Озоновий щит землі

ОЗОНОВИЙ ЩИТ ЗЕМЛІ

Історія вивчення озону не дуже тривала. Заслуга вікриття його шару належить фізикам із Франції: Ш. Фабрі та А. Б «юіссону, які в 1913 р. довели, що випромінювання Сонця з довжиною хвилі від 200 до 300 нм інтенсивно поглинається атмосферою Землі. Це було істотне досягнення, бо частина вчених тоді вважала, що ультрафіолетове випромінювання поверхні Сонця поглинається його власною атмосферою—протяжною газовою оболонкою, що оточує Сонце.

Який же дійсний вплив сонячного випромінювання на планету Земля?

Графік (спектр) випромінювання Сонця наведений на малюнку 3, де на горизонтальній осі в нанометрах (Ю «9 м) указані довжини електромагнітних хвиль, випромінюваних фотосферою Сонця. По вертикалі відкладена потужність, що припадає на одиницю перпендикулярної до сонячних променів поверхні, розташованої поза атмосферою нашої планети.

Існує велика відмінність у кількості енергії, яку випромінює Сонце в різних діапазонах довжин хвиль. Максимум випадає на видиме світло—той діапазон, до сприймання якого пристосоване око людини. Максимум чутливості вдень припадає на зелене світло, тобто на максимум у спектрі випромінювання Сонця. Лише в сутінках краще сприймається синє світло.

Промені великих довжин хвиль названі «інфрачервоними» чи тепловими, бо їх випромінюють усі тіла. що мають невисоку температуру. Такі промені йдуть і від людини (максимум випромінювання—майже 10 тис. нм), радіатора опалення, праски й усіх оточуючих нас тіл і предметів. Чимало живих істот, наприклад, змії, сприймають теплові промені й можуть успішно полювати в темряві.

Світло складається з окремих порцій енергії, тобто квантів або фотонів. Чим менша довжина електромагнітної хвилі фотона, тим більшою є його енергія, яка при поглинанні фотона будь-яким тілом переходить до його часточок. Вбирання інфрачервоних фотонів при малій енергії посилює коливання молекул, тобто зумовлює нагрівання тіл. Зовсім іншою виявляється дія на молекули ультрафіолетових фотонів, у яких мала довжина хвилі та велика енергія. Таке випромінювання не сприймається людським оком. Під час поглинання подібних фотонів молекула розщеплюється на частини, якщо енергія окремого фотона достатня для розриву зв «язків між ними. На малюнку 2 вказано, що таких променів небагато, а довжини їхніх хвиль коливаються від 1 до «100 нанометрів. До діапазону 290—400 нм належить ультрафіолет — А (УФ-А).

Фотони цього діапазону викликають засмагу шкіри, бо при поглинанні їх поверхнею нашого тіла відбуваються хімічні зміни молекул у клітинах. Малі дози такого опромінення корисні тим, що сприяють утворенню вітамінів групи Д. посилюючи імунітет.

Діапазон довжин хвиль від 280 до 315 нм відносять вже до ультрафіолету-В (УФ-В). Як помітно з малюнку 2, у цьому інтервалі довжин енергія випромінювання Сонця зменшується майже у 100 разів. Причина криється в тому, що Сонце має невисоку температуру поверхні і вибухові процеси на ньому мають слабку активність, тому фотонів із дуже великою енергією утворюється мало. Ця обставина у свій час сприяла виникненню й утвердженню життя на Землі.

Фотони діапазону УФ-В мають тільки трохи більшу енергію, ніж УФ-А, але ця невелика різниця є дуже важливою. Цього збільшення енергії достатньо, щоб розщепити молекули білків V клітинах на частини. Порушується діяльність клітин, різко збільшується можливість виникнення мутацій, більшість з яких, певно, матиме негативні наслідки. Подібна шкідлива дія на живі клітини ще більше притаманна фотонам із діапазону УФ-С, у яких довжина хвилі менша 280 нанометрів. Таких фотонів у сонячному промінні у тисячі разів менше, ніж фотонів діапазону УФ-А.

