Хімія і алхімія озонового шару
І. К. Ларін,
доктор фізико-математичних наук
(Інститут
енергетичних проблем хімічної фізики РАН)
Чотириста
мільйонів років тому в атмосфері
з'явився шар озону, достатньо
щільний, щоб життя з океану змогла зробити крок на суходіл. Це дало початок
унікальною, може бути єдиною у
Всесвіту, еволюційної ланцюга, що породила величезну різноманітність живих
форм, включаючи людину. А в наші дні (іронія долі!) Людина мало не знищив
те, завдяки чому він з'явився на
Землі. Однак у людства вистачило розуму та здорового глузду, щоб
вчасно зупинитися. Озоновий шар
став предметом загальної уваги. До його вивчення залучили сотні тисяч
фахівців у всьому світі, витратили величезні матеріальні кошти. У
результаті стало значно ясніше, які процеси відбуваються як у озоносфери, так і у всій атмосфері.
Озон
поглинає сонячний ультрафіолет в
діапазоні 200-300 нм, що проникає в довгохвильовому ділянці цього діапазону
аж до верхньої тропосфери. З висоти
близько 20 км (нижня межа озонового шару) починається ріст температури,
який триває до висот близько 50 км (верхня межа озонового шару).
Якщо б не було озонового шару або якщо він не поглинав б ультрафіолет, падіння
температури, яке має місце в тропосфері, тривало б аж до висоти
близько 80 км. Там вже з'являється жорстке ультрафіолетове випромінювання,
здатне ионизованного молекули повітря. Його енергія в кінці кінців
перетворюється в тепло, що нагріває повітря і яка викликає зростання температури вище 80
км. (До речі, цю точку зору на роль озону в термічної стратифікації
атмосфери розділяє і Прокоф'єва І.А., автор книги "Атмосферний озон"
(М.; Л., 1951), яку Н. Чугунов вказав у списку літератури.)
Поглинаючи
сонячний ультрафіолет, молекули озону руйнуються, утворюючи атоми кисню. Але
озоновий шар при цьому не зникає - встановлюється рівновага між
кількістю озону і атомами кисню, причому більш високому рівню ультрафіолету
відповідає більш низька концентрація озону. Це, зокрема, пояснює,
чому в тропіках, де інтенсивність ультрафіолету велика, озону мало, а в
високих широтах, де сонячне випромінювання слабо, - багато.
Теоретично і
практично доведено, що в діапазоні довжин хвиль 200-300 нм визначальну роль у
розподіл сонячного випромінювання по висоті земної атмосфери грає його
поглинання молекулами озону, шар якого сягає від 10-15 км до висоти
більше 50 км з найбільшою концентрацією на висоті 20-25 км. Озон надзвичайно
сильно поглинає ультрафіолет довжиною хвилі близько 250 нм, і вже до висоти 40 км
від цього випромінювання залишається тільки 10%, а все інше поглинається вищерозміщених
шаром. А до висот 20-25 км випромінювання в діапазоні довжин хвиль 255-266 нм, надзвичайно
небезпечне в біологічному відношенні, практично не доходить. Тому про нього можна
спокійно забути: його інтенсивність не зміниться, навіть якщо озону стане в
десять разів менше.
Різноманітні і
численні експерименти показали, що випромінювання в діапазоні довжин хвиль
280-320 нм також небезпечно. Саме це випромінювання при виснаженні озонового шару
посилюватиметься, приводячи до різноманітних негативних наслідків.
Таким чином
(повторимо ще раз), інтенсивність що проходить
сонячного випромінювання в діапазоні довжин хвиль 200-300 нм на різних висотах
повністю визначається тільки розподілом озону в атмосфері.
Розподіл
стабільних молекул в атмосфері до висот близько 100 км визначається
виключно барометричних законом, відповідно до якого тиск падає з
висотою по експоненті. А оскільки молекули озону народжуються в самій атмосфері,
їх висотне розподіл прагне стати таким же, як у повітря (просто
кажучи, багато внизу і мало нагорі). І залежно від часу життя частинок
воно буде в тій чи іншій мірі наближатися до барометричному.
