье человека. Оно потенциально может способствовать таким заболеваниям:

• повреждение роговицы и хрусталика глаза;
• инфекции, вызванные ослаблением иммунитета;
• немеланомный рак кожи.

Известно, что УФ лучи влияют на физиологические процессы у растений, приводя к мутациям и изменению видового состава. Это нарушает биологическое разнообразие в экосистемах, а также косвенно влияет на растительное сообщество, приводя к изменениям формы и вторичному метаболизму. Всё это может иметь важные последствия для конкурентного природного баланса.

Увеличение солнечного ультрафиолетового излучения оказывает влияние на биогеохимические циклы на суше и в воде, что приводит к изменению как источников, так и поглотителей парниковых газов (диоксид углерода CO2, монооксид углерода СО, карбонилсульфид COS и т. д. ) Эти трансформации способствуют обратной связи между биосферой и атмосферой. Другие эффекты включают:

• нарушения в росте и разложении растений;
• уменьшение роста планктона в верхних слоях океана;
• повышенная деградация растворённых в воде органических веществ;
• изменение выбросов важных атмосферных газов.

Меры по восстановлению

Значение озонового экрана для жизни на планете огромно, поэтому человечество уделяет много внимания его сохранению. Ожидается, что истощение О3, вызванное промышленными соединениями хлора и брома, постепенно исчезнет примерно к середине XXI века, поскольку в результате естественных процессов эти компоненты медленно удаляются из стратосферы. Такое экологическое достижение обусловлено международным соглашением о контроле за производством и использованием озоноразрушающих веществ, принятым в Монреале в 1987 г.

Без этого протокола продолжающееся применение ХФУ и других вредных соединений увеличило бы стратосферное содержание хлора и брома в 10 раз к середине 2050-х гг. по сравнению с их количеством в 1980 г. Напротив, в соответствии с действующими соглашениями, которые сокращают антропогенные выбросы, их чистые концентрации в тропосфере начали снижаться в 1995 г. При прочих постоянных условиях ожидается, что озоновый слой вернётся к нормальным значениям уже к середине следующего столетия.

Медленное восстановление связано, прежде всего, с необходимым для естественных процессов удалением из атмосферы чрезмерного содержания ХФУ. Это займёт от 50 до нескольких сотен лет. Развитые страны на своей территории строго следят за нарушением принятых норм и находят пути к взаимодействию.

Новейшие исследования

Сейчас появляется всё больше данных, подтверждающих теорию, согласно которой в разрушении озонового щита основную роль играет не солнечный свет, а космическое излучение (возникающие в космосе частицы энергии). Материалы, собранные за три последних десятилетия и охватывающие два полных 11-летних солнечных цикла, однозначно показывают временные корреляции между интенсивностью лучей и глобальным истощением озона.

Это открытие не только даёт новое направление исследованиям, но и противоречит общепринятой фотохимической теории, которая не может объяснить все наблюдения. Например, озоновые дыры сосредоточены над полюсами из-за магнитного поля планеты, где наибольшее количество электронов.

Озоновый слой предохраняет Землю от жёсткого солнечного излучения и способствует продолжению жизни на планете. Его состояние затрагивает всё человечество и давно стало темой как научных исследований, так и школьных презентаций. Дальнейшая работа в этом направлении нужна для общемирового понимания необходимости решения проблемы.