Озоновый слой - Ozone layer

Озоново-кислородный цикл в озоновом слое.

Озоновый слой или озон щит является областью Земли «ы стратосфере , который поглощает большую часть солнечного » ы ультрафиолетового излучения. Он содержит высокую концентрацию озона (O 3 ) по сравнению с другими частями атмосферы, но все еще небольшую по сравнению с другими газами в стратосфере. Озоновый слой содержит менее 10 частей на миллион озона, в то время как средняя концентрация озона в атмосфере Земли в целом составляет около 0,3 частей на миллион. Озоновый слой в основном находится в нижней части стратосферы, на высоте примерно от 15 до 35 километров (от 9 до 22 миль) над Землей, хотя его толщина меняется в зависимости от сезона и географически.

Озоновый слой был открыт в 1913 году французскими физиками Шарлем Фабри и Анри Бюиссоном . Измерения Солнца показали, что излучение, исходящее от его поверхности и достигающее земли на Земле, обычно соответствует спектру черного тела с температурой в диапазоне 5 500–6 000 К (5 230–5730 ° C), за исключением того, что в ультрафиолетовом конце спектра не было излучения с длиной волны ниже примерно 310 нм. Было сделано предположение, что недостающее излучение поглощается чем-то в атмосфере. В конце концов, спектр недостающего излучения был сопоставлен только с одним известным химическим веществом - озоном. Его свойства были подробно исследованы британским метеорологом Дж. Б. Добсоном , который разработал простой спектрофотометр ( Добсонметр ), который можно было использовать для измерения стратосферного озона с земли. Между 1928 и 1958 годами Добсон создал всемирную сеть станций мониторинга озона, которые продолжают работать по сей день. В его честь названа « единица Добсона », удобный измеритель количества озона в воздухе.

Озоновый слой поглощает от 97 до 99 процентов от средней частоты ультрафиолетового света Солнца (примерно от 200  нм до 315 нм длины волны ), которые в противном случае было бы потенциально повредить открытые формы жизни вблизи поверхности.

В 1976 году атмосферные исследования показали, что озоновый слой разрушается химическими веществами, выделяемыми промышленностью, в основном хлорфторуглеродами (ХФУ). Опасения по поводу того, что усиление ультрафиолетового излучения из-за истощения озонового слоя угрожает жизни на Земле, включая рост рака кожи у людей и другие экологические проблемы, привели к запрету на химические вещества, и последние данные свидетельствуют о том, что истощение озонового слоя замедлилось или остановилось. Генеральная Ассамблея ООН объявила 16 сентября Международным днем ​​охраны озонового слоя .

На Венере также есть тонкий озоновый слой на высоте 100 километров над поверхностью планеты.

Источники

Фотохимические механизмы образования озонового слоя были открыты британским физиком Сиднеем Чепменом в 1930 году. Озон в стратосфере Земли создается ультрафиолетовым светом, падающим на обычные молекулы кислорода , содержащие два атома кислорода (O 2 ), разделяя их на отдельные атомы кислорода. (атомарный кислород); атомарный кислород затем соединяется с неразрушенным O 2 с образованием озона O 3 . Молекула озона нестабильна (хотя в стратосфере и долгожительна), и когда ультрафиолетовый свет попадает в озон, она распадается на молекулу O 2 и отдельный атом кислорода, продолжающийся процесс, называемый циклом озон-кислород . Химически это можно описать как:

Около 90 процентов озона в атмосфере содержится в стратосфере. Концентрации озона являются наибольшими на расстоянии примерно от 20 до 40 километров (от 66 000 до 131 000 футов), где они колеблются от 2 до 8 частей на миллион. Если все озона были сжаты до давления воздуха на уровне моря, было бы только 3 мм ( 1 / 8 дюйма) толщиной.

Ультрафиолетовое излучение

Уровни энергии УФ-В на нескольких высотах. Синяя линия показывает чувствительность ДНК. Красная линия показывает уровень поверхностной энергии с 10-процентным уменьшением озона.
Уровни озона на разных высотах и ​​блокировка разных диапазонов ультрафиолетового излучения. Практически весь УФ-С (100–280 нм) блокируется двуокисью кислорода (от 100–200 нм) или озоном (200–280 нм) в атмосфере. Более короткая часть полосы УФ-С и более энергичная УФ над этой полосой вызывают образование озонового слоя, когда отдельные атомы кислорода, полученные в результате УФ- фотолиза двуокиси углерода (ниже 240 нм), вступают в реакцию с большим количеством двуокиси кислорода. Озоновый слой также блокирует большую часть, но не полностью, полосу УФ-B (280–315 нм), вызывающую солнечные ожоги, которая находится в длинах волн, более длинных, чем УФ-C. Полоса УФ-излучения, ближайшая к видимому свету, УФ-А (315–400 нм), практически не подвержена влиянию озона, и большая часть его достигает земли. УФ-А в первую очередь не вызывает покраснение кожи, но есть свидетельства того, что он вызывает долговременное повреждение кожи.

