Озон та життя

Реакційна здатність електронно - збуджених атомів та молекул сильно відрізняється від їх реакційної здатності в основному стані Для прикладу можна розглянути як проходить фотодиссоціація при збудженні в смугах Шаппюї. При поглинанні червоного світла (~6000 А) первісний процесо завершується розкладанням озону на атом та молекулу кисню в основних станах: 

      Оз hv = O(³P) + O₂(³E) 

  за яким 'йде другорядний процес взаємодії атомарного кисню з озоном. 

O(³P) + O₃ = 2O₂ 

Таким чином, в результаті поглинання одного кванта света було зруйновано дві молекули озона. Одним з продуктів фоторозкладення при збудженні в смугах Хаггінса є збуджена молекула кисню:

      O₃ hv = O(³P) + O₂(¹E) 

за яким йдуть  процеси

      O(³P) + O₃ = 2O₂

      O₂(¹E) + O₃ = 2O₂ + O(³P)

      O(³P) + O₃ = 2O₂

В результаті сумарний квантовий вихід розкладу Оз дорівнює 4м молекулам . Аналогіно можно показати, щ квантовий вихід фотодисоціації озону при збуджені в смугах Хартлі може дорівнювати 6.

З розглянутих закономірностей взаємодії світла з озоном можна зробити два важливих висновки : 1) молекули озону поглинають світло в широкому спектральному діапазоні від вакуумного ультрафіолетового до мікрохвильового  частин спектра, причому найбільш інтенсивне поглинання спостерігається для довжин хвиль менше 3000 А; 2) при поглинанні світла озоном як в ультрафіолетовій, так і у видимій частинах спектра  відбувається фотохімічне  зруйнування озону з утворенням молекули кисню. Інші цікаві відомості про фізикo -хімічні показники можна знайти в працях С. Д. Разумовського та Г. Е. Заікова. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                  ДОСЛІДЖЕННЯ ОЗОНОВОЇ ДІРИ 
 

  В 1985р Джозеф Фарман разом зі своїми співробітниками з Британської антарктичної служби вперше повідомив, що з кінця 1970х років над Антарктидою відбувалося значне потоншення озонового шару. Виміри супутника «Німбус-7», зроблені Арліном Крюгером з Годдардовського центра космічних польотів НАСА, показали, що з роками дефіцит озону збільшувався від однієї південної весни до іншої. В вересні та жовтні втрачається біля 70% озону над Антарктидою, що дорівнює приблизно 3% всього озону атмосфери.

  Виміри зроблені лабораторією Д. Хофмана з Університету шт. Вайомінг, США, показали, щонайбільша частина втрат озону проходить на висотах від 12 до 30 кілометрів.

  Було висунуто ряд гіпотез щодо пояснення виникнення озонової діри. Було відправлено декілька експедицій для тог, щоб відсіяти невірні гіпотези. 

  Гіпотеза 1: атмосферна циркуляція.

  Схема циркуляції могла поступово змінитись так, що над Антарктидою потоки повітря спрямовані вверх. В результаті стратосферне повітря, збагачене озоном, заміщується повітрям з тропосфери  -  нижнього 10км-шару, що втримує мало озону.

  Макс Левенштайн та його група з Еймского дослідницького цетру НАСА та їх колеги національного центу атмосферних дослідженнь та інші показали, що відповідно до динамічних моделей використаних  прибічниками гіпотези циркуляції,на висоті озонової діри мають бути присутніми газоподібні мікроелементи з поверхні Землі.  Виміри, навпаки, показали низькі рівні газоподібних мікроелементів, отже насправді повітря, що заповнює озонову діру  поступає з більших висот, де озону зазвичай багато. 

  Гіпотеза 2: хімічні реакції.

  В одній з перших гіпотез йшлося про те, що навколо озонової діри  може у підвищених концентраціях бути присутніми сполуки азоту, що є найважнішими агентами в руйнуванні озону. в нижніх шарах атмосфери. Підвищення концентрації приписувалось сонячної активності та атмосферної циркуляції.

  В теоріях засвідчувалось, що підвищена сонячна активність створює на великих висотах над Південним полюсом сполуки азоту з високою реакційною здатністю. Повітря, що рухається вниз переносить цей активний азот в нижні шари атмосфери, де дослідники дійсно спостерігали втрату азоту. Але співробітники лабораторії реактивного руху НАСА та лабораторії аерономії Національного управління дослідів океану та атмосфери віднайшли, що і озоновій дірці активні форми азоту також зменшувались в кількості.

