Озон, озоносфера, «озоновая дыра»

Что такое озон?Озон это одна из форм существования молекулы кислорода, иначе — аллотропная модификация. Аллотропией называют явление, когда одно и то же простое вещество может образовывать молекулы разной структуры, сильно отличающиеся по физическим и химическим свойствам. Наиболее известный пример — углерод, который существует в форме графита, алмаза, аморфной форме, карбина, фуллерена, нанотрубок и других. Все эти формы состоят из одного только углерода, однако атомы в молекулах соединены различными способами. Так же обычный молекулярный кислород и озон состоят из одного элемента (кислорода). Молекула обычного (молекулярного) кислорода состоит из двух атомов, озона — из трёх.Почему важен озон в атмосфере Земли? Атмосферный озон полностью поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца в диапазоне от 220 до 290 нанометров. Это так называемое жёсткое ультрафиолетовое излучение, особо вредное для белковых структур. Переизбыток даже более «мягкого» ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли (излучение с длиной волны от 280 до 315 нанометров) вызывает серьёзные ожоги (в т.ч. ожоги глаз) и раковые заболевания, а так же вреден для растительности, но если бы озон не задерживал более коротковолновое излучение белковая жизнь на освещённой Солнцем стороне была бы совершенно невозможна. Кроме того, озон поглощает и инфракрасное излучение, препятствуя охлаждению Земли.Почему мы говорим про «озоновый слой»?Выражение «озоновый слой» достаточно точно соответствует действительности. Хотя молекулы озона можно найти и в приземном слое атмосферы, и на высотах свыше шестидесяти километров, график концентрации озона от высоты имеет выраженный максимум — то есть концентрация озона невелика у поверхности, затем растёт, достигая наибольшего значения и так же резко уменьшается. Наибольшее значение концентрации озона (или, говоря иными словами, высота, на которой располагается озоновый слой) составляет примерно 24-27 километров у экватора, 19-21 км — в средних широтах и 13-15 — в высоких (приполярных).Почему озон не распределён равномерно по высоте в атмосфере Земли? Почему максимальная концентрация озона достигается в относительно узком слое атмосферы?Молекула озона гораздо менее устойчива, чем молекулярного кислорода, между ними существует обратимое равновесие. Часть обычных, двухатомных молекул превращается в молекулы озона, в то же самое время озон превращается в молекулярный кислород. Однако, как говорят химики, «равновесие реакции O2 ↔ O3 практически полностью сдвинуто влево», это означает, что в озон превращается лишь очень незначительная часть молекулярного кислорода. Сам по себе молекулярный кислород превращается в озон в количествах, настолько малых, что это превращение можно даже практически не учитывать. Откуда же тогда берётся атмосферный озон?Образование (и разрушение, при отсутствии других химических веществ) озона описывается химическими уравнениями цикла Чепмена (цикл назван так в честь химика С. Чепмена, который описал его в 1930-м году). Опуская уравнения реакций, достаточно сказать, что озон образуется при взаимодействии молекулярного кислорода, атомарного (т.е. разлетевшейся на атомы молекулы O2 или O3) и посторонней частицы, способной отводить энергию реакции. Атомарный кислород образуется из молекул молекулярного кислорода и озона в результате «обстрела» их жёстким коротковолновым солнечным излучением. Образующийся атомарный кислород взаимодействует с молекулярным (при этом образуется озон), друг с другом (при этом получается молекулярный кислород) и с озоном (при этом тоже образуется молекулярный кислород). Таким образом, для того, чтобы образовывался озон, нужно несколько условий:а) какое-то воздействие должно «ломать» молекулярный кислород или озон с получением атомарного кислородаб) в воздухе должно быть достаточно молекулярного кислорода.Именно эти факторы определяют возникновение озонового слоя — в самых высоких слоях атмосферы практически весь кислород, разбитый потоком жёсткого излучения, существует в атомарной форме. Атомарному кислороду «не найти» молекулы кислорода, чтобы соединиться с ней, образовав озон. Начиная с высоты примерно 25 километров количество молекулярного кислорода становится достаточным для начала реакций. Ниже значительно ослабевает интенсивность жёсткого излучения и неустойчивая молекула озона под воздействием различных факторов (в т.ч. длинноволнового излучения) разрушается. Образующийся в озоновом слое озон тяжелее молекулярного и атомарного кислорода и постепенно опускается вниз — это явление называется «озоновый дождь».