Хотя концентрация озона в озоновом слое очень мала, он жизненно важен для жизни, поскольку поглощает биологически вредное ультрафиолетовое (УФ) излучение, исходящее от Солнца. Очень короткое или вакуумное УФ (10–100 нм) экранируется азотом. УФ-излучение, способное проникать через азот, делится на три категории в зависимости от длины волны; их называют УФ-А (400–315 нм), УФ-В (315–280 нм) и УФ-С (280–100 нм).

УФ-С, который очень вреден для всех живых существ, полностью экранируется комбинацией дикислорода (<200 нм) и озона (> около 200 нм) на высоте примерно 35 километров (115 000 футов) над уровнем моря. УФ-В излучение может быть вредным для кожи и является основной причиной солнечных ожогов ; чрезмерное воздействие также может вызвать катаракту, подавление иммунной системы и генетические повреждения, приводящие к таким проблемам, как рак кожи . Озоновый слой (который поглощает примерно от 200 до 310 нм с максимальным поглощением примерно при 250 нм) очень эффективно экранирует УФ-В; для излучения с длиной волны 290 нм интенсивность в верхней части атмосферы в 350 миллионов раз выше, чем у поверхности Земли. Тем не менее, некоторые УФ-B, в частности , в его длинной волны, достигает поверхности, и имеет важное значение для производства кожи с витамином D .

Озон прозрачен для большинства УФ-А, поэтому большая часть этого длинноволнового УФ-излучения достигает поверхности и составляет большую часть УФ-излучения, достигающего Земли. Этот тип УФ-излучения значительно менее вреден для ДНК , хотя потенциально может вызвать физическое повреждение, преждевременное старение кожи, косвенные генетические повреждения и рак кожи.

Распространение в стратосфере

Толщина озонового слоя варьируется во всем мире и обычно тоньше у экватора и толще у полюсов. Толщина относится к тому, сколько озона содержится в столбце над данной областью, и изменяется от сезона к сезону. Причины этих изменений связаны с атмосферной циркуляцией и солнечной интенсивностью.

Большая часть озона образуется в тропиках и переносится к полюсам за счет стратосферных ветров. В северном полушарии эти модели, известные как циркуляция Брюера-Добсона , делают озоновый слой самым толстым весной и самым тонким осенью. Когда озон образуется под действием солнечного УФ-излучения в тропиках, это происходит за счет циркуляции, поднимающей бедный озоном воздух из тропосферы в стратосферу, где солнце фотолизирует молекулы кислорода и превращает их в озон. Затем богатый озоном воздух переносится в более высокие широты и опускается в нижние слои атмосферы.

Исследования показали, что уровни озона в Соединенных Штатах самые высокие в весенние месяцы апреля и мая и самые низкие в октябре. В то время как общее количество озона увеличивается по мере продвижения от тропиков к более высоким широтам, его концентрации выше в высоких северных широтах, чем в высоких южных широтах, при этом весенние столбы озона в высоких северных широтах иногда превышают 600 DU и в среднем составляют 450 DU, тогда как 400 DU составляли обычный максимум в Антарктике перед антропогенным истощением озонового слоя. Эта разница возникла естественным образом из-за более слабого полярного вихря и более сильной циркуляции Брюера-Добсона в северном полушарии из-за больших горных хребтов этого полушария и больших контрастов между температурами суши и океана. Разница между высокими северными и южными широтами увеличилась с 1970-х годов из-за явления озоновой дыры . Наибольшее количество озона обнаруживается над Арктикой в ​​весенние месяцы марта и апреля, но самые низкие количества озона в Антарктике наблюдаются в летние месяцы в сентябре и октябре.

Циркуляция Брюера-Добсона в озоновом слое.


Истощение

Прогнозы НАСА концентраций стратосферного озона, если бы хлорфторуглероды не были запрещены.

Озоновый слой может быть истощен катализаторами свободных радикалов, включая оксид азота (NO), закись азота (N 2 O), гидроксил (OH), атомарный хлор (Cl) и атомарный бром (Br). Несмотря на наличие естественных источников для всех этих видов , концентрации хлора и брома заметно увеличились в последние десятилетия из-за выделения больших количеств техногенных галогенорганических соединений, особенно хлорфторуглеродов (ХФУ) и бромфторуглеродов . Эти высокостабильные соединения способны пережить подъем в стратосферу , где радикалы Cl и Br высвобождаются под действием ультрафиолетового света. Тогда каждый радикал может инициировать и катализировать цепную реакцию, способную расщепить более 100 000 молекул озона. К 2009 году закись азота была самым крупным озоноразрушающим веществом (ОРВ), выбрасываемым в результате деятельности человека.

Уровни атмосферного озона, измеренные со спутника, демонстрируют явные сезонные колебания и, по-видимому, подтверждают их снижение с течением времени.

