Озоновый слой (озоносфера).
Озоновый слой – это часть стратосферы на высоте от 20 до 40 км (в тропических широтах 25-30 км, в умеренных 20-25, в полярных 15-20), с наибольшим содержанием озона (O3).
Поглощение озоном ультрафиолета
Образование и разрушение озона в атмосфере
Озоновый слой (озоносфера):
Озоновый слой – это часть стратосферы на высоте от 20 до 40 км (в тропических широтах 25-30 км, в умеренных 20-25, в полярных 15-20), с наибольшим содержанием озона (O3).
Озоносфера – это область атмосферы на высоте от 10 до 40 км, характеризующаяся повышенным содержанием озона (ГОСТ 25645.113-2019. Ионосфера Земли. Термины и определения).
Озоновый слой представляет собой «границу жизни» на Земле: за его пределами все основные показатели – температура, давление, космическое излучение – уничтожают все живые организмы, включая даже самые стойкие бактериологические формы.
Появление этого барьера в атмосфере обусловлено двум факторами:
– кислородом, выделяемым всеми представителями растительного мира планеты;
– ультрафиолетом, с которым кислород ступает в химические реакции. В результате химических реакций образуется газ О3 – озон, по иронии, созданный из разрушающих ультрафиолетовых волн и защищающий от них же. Его примечательной характеристикой считается способность отражать солнечные лучи, создавая вокруг себя тепло.
Озоновый слой содержит наибольшую концентрацию озона (O3) по сравнению с другими областями и частями атмосферы – от 2 до 8 частей на миллион, в то время как концентрация озона в атмосфере Земли в целом составляет около 0,3 частей на миллион.
Хотя концентрация озона в озоновом слое очень мала, он жизненно важен для жизни, поскольку поглощает биологически вредное ультрафиолетовое излучение, исходящее от Солнца.
В стратосфере содержится около 90 процентов озона в атмосфере. Общая масса озона в атмосфере Земли относительно постоянна и составляет около 3 миллиардов тонн.
Озоновый слой был открыт в 1913 году французскими физиками Шарлем Фабри и Анри Бюиссоном.
Толщина озонового слоя варьируется по всей планете Земля и, как правило, тоньше вблизи экватора и толще вблизи полюсов. Толщина озонового слоя зависит от сезона (времени года). Причины этих колебаний обусловлены характером атмосферной циркуляции и интенсивностью солнечного излучения. Большая часть озона образуется над тропиками и переносится к полюсам стратосферными ветрами. В северном полушарии эти закономерности, известные как циркуляция Брюера–Добсона, делают озоновый слой наиболее толстым весной и наиболее тонким осенью.
Поглощение озоном ультрафиолета:
Озон – аллотропная модификация кислорода, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода. Химическая формула озона – О3. При нормальных условиях озон голубой газ. Запах – резкий специфический. При сжижении превращается в жидкость цвета индиго. В твёрдом виде представляет собой тёмно-синие, серые, практически чёрные кристаллы.
Озон способен поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца – электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн ультрафиолетового излучения лежат в интервале от 100 до 400 нм (7,5⋅1014 – 3⋅1016 Гц).
При этом различают:
– ультрафиолет А, длинноволновой диапазон, аббревиатура UV-A. Имеет длину волны 315 – 400 нм, частоту 0,75 – 0,952 ПГц, Количество энергии на фотон 3,10 – 3,94 эВ;
– ультрафиолет B, средневолновой диапазон, аббревиатура UV-B. Имеет длину волны 280 – 315 нм, частоту 0,952 – 1,07 ПГц, Количество энергии на фотон 3,94 – 4,43 эВ;
– ультрафиолет С, коротковолновой диапазон, аббревиатура UV-С. Имеет длину волны 100 – 280 нм, частоту 1,07 – 3 ПГц, Количество энергии на фотон 4,43 – 12,4 эВ.
Практически все ультрафиолетовое излучение полосы UV-С (100-280 нм) блокируется (поглощается) кислородом (от 100-200 нм) или озоном (200-280 нм) в атмосфере.
Озоновый слой также блокирует (поглощает) большую часть, но не совсем всю, вызывающую солнечные ожоги полосу UV-B (280-315 нм). Некоторое количество ультрафиолета полосы UV-B, особенно на самых длинных волнах, достигает поверхности Земли и играет важную роль в выработке кожей витамина D у млекопитающих.
Полоса ультрафиолета, ближайшая к видимому свету, UV-A (315-400 нм), практически не подвержена воздействию озона, и большая его часть достигает поверхности Земли. Этот тип ультрафиолетового излучения значительно менее вреден для ДНК, но может потенциально вызывать физические повреждения, преждевременное старение кожи, косвенные генетические повреждения и рак кожи.
Образование и разрушение озона в атмосфере:
Озон в стратосфере Земли образуется в результате воздействия ультрафиолетового излучения на молекулы кислорода, содержащие два атома кислорода (O2), расщепляющего их на отдельные атомы кислорода (атомарный кислород).
Затем атомарный кислород соединяется с неразрушенным O2, образуя озон O3.
Молекула озона нестабильна (хотя в стратосфере живет долго), и когда ультрафиолетовый свет попадает на озон, он распадается на молекулу O2 и отдельный атом кислорода.
Этот непрерывный процесс называется озоно-кислородным циклом. Это процесс, посредством которого озон непрерывно восстанавливается в стратосфере Земли, преобразуя ультрафиолетовое излучение (УФ) в тепло.
Процесс образования и распада озона химически описывается следующим образом:
O2 + hν →2O (реакция фотолиза молекулярного кислорода, происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны от 175-200 нм и до 242 нм),
O2 + O → O3 (реакция образования молекулярного озона),
O3 + hν → O2 + O (реакция фотолиза молекулярного озона),
O3 + O →2O2 (реакция образования молекулярного кислорода);
O + O →O2 (реакция рекомбинации молекулярного кислорода);
Масса озона, образующегося в сутки на земном шаре, составляет около 400 миллионов тонн. Общая масса озона в атмосфере Земли относительно постоянна и составляет около 3 миллиардов тонн, что означает, что Солнце производит около 12 % озонового слоя каждый день.
В 1976 году атмосферные исследования показали, что озоновый слой разрушается химическими веществами, выделяемыми промышленностью, главным образом хлорфторуглеродами.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com