Озон в
атмосфері утворюється за механізмом, запропонованим видатним англійським
геофізиком С. Чепменом сімдесят років тому. Суть цього механізму полягає в тому,
що на висотах 20-45 км молекулярний
кисень розпадається на атоми під дією сонячного ультрафіолету.
Утворилися атоми швидко прилипають до молекул кисню, даючи молекули
озону. Розпадаються вони в результаті реакції з атомами кисню (що виникають
головним чином при фотораспаде озону), утворюючи дві молекули кисню. Схема
Чепмена проіснувала без змін до середини 60-х років, коли була
створена теорія ланцюгових процесів руйнування озону з участю водневих,
азотно-окисних і галоїдних (хлор-бром-йод) з'єднань, що потрапляють в
атмосферу в основному з промислових викидів. Однак основа цих нових
механізмів залишилася "чепменовской".
З механізму
Чепмена випливає, що відсутність ультрафіолетового випромінювання сприяє
збереження та накопичення озону - вночі його вміст в атмосфері практично не
змінюється. Саме цим і пояснюється накопичення озону в стратосфері Антарктики і Арктики протягом
полярної зими.
Вплив
сонячного світла виявляється і в механізмі утворення "Озон дірки", який
полягає в наступному.
Протягом
холодної антарктичної зими, коли температура нижньої стратосфери падає до 80
градусів нижче нуля, холодне повітря починає опускатися вниз, в результаті чого
під дією сил Коріоліса на висотах
10-20 км утворюється полярний вихор, що ізолює повітря всередині свого об'єму від
іншого простору. У цьому повітрі утворюються стратосферні полярні
хмари, що містять молекули води та азотної кислоти (вона в невеликих кількостях
постійно утворюється з оксидів азоту природного походження). На поверхні
частинок хмар протікають реакції, що призводять до утворення з слабоактивних,
досить стійких сполук хлору малостійкі молекул Cl2 і
HOCl. Процеси відбуваються протягом всієї зими, в результаті чого до її кінця в
полярному вихорі накопичується значна кількість цих слабосвязанних
компонент. Зі сходом сонця на початку весни, тобто на початку вересня, вони
легко розпадаються, і утворюються активні хлорні частинки, що починають руйнувати
озон ланцюговим шляхом.
Оскільки вихор
ще існує і ніякого обміну з сусідніми, багатими озоном областями
стратосфери немає, вміст озону швидко зменшується, і всередині вихору, на висоті
10-15 км, озон повністю зникає. Далі відбувається розігрів повітря, розпад
вихору та розповзання залишків дірки по Південному півкулі.
Такі в загальних
рисах механізми утворення і руйнування озону. Їх справедливість підтверджена
численними вимірами і теорією. Незважаючи на це, Н. Чугунов вважає їх
помилковими. Міркував він у такий спосіб: якщо б ультрафіолетове випромінювання поглиналося озоном, то наслідком цього було б або "... нагрівання
озонового шару. Однак він розташований на висоті стійко холодної
атмосфери "; або" ... руйнування озону ", але тоді він не міг би
виконувати свої захисні функції; або необмежене накопичення енергії в
озоновому шарі аж до вибуху. Звідси і випливає, "що думка про поглинання
озоновим шаром жорсткого ультрафіолету не обгрунтоване ".
Розвиваючи цю
думка, Чугунов пише: "На висоті 34 км випромінювань за довжиною хвиль коротше 280 нм не виявлено.
Найбільш ж біологічно небезпечним вважається випромінювання з довжиною хвиль від 255 до
266 нм. З цього випливає, що згубний ультрафіолет поглинається, не
досягнувши озонового шару, тобто висот 20-25 км. А до поверхні Землі
доходить випромінювання з мінімальною довжиною хвилі 293 нм, небезпеки не
представляє. Таким чином, озоновий шар не бере участі в поглинанні
біологічно небезпечного випромінювання ".