  Фарман та йогос півробітники запропонували альтернативну хімічну теорію, що

  основана на дослідах М.Моліна, Масачусетський технологічний інститут, США та Ф. Шервуда Роуленда, Каліфорнійський університет, США, що були виконані в1970х роках.

  В теорії припускалося, що за утворення озонової діри відповідають сполуки хлору, що надходять в атмосферу головним чином у складі антропогеного хлорфторвуглецю (ХФВ). Ці інертні сполуки, що використовуються як хладагенти для кондиціонерів та холодильників, як хімічні агенти для виробництва пенопластів, можуть зберігатися в атмосфері від 50 до 100 років.

  За декілька тисячолітть вони досягають середини стратосфери, розташованої на висоті біля 30 км, або піднімаються вище. Там ультрафіолетове випромінювання розриває їх. Хлор ,що виділився з молекул ХФВ спочатку існує в вигляді вільного хлору або реагує з озоном, утворюючи закис хлору Cl O. Обидві форми вступають в подальші реакції, утворюючи стійкі сполук - резервуари хлору. Вони складаються з різноманітних форм хлористооводневої кислоти HCl, що утворюється під час реакції вільного хлору з такими компонентами, як метан та нітрат хлору Cl ONO₂, що виникає в реакції між ClO та двуокисом азоту NO₂.

  Власне резервуари хлору не руйнують озон - в таких сполуках хлор залишається інертним та не може реагувати з озоном. Перші компютерні моделі показали, що ХФВ не можуть викликати великого впливу на озоновий шар. З них випливало, що деяка частина вільного хлору зруйнує  тільки невелику частину озону.

  Очевидно, що існує механізм вивільнення хлору з резервуарів.

  Сюзан Соломон та співробітники з  лабораторії аерономії та співробітники з Гарвардського університету, США, першими показали, яким може бути цей процес в 1986 році. Було зроблено припущення, що кореляція міжциклом потоншення шару озону та наявністю стратосферних хмар є свідком того, що хлор з  резервуарів вивільнюють реакції, що йдуть на частках льоду в цих хмарах.

  Хмари в стратосфері вважались явищем незвичним. Відносна вологість там досягає 1%. Кількість же водяної пари - всього декілька частин на мільйон, що в 1000 разів менше, ніж в тропосфері, де й утворюється більшість хмар. До недавнього часу вважалося, що існують стратосферні хмари єдиного виду - перламутрові. Вони утворюються на висотах приблизно віл 15 до30 км та являють собою різновид  лінзовидних хмар. В висхідній частині хвиль повітря швидко розширюється і охолоджується.  Якщо у повітрі є достатньо вологи, то вона буде конденсуватись на багаточислених частинках

  Швидке охолодження   та конденсація водяної пари приводять до формування перламутрових хмар. Розподілення розмірів часток в хмарі надає їй здатності переливатись. Перламутрові  хмари показали метеорологам, що стратосфера достатньо холодна і що там може утворюватися лід хоча б поблизу полярних областей, але через крайню сухість температура має впасти для цього нижче 190 К. Такі температури зберігаються тільки під час антарктичної зими.

  Пристрій, що був запущений за програмою «Стратосферні аерозольні зміни(SAM) 11» на борту супутника  «Німбус - 7» в 1978 р. знаходив частинки а повітря шляхом аналізу сонячних променів, що торкаються країв Землі. Пристрій показав, що стратосферні хмари існують над Антарктидою навіть тоді, коли температура падає до 195 К.. Такі температури занадто високі для утворення перламутрових хмар, отже можна допустити, що хмари утворюються якимось іншим шляхом.

  Було висловлене припущення, що за складом ці хмари  мають відрізнятися, від перламутрових хмар, що складаються з чистої води, сконденсованої на завислих частинках. Хімічні теорії руйнування озонну вимагають видалення активного азоту, що звязує хлор в вигляді нітрату хлору - одного з основих резервуарів.. Так зявилася теорія , про стратосферні хмари - носії азоту. Вони мають складатися з азотної кислоти (HNO₃)в замороженому стані, з трьома молекулами води на кожну молекулу азотної кислоти (HNO₃ *3H₂O). Така сполука, що називається тригідратом азотної кислоти не тільки забезпечує видалення азоту, але й конденсується при більш високих температурах, ніж чиста вода.

  Перламутрові хмари  з тригідрату азотної кислоти виникають в процесі повільного охолодження.. Порівняно з перламутровими хмарами хмари з тригідрату азотної кислоти менш масивні та більш розріджені, що заважає їх вивченню.