Існує велика відмінність у кількості енергії, яку випромінює Сонце в різних діапазонах довжин хвиль. Максимум випадає, як і слід було чекати, на видиме світло — той діапазон, до сприймання якого пристосоване око людини. Максимум чутливості вдень припадає на зелене світло, тобто на максимум у спектрі випромінювання Сонця. Лише в сутінках краще сприймається синє світло.

Промені великих довжин хвиль названі «інфрачервоними» чи тепловими, бо їх випромінюють усі тіла. що мають невисоку температуру. Такі промені йдуть і від людини (максимум випромінювання—майже 10 тис. нм), радіатора опалення, праски й усіх оточуючих нас тіл і предметів. Чимало живих істот, наприклад, змії, сприймають теплові промені й можуть успішно полювати в темряві.

До майже 90-кілометрової висоти склад повітря практично такий, як довкола нас: серед кожних 100 молекул є 78 молекул азоту (Мг), 21—кисню (Оз) та близько однієї аргону (Аг). Одна молекула вуглекислого газу припадає на З тисячі інших молекул повітря. Концентрація пари води часто перевищує концентрацію вуглекислого газу, а при великій вологості та теплій погоді вона може поступатися тільки кисню й азоту. Вміст усіх інших газів, у тому числі й озону, значно менший і коливається в різних місцях Землі та на різних висотах. Одна молекула озону в середньому припадаєна₂ млн інших молекул у повітрі. Саме «в середньому», бо розподіл озону по висоті виявляється дуже нерівномірним. Причина цього полягає в механізмі його утворення. Ультрафіолетові промені малої довжини поглинаються на висотах близько 90 км і вище. де з «являються вільні електрони та позитивно заряджені молекулярні іони. Так виникають шари земної іоносфери, які можуть проводити стр і відбивати радіохвилі певних діапазонів.

Ультрафіолетові фотони з довжиною хвилі 242 нм і м менше поглинаються переважно молекулами кисню, що ві до їх розпаду на два окремі атоми за реакцією.

О2+ фотон = О+О.

До висоти 20 чи ЗО км відбувається майже повне поглинання УФ-С киснем. Отже. утворення озону при потрійних зіткненнях, що описується рівнянням: О2+О+Х = О3+Х*, може відбуватися вже па висотах 60—90 кілометрів. Але через те, що густина повітря там дуже мал потрійні зіткнення не часті, швидкість утворення озону є великою. Так само незначна вона і на висотах 10—20 куди потрапляє надто мало УФ-С і кількість атомарного кисню виявляється мізерною. Отже, існує висота, де швидкість утворення озону найбільша: майже 50 км над поверхнею Землі.

Саме процес руйнації озону і є найбільш цінним для життя. Відносна нестійкість молекули озону зумовлює можливість її розпаду при поглинанні ультрафіолетових променів істотно більшої довжини хвилі від тих, що поглинаються киснем. Особливо інтенсивно молекули оз вбирають фотони з довжиною хвилі між 200 і 310 нм. Це дуже важливо, бо такі фотони порівняно слабо поглинаються іншими газами, що входять в атмосферу Землі. Саме шар озону служить щитом, він захищає все живе нашій планеті від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Розклад озону під впливом УФ-В — реакція зворотня реакції його утворення. Формується циклічний безперервний процес утворення — розпаду озону, що описується реакціями.

О2 + фотон 242 нм = О+ О,.

О + О2 + Х = О3+ X* (виділення тепла),.

Оз + фотон 200—310 нм = О2 + О,.

О + О + Х = О2 + Х* (виділення тепла).

Наслідком циклу є повиє відновлення початкових молекул, поглинання більшої частини ультрафіолетового випромінюваиня Сонця й перетворення ного в тепло. Саме цим пояснюється підвищення температури повітря над Землею БИШЄ 20 кілометрів. Найвища температура виявляється на висоті близько 50 км, тобто там. де швидкість утворення та розпаду озону є найбільшою. Саме на цих висотах у результаті озонового циклу виділяється багато тепла.