Насправді ж
справі, як вже говорилося вище, випромінювання в діапазоні 200-300 нм поглинається
озоном, утворюються атоми кисню, і відбувається нагрівання навколишнього повітря, а
випромінювання в діапазоні 300-400 нм справді майже без втрат доходить до
земної поверхні.
Намагаючись
пояснити утворення озонового шару за допомогою своєї гіпотези, згідно з якою
цей шар нічого не поглинає, Чугунов пише: "При поглинанні енергії
короткохвильового ультрафіолетового випромінювання частина молекул іонізуется,
втрачаючи електрон і набуваючи
позитивний заряд, а частина дисоціюють на два нейтральних атома. Вільний
електрон, що утворився при іонізації,
з'єднується з одним з атомів, утворюючи від'ємний іон кисню. Різнойменної
заряджені іони з'єднуються, утворюючи нейтральну молекулу озону ". За
описаного механізму озон утворюється головним чином у мезосфері, хоча механізм
"працює" і в стратосфері, і
в тропосфері. З мезосфери озон (будучи
важчий за повітря в 1,62 рази) опускається вниз, де на висоті 20-25 км приходить в
рівноважний стан, утворюючи найбільш щільний шар. А згідно з його версією
освіти озонових дірок, "... влітку і восени над Антарктидою і зимою і
навесні над Північним полюсом атмосфера Землі практично не піддається
дії ультрафіолету. Полюса Землі в ці періоди знаходяться в
"тіні", над ними немає джерела енергії, необхідної для освіти
озону ...". Насправді ж механізм, запропонований Чугунова, в принципі
не працює не тільки в тропосфері і стратосфері, але навіть і в мезосфері за тією
простої причини, що іонізующее молекулярний кисень короткохвильове випромінювання
Сонця не проникає в атмосферу глибше 90 км.
Що ж стосується
механізму утворення антарктичної озоном діри, то ми обговорили його вище.
Тут додамо лише, що на противагу гіпотезі Чугунова вона виникає навесні,
при появі в Антарктиді сонячного світла.
Вирішальний
аргумент на користь антіозоновой гіпотези полягає в наступному. Якщо мати на
увазі, що при нормальному атмосферному тиску товщина озонового шару становила
б 3-4 мм, то "практично неможливо уявити, до яких надвисоких
температур повинен був розігрітися настільки малопотужний шар, якби він
дійсно поглинав майже всю енергію ультрафіолетового випромінювання ".
Вище, однак, уже неодноразово говорилося, що озон розподілений в атмосфері на
десятки кілометрів по висоті. На одну молекулу озону припадає близько мільйона
молекул повітря. Тому ніяких надвисоких температур в результаті
поглинання ультрафіолету озоновим шаром не виникає.
Падіння
температури з висотою в тропосфері Чугунов пояснює тим, що при поглинанні
енергії молекулами повітря відбувається його охолодження. Це невірно, оскільки
поглинена енергія неминуче перетворюється в тепло. Насправді падіння
температури відбувається тому, що з висотою зменшується "гріючий"
тропосферу потік інфрачервоного
випромінювання, що йде з поверхні Землі і поглинається у міру просування
вгору парами води та іншими парниковими
газами.
Освіта в
стратосфері молекул озону в результаті реакції збудженої і не збудженому
молекул кисню (як це стверджується в "Подробицях ..." статті
Чугунова) неможливо з енергетичних причин. Так само, як неможлива
іонізація молекул кисню на висоті 50 км, - на цих висотах немає випромінювання,
здатного викликати такі процеси. Зниження температури з висотою на висотах
60-80 км відбувається не в результаті поглинання "фотонів випромінювання", а
як раз навпаки: тут ніяке випромінювання не поглинається - ні що йде зверху (і
нездатний ионизованного повітря) ультрафіолет з-за малої щільності поглинаючих
компонент, ні тим більше що йде знизу інфрачервоне випромінювання.
Список
літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nature.ru/