Обратите внимание, на выражение «какое-то воздействие должно ломать молекулярный кислород». Этим воздействием может быть не только поток жёсткого солнечного излучения. Сильный электрический разряд (молния), некоторые химические вещества (содержащиеся в т.ч. в смоле хвойных деревьев) также вызывают распад молекулы кислорода, выделяется атомарный кислород, реагирующий с молекулярным и образуется озон. Именно поэтому насыщен озоном воздух хвойных лесов и после грозы (озон имеется специфический запах, в отличие от молекулярного кислорода и в небольших концентрациях полезен, хотя и является ядом при большом содержании).Как и почему меняется концентрация озона в атмосфере?Озон постоянно образуется и распадается в атмосфере. Процесс образования описан выше, о процессе распада ниже будет написано подробнее. Большая часть озона образуется в стратосфере (высокие слои атмосферы) в экваториальных районах. Однако если мы посмотрим на распределение озона по широтам Земли, то увидим, что как раз над экватором в стратосфере концентрация озона минимальна, она растёт по направлению к полюсам. Больше всего озона находится:• в Северном полушарии на широте 65-75°• в Южном полушарии на широте 60-65°Почему же так происходит? Казалось бы, там, где озон в основном образуется, там его и должно быть больше всего. Дело в том, что в экваториальных широтах (как указано выше, высота озонового слоя там около 25 километров) озон не только образуется в больших количествах — он так же быстро и распадается. Потоки солнечного излучения разбивают молекулы озона, а также он разрушается и в результате реакций с атомарным кислородом. Среднее время жизни молекулы озона над экваториальными районами составляет всего несколько часов. Опускаясь из-за большей плотности и с нисходящими потоками в более нижние слои («озоновый дождь», о котором сказано выше), озон одновременно двигается с массами воздуха в направлении полюсов (такое движение воздушных масс от экватора к полюсам называется волнами Россби). В более высоких широтах время жизни молекулы намного больше (в полярных районах молекула существует до распада в среднем сто суток), поэтому, несмотря на то, что озон образуется в высоких слоях экваториальной атмосферы, его содержание выше в более низких слоях атмосферы более высоких широт. Это правило (увеличение концентрации озона от тропических к полярным областям и от более высоких слоёв к более низким) носит название принципов Дютша–Добсона и Добсона-Норманда соответственно.Мы разобрались, как и почему меняется концентрация озона по широте. Теперь посмотрим на другие циклы колебаний его концентрации. В течение суток концентрация озона растёт с утра до вечера. Это можно также объяснить тем, что ночью озон распадается, а необходимого для его образования потока солнечного излучения нет. В течение года минимум концентрации озона приходится на весенний период, максимум — на осенний, при этом изменение концентрации по полушариям происходит зеркально, ведь когда у нас весна, в южном полушарии осень, максимум содержания озона в северном полушарии совпадает с минимумом в южном. Наконец, существует ещё один, длинный цикл изменения концентрации озона, он напрямую связан с одиннадцатилетним циклом потока солнечной радиации в ультрафиолетовом диапазоне (как указано выше, поток жёсткого излучения важен для образования озона).Каталитическое разрушение озона и особая роль хлорфторуглеродов (фреона-11 и фреона-12)Описанный выше цикл Чепмена (процессы образования и разрушения озона, включающие только кислород, солнечное излучение и посторонние частицы как объект отвода энергии) очень приблизителен. На самом деле, разрушение атмосферного озона процесс очень сложный, на него действуют различные вещества, которые катализируют процесс. Катализатором называют простое вещество или соединение, которое очень сильно ускоряет реакцию, но само в реакции не участвует. Выделяют большое количество механизмов каталитического разрушения озона, называемых «циклами разрушения» по наименованию основного компонента — это азотный цикл, водородный, цикл хлора, цикл брома и т.п. Конечно, никаких изолированных «циклов» в природе не существует, они смешиваются между собой. Уравнения этих реакций очень сложны и приблизительны, досконально процессы каталитического разрушения озона в атмосфере пока не изучены.