Поглинання озоном ультрафіолету-В — не єдиний варіант його розпаду. В циклі утворення та знищення озону включені й гази, що наявні у незначних кількостях у атмосфері Землі. Наведемо приклад одного з таких процесів, найістотнішого для незабрудненого повітря. У ньому беруть участь моноксид азоту Р^О та діоксид азоту МОг, які утворюються в незначних кількостях внаслідок процесів, що відбуваються в зоні іоносфери Землі.

Процес виявляється циклічним: озон реагує з моноксидом азоту і потім утворюються кисень і діоксид азоту. Останній приєднує (тимчасово) атомарний кисень і розпадається на двохатомну молекулу кисню та молекулу моноксиду азоту:

Оз+ NО = NО2 + О2,.

NO2 + О = NО + О2.

Результат — відновлення молекули моноксиду азоту та розклад молекул озону за такою спрощеною схемою Оз + О —> О2 + О2. Отже, молекула моноксиду азоту прискорює швидкість розпаду озону у стратосфері, не змінюючи свого хімічного стану. Тож моноксид азоту є каталізатором реакції розпаду озону в стратосфері Землі. До речі, не один лише моноксид азоту має такі властивості, про що йдеться далі.

Наслідком розглянутих вище процесів утворення та розпаду озону стає озоновий профіль атмосфери. Велика швидкість розпаду озону через поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця на висотах 40—90 км приводить до того, що максимальна його кількість спостерігається в межах 20—ЗО км, де число молекул в одному кубічному сантиметрі досягає 5 • 1012. При зменшенні висоти над рівнем моря густина озону зменшується, а середня кількість його молекул у кожному кубічному сантиметрі повітря біля поверхні Землі близька до 6 • 10 ". На перший погляд це здається досить великим числом. Насправді ж на рівні моря кожна молекула озону припадає на 25 млн інших молекул газів, що входять до складу атмосфери. Концентрація озону є найменшою внизу і чим вище він буде над рівнем, тим більше зростає (майже в 250 разів), досягаючи м мального значення в 10~5 на висоті 35 км. Там кожна з 100 тис. молекул — молекула озону, це теж не дуже багато. Хоч названий газ і має надлишкову енергію, але вона по собі не така вже й велика. При миттєвому розпаді озону на висотах його максимальної концентрації виділилася б така кількість енергії, якої вистачило б тільки на підвищення температури атмосфери в цій зоні на… 0,1 градуса. Велике ж підвищення температури повітря на цих висота пов «язане з виділенням за посередництвом озону енергії ультрафіолетової ділянки сонячного випромінювання.

Спостереження протягом десятиріччя за шаром озону переконують, що його середня товщина шару лишається практично сталою і лише в останні роки помітне повільне зменшення. А от його миттєва кількість над певним пунктом земної поверхні може змінюватися наполовину, а інколи й більше. Це пов «язано з горизонтальним переміщенням, підніманням або опусканням окремих повітряних мас з істотно різною концентрацією озону. Від однієї пори року до іншої кількість озону над певним місцем змінюється в межах 10%, а середньорічна залежить від активності Сонця. 1989 рік був роком максимальної активності останнього і найбільшої кількості озону в атмосфері нашої планети. Точні виміри кількості озону вимагають акуратності та численних вимірів у багатьох точках Землі. Яка ж загальна кількість озону в озоновому щиті? Надзвичайно мала: маса Оз= 3 — 5−10т.

За одиницю кількості озону над даним місцем земної поверхні умовилися брати шар озону товщиною 0,01 мм (10 мікрометрів). Ця одиниця названа «добсон» (Дб) на честь професора Оксфордського університету Добсона, який заслужив повагу наукової громадськості своїми багаторічними вимірюваннями характеристик озонового шару. Зі сказаного вище випливає, що середня кількість озону становить від 200 до 300 добсонів.