Распад озона в стратосфере приводит к снижению поглощения ультрафиолетового излучения. Следовательно, непоглощенное и опасное ультрафиолетовое излучение может достигать поверхности Земли с большей интенсивностью. С конца 1970-х годов уровень озона в мире снизился в среднем на 4 процента. Примерно для 5 процентов поверхности Земли, вокруг северного и южного полюсов, наблюдаются гораздо более значительные сезонные спады, которые описываются как «озоновые дыры». Об открытии ежегодного истощения озона над Антарктикой впервые объявили Джо Фарман , Брайан Гардинер и Джонатан Шанклин в статье, опубликованной в Nature 16 мая 1985 года.

Регулирование

Чтобы поддержать успешные попытки регулирования, случай с озоном был доведен до сведения непрофессионалов «с помощью простых для понимания связующих метафор, заимствованных из популярной культуры» и связанных с «непосредственными рисками, имеющими значение для повседневной жизни». Конкретные метафоры, использованные в обсуждении (озоновый щит, озоновая дыра), оказались весьма полезными, и, по сравнению с глобальным изменением климата, случай с озоном в большей степени рассматривался как «горячая проблема» и неминуемый риск. Миряне опасались истощения озонового слоя и риска рака кожи.

В 1978 году США, Канада и Норвегия ввели запрет на использование аэрозольных баллончиков , содержащих ХФУ, которые наносят ущерб озоновому слою. Европейское сообщество отклонило аналогичное предложение сделать то же самое. В США хлорфторуглероды продолжали использоваться в других целях, таких как охлаждение и промышленная очистка, до тех пор, пока в 1985 году не была обнаружена озоновая дыра в Антарктике. После переговоров по международному договору ( Монреальский протокол ) производство ХФУ было ограничено 1986 годом. уровни с обязательствами по долгосрочному снижению. Это позволило осуществить поэтапное внедрение на десять лет для развивающихся стран (как указано в статье 5 протокола). С тех пор в договор были внесены поправки, запрещающие производство ХФУ после 1995 года в развитых странах, а затем и в развивающихся странах. Сегодня договор подписали все 197 стран мира. Начиная с 1 января 1996 года, только переработанные и складированные ХФУ были доступны для использования в развитых странах, таких как США. Этот поэтапный отказ от производства стал возможен благодаря усилиям по обеспечению наличия химических веществ и технологий-заменителей для всех видов использования ОРВ.

2 августа 2003 года ученые объявили, что глобальное истощение озонового слоя может замедляться из-за международного регулирования озоноразрушающих веществ. В исследовании, организованном Американским геофизическим союзом , три спутника и три наземные станции подтвердили, что темпы разрушения озонового слоя в верхних слоях атмосферы значительно замедлились в течение предыдущего десятилетия. Можно ожидать, что некоторые разрушения будут продолжаться из-за использования ОРВ странами, которые не запретили их, а также из-за газов, которые уже находятся в стратосфере. Некоторые ОРВ, включая ХФУ, имеют очень длительный срок службы в атмосфере, от 50 до более 100 лет. Было подсчитано, что к середине 21 века озоновый слой восстановится до уровней 1980 года. Постепенная тенденция к «исцелению» была отмечена в 2016 году.

Соединения, содержащие связи C – H (такие как гидрохлорфторуглероды или ГХФУ), были разработаны для замены CFC в определенных областях применения. Эти замещающие соединения более реакционноспособны и с меньшей вероятностью выживут в атмосфере достаточно долго, чтобы достичь стратосферы, где они могут повлиять на озоновый слой. Будучи менее вредными, чем ХФУ, ГХФУ могут оказывать негативное воздействие на озоновый слой, поэтому они также постепенно сокращаются. Они, в свою очередь, заменяются гидрофторуглеродами (ГФУ) и другими соединениями, которые вообще не разрушают стратосферный озон.

Остаточные эффекты ХФУ, накапливающиеся в атмосфере, приводят к градиенту концентрации между атмосферой и океаном. Это галогенорганическое соединение способно растворяться в поверхностных водах океана и действовать как зависящий от времени индикатор . Этот индикатор помогает ученым изучать циркуляцию океана, отслеживая биологические, физические и химические пути.

Значение для астрономии

Поскольку озон в атмосфере не позволяет наиболее энергичному ультрафиолетовому излучению достигать поверхности Земли, астрономические данные в этих длинах волн необходимо собирать со спутников, вращающихся над атмосферой и озоновым слоем. Большая часть света молодых горячих звезд находится в ультрафиолетовом диапазоне, поэтому изучение этих длин волн важно для изучения происхождения галактик. Galaxy Evolution Explorer, GALEX , - это орбитальный ультрафиолетовый космический телескоп, запущенный 28 апреля 2003 года и проработавший до начала 2012 года.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Наука
Политика

внешние ссылки