Стоит особо коснуться хлорного цикла, точнее, хлорфторуглеродов. Хлорфторгулероды (ХФУ) — производные метана (наиболее распространены фреон-11 и фреон-12), в которых все атомы водорода замещены на атомы хлора и фтора. Они получили широкое распространение в технике с первой трети двадцатого века, с того времени в атмосферу попало большое количество этих соединений. ХФУ легколетучи, малорастворимы и устойчивы к разным видам атмосферных воздействий, поэтому «живут» в верхних слоях атмосферы десятилетиями, постепенно накапливаясь там. В результате облучения коротковолновым солнечным излучением ХФУ отщепляют радикал хлора, который очень сильно влияет на скорость разложения озона. Хотя в обычных условиях хлорный цикл вносит гораздо меньший вклад в разрушение озона, чем азотный, пугает именно устойчивость хлорфторуглеродов в атмосфере и способность их накапливаться там долгое время. Поэтому в последнее время происходит замена ХФУ на менее активные в деле разрушения озона галогенпроизводные, такие, как фреон-21, фреон-22 и т.п. Эти соединения гораздо менее устойчивы в атмосфере, а потому быстрее выводятся. Хотя, конечно, полезными для природы и здоровья человека ни сами фреоны-заменители, ни продукты их распада не назовёшь.Озоновая дыра над Антарктидой. Особенности антарктической стратосферыО резком падении концентрации озона над южным полюсом планеты в зимнее время заговорили с 1985 года, когда были опубликованы результаты Дж. Фармана. Вскоре появился и термин «озоновая дыра» — локальное падение концентрации озона в стратосфере (до 30% от среднегодового к октябрю). Все существовавшие на тот момент модели физико-химических процессов, приводящих к изменению концентрации озона не могли объяснить такого явления. Учитывая особую важность озона для сохранения жизни на Земле, «озоновая дыра» привлекала большое внимание учёных, журналистов и обычных людей. На сегодняшний момент можно сделать несколько выводов.Во-первых, атмосфера над Антарктидой, особенно в зимнее время имеет ряд уникальных особенностей. Там существует так называемый циркумполярный вихрь, который практически изолирует её от остальной атмосферы Земли (над Арктикой тоже возможно образование такого вихря, но здесь он гораздо менее устойчив, возникает не всегда и не так надолго). Из-за этого вихря естественный процесс переноса озона от тропических областей (см. выше) не работает, озон разрушается, но нет притока, компенсирующего это разрушение.Во-вторых, температура воздуха в антарктической стратосфере очень низка (в нижних слоях в ночные часы ниже -80°C.В-третьих, внутри циркумполярного вихря в стратосфере аномально низко содержание соединений азота и водяного пара и в то же время велико содержание компонентов хлорного цикла (может достигать десятикратной величины от концентрации этих компонентов «за стенками» вихря). Это вызывает процессы, приводящие к повышенной эффективности разложению озона компонентами обычного хлорного цикла (соединения азота нейтрализуют активные радикалы хлора) и даже к образованию специального, «димерного» хлорного цикла (он возможен только при низком содержании оксида азота).С наступлением весны разрушается циркумполярный вихрь, повышается температура стратосферы над Антарктидой, растёт содержание в ней соединений азота и водяного пара, прекращается димерный хлорный цикл, к южному полюсу поступает озон из более низких широт и концентрация этого газа приходит в норму.Кроме антропогенных источников хлора, большое значение для атмосферы над Антарктидой имеет постоянно действующий вулкан Эребус. Он может выбрасывать до 90 тонн хлороводорода в день!Из написанного выше можно сделать вывод, что образование «озоновой дыры» — процесс в значительной мере естественный, не связанный исключительно с вредным воздействием человеческой цивилизации. В первую очередь играет роль образование циркумполярного вихря. В 1988-м году, когда этот вихрь существовал удивительно короткое время, озоновой дыры над Антарктидой практически не было.Тем не менее, общественный резонанс, вызванный открытием этого явления, привёл к положительным явлениям — запрету производства и использования наиболее активных озонразрушающих хлорфторуглеводродов.

Теперь вопросы. Они разбиты на две группы — для людей без естественнонаучного образования и для тех, кто разбирается в вопросе.Для первых: Смогли ли вы прочитать текст до конца? Не кажется ли он вам излишне усложнённым, всё ли вам было понятно? Может быть наоборот, осталось ощущение, что текст написан «для детей», излишне простым языком? Можете ли вы сказать, что получили общее представление об озоносфере, разрушении озона и озоновой дыре (достаточное, например, чтобы кратко пояснить вопрос любопытному ребёнку одиннадцати лет)?Для вторых: Кажется ли вам проблема изложенной корректно? Нет ли ощущения, что при той же длине текста можно было бы вместить в него больше информации? Не считаете ли вы, что я неоправданно опустил некоторые ключевые моменты? Я не приводил химических уравнений — считаете ли вы это правильным подходом в изложении темы, тесно касающейся химии (пускай и популярного переложения для нехимиков)?