  Крім перламутрових хмар  з тригідрату азотної кислоти зустрічаються ще полярні стратосферні хмари (ПСХ) ще одного виду. Вони утворюються, якщо зимова антарктична температура повільно опускається нижче 190 К. З охолодженням  повітря водяна пара конденсується на деяких завислих частинках, утворюючи водно-льодові хмари. Частинками-зародками є в них частки азотної кислоти. ПСХ цього типу, утримують водяну кригу. Зазвичай  ці типи хмар відносять до одного класу, розрізняючи їх за щвидкістю утворення. Хмари, що повільно утворюються, добре видимі з поверхні Землі.

  Всі три типи ПСХ  - з тригідрату азотної кислоти, ті, що швидко і повільно охолоджуються(перламутрові) - виступають як ключові моменти знищення озону над Антарктикою. (схема   ). Лабораторні досліди  співробітників НАСА та Станфордського міжнародного дослідницького інституту  довели, що реакція між хлористоводневою кислотою та нітратом хлору, що утримують хлор в неактивному стані, дійсно буде йти на похерхні водного льоду та тригідрату азотної кислоти. Ця реакція, що дає молекулярний хлор та азотну кислоту, йде в відсутності твердих частинок з незначною швидкістю, якою можна знехтувати.

  Лабораторія Дж. Андерсона з Гарвардського  університету та співробітники університету шт. Нью-Йорк відкрили, що в антарктичній озоновій дірці досить високі рівні СlО -  приблизно в 500 разів більше ніж на середніх широтах на тій же висоті. За такої концентрації СlО каталітичний цикл СlО-СlО може пояснити більшість втрат озону. Один атом хлору може зруйнувати декілька тисяч молекул озону, перш, ніж зустріне молекулу азоту., чи водню, що звяже його. Хімія цього процесу ще й досі зясовується науковцями.

  Активний хлор, що вивільнюється ПСХ грає роль і іншому процесі, що йде за участю брома.. Реакція з бромом може обумовити біля 20% втрат озону. Під час цієї реакції бром видаляє атом кисню з озону, утворюючи оксид брому ВrО. Ця  сполука буде реагувати з оксидом хлору з утворенням молекулярного кисню та вивільнюванням атомів хлору та брому, що знову реагують з озоном. Свідоцтво про такий процес є в спостереженнях, зроблених співробітниками   університету  Пенсильвнії та Гарварда, які виміряли антарктичній озоновій дірці значні кількості оксиду брому. 
 
 

      ВИСНОВКИ 

  Сучасна теорія  ПСХ-ХФВ утворення озонової діри пояснює більшість даних спостережень. Виділення ХФВ в результаті лядської діяльності відповідає головним  чином за виснаження шару озону  в Північній півкулі. Озонова діра біля Антарктики весною виникає тому, що  для утворення діри необхідна присутність стратосферних хмар, що утворюються тільки  в найхолоднішу пору року.. Перші ж промені сонця ініціюють хімічні реакції, що що виснажують озоновий шар.Втрата озону відчутніше над Антарктикою ніж над Арктикою, тому що антарктична стратосфера холодніша і тут утворюється більше хмар, особливо на висоті менше 20 км. Більше хмар - більше активних атомів хлору та інтенсивніше видалення азотних сполук. - більші втрати озону.

  Можливо, більш важлива відмінність між полюсами повязана з антарктичною циркуляцією - кільцем швидко циркулюючого повітря, що обмежує зону виснаження озону.. Руйнування озону пачинається на вересні з поверненням сонячного світла, та його втрати досягають піку в жовтні. В Арктиці, де  картина циркуляції значно відрізняється від антарктичної, до  початку полярної весни от

  Певний внесок в руйнацію  озонового шору вносять також вулканічна діяльність та викиди стратосферної авіації.

  Так  у 1982 р. відбулося виверження вулкана Ель-Чічон у Мексіці. Виверження не було катастрофічним чи надзвичайно великим за масштабами, але дещо незвичайним: струмінь його викиду мав дуже велику швидкість і швидко досяг стратосфери. Особливість циркуляції повітря на цих висотах така, що хмара переноситься вітрами на схід, завершуючи приблизно за два тижні рух навколо Землі. Одночасно хмара розширюється і поступово розпорошується на всю територію планети. Дуже дрібненькі часточки можуть опускатися з таких висот донизу довго — протягом років.

  Названий вулкан викинув чималу кількість хлору, крім звичних для вулканів пилу і вуглекислого газу. Хмара, що утворилася після його викиду, була помітною тривалий час у повітрі завдяки посиленому розсіюванню сонячного проміння. Тож з'являлися незвичайно гарні та інтенсивні кольори неба в час заходу Сонця та перед його появою із-за лінії горизонту.