Озон образуется в результате процесса фотодиссоциации кислорода:
O2 + hv = O2 (возбужденная молекула);
O2 + O2 = O3 + O (образование).
Образовавшиеся молекулы существуют недолго. Происходит обратная реакция фоторазложения озона, которая и представляет собой поглощение озоном коротковолновых фотонов:
О3 + hv = О2 + О (разложение).
Следовательно, в стратосфере существует цикл озона – сбалансированное образование и разложение.
Для нас, живущих на Земле, главная «заслуга» озона состоит в том, что он, «жертвуя собой», поглощает лучи с длиной волны 240-260 нм и, таким образом не допускает высокоэнергетические фотоны Солнца к Земле. В истории нашей планеты лишь с накоплением достаточного количества озона в стратосфере смогла спокойно оформляться и эволюционировать жизнь на Земле.
Волшебный щит планеты
В популярной литературе слой озона очень часто называют волшебным щитом планеты. Это сравнение связано с оптическими свойствами молекулы озона, которые отличаются от свойств как составляющих его атомов (когда они существуют по отдельности), так и двухатомных молекул O2.
Одной из наиболее важных оптических характеристик, какого–либо вещества является его спектр поглощения – изменение с длиной волны коэффициента поглощения, то есть способности поглощать проходящие через это вещество излучение. Спектр поглощения озона обладает несколькими важными особенностями, главной из них является способность сильно поглощать излучение в интервале длин волн 200–320нм.
Область солнечного спектра (а когда говорят о щите, то имеют в виду именно защиту от излучения Солнца) от 200 до 400нм называют биологически активным ультрафиолетом БАУ. При этом выделяются интервалы 320–400нм (УФ-А) и 200–320нм (УФ-Б) меньше 200нм, хорошо поглощается молекулами. Излучение с длиной волны кислорода, которых в атмосферном газе много. Поэтому такое излучение не доходит даже до нижней части стратосферы, “застревая” (т.е. поглощаясь молекулами O2) на больших высотах. С увеличением длины волны коэффициент поглощения молекулярным кислородом быстро падает. Молекулы же азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны и в поглощении этого излучения практически участия не принимают.
Вот и получается, что солнечное излучение с длиной волны от 200 – 300нм проникало бы сквозь атмосферу практически до поверхности Земли, если бы не озон. Его коэффициент поглощения k именно в этой области длин волн очень велик и намного превосходит соответствующие значения k для O2 и N2. В результате – излучение УФ-Б не проходит сквозь стратосферу, практически полностью поглощаясь молекулами O3.
Проблемы и пути их решения
Все сказанное выше означает, прежде всего, борьбу с увеличением количества озона в тропосфере и с выбросом хлорсодержащих веществ (особенно фреонов, угрожающих стратосферному озону).
Рассмотрим некоторые проблемы, связанные с разрушением озона и пути их решения.
- Выхлопы автомобилей
а) замена топлива в существующем авто на экологически более чистое
- b) переход на другие источники энергии
2) Загрязнение хторфторуглеводородами (холодильная техника, аэрозоли)
а) переход от долгоживущих фреонов на короткоживущие
- b) снижение, а затем полное прекращение использования фреонов
3) Химические удобрения
4) Сжигание промышленного топлива