Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев, один из которых – озоновый. При взаимодействии солнечного излучения с кислородом на высоте от 15 до 35 километров от земной поверхности образуется оболочка, влияющая на климат и развитие живых организмов. Защитная функция озонового слоя (экрана, озоносферы) заключается в препятствовании проникновения высоких доз ультрафиолетового излучения в нижние слои атмосферы, являющейся средой обитания большинства живых организмов. Особенность слоя в том, что его целостность может быть нарушена по ряду естественных или антропогенных причин.
История открытия
Только в XIII веке ученые смогли предположить, а затем в начале XX века доказать наличие озона в слоях земной атмосферы. Все началось в 1785 году, когда нидерландский физик Мартин Ван Марум обнаружил озон во время одного из своих опытов. Он построил машину, через которую пропускал электрические искры. Характерный запах вместе с доказанным наличием окислительных свойств, образующихся при пропуске электрического заряда, позволили в дальнейшем открыть трехатомную модификацию кислорода – озон.
Открытие вещества с описанием его свойств совершил Кристиан Фридрих Шенбейн в 1839 году. Немецкий химик получил его лабораторным путем, а также написал книгу, выпущенную в 1844 году, – «Получение озона химическими способами». Название озону дано по греческому слову, обозначающему «пахну» – это связано с резким запахом.
Существование озонового слоя в атмосфере Земли было открыто в 1912 году французскими физиками Шарлем Фабри и Анри Буиссоном. Ученые производили измерения солнечного излучения, заметив, что до земной поверхности не доходят ультрафиолетовые лучи конца светового спектра длиной менее 315 нанометров.
Существенный вклад в точные измерения озонового слоя, располагающегося на разной высоте относительно земной поверхности, внес британский метеоролог Гордон Миллер Борн Добсон. Ученый изобрел озоновый спектрометр (Добсонометр), необходимый для измерения количество озона прямо с поверхности земли. Для этого в течение 1928-1958 годов по всему миру была создана сеть станций, функционирующая по сей день. А содержание озона в атмосфере выражается с помощью Единицы Добсона, учитывающая содержание озоновых молекул на квадратный сантиметр.
Характеристики озонового слоя
Высота расположения c в разных частях Земли отличается и составляет по наиболее распространенной оценке 15-35 километров от поверхности.
Существуют более широкие оценки: от 10 до 50 километров. В зависимости от климата выделяются три основных значения высоты озонового слоя:
| Климат | Высота, км |
|---|---|
| Тропический | 25-30 |
| Умеренный | 20-25 |
| Полярный | 15-20 |
Слой целиком располагается в зоне стратосферы, им ограничен верхний жизненный предел в биосфере. Точное значение толщина рассчитать невозможно из-за изменяющихся условий: температуры и давления. При нормальных значениях (0 градусов, давление 100 кПа) толщина озоносферы составила бы от 1,7 до 4 миллиметров.
Озоновый экран полностью состоит из трехатомного кислорода O3. Он формируется под действием солнечного излучения на двухатомный кислород O2, содержащегося в стратосфере. Взаимодействие приводит сначала к распаду двух атомов, а затем – к соединению трех. За счет этого происходит формирование озонового слоя, который поглощает наиболее опасные ультрафиолетовые лучи.
Основные функции и польза
Защита нижних слоев атмосферы от опасного ультрафиолетового излучения – основная задача, выполняемая озоновым слоем.
Выделяется несколько групп ультрафиолетового излучения по длине волны, которые имеют разную поглощаемость слоем озона:
| Длина лучей, нм | Поглощаемость | Опасность |
|---|---|---|
| 315-400 | Не поглощается | Не опасны |
| 280-315 | Частично поглощается | Опасны для человека при длительном воздействии |
| менее 280 | Полностью поглощаются | Опасны для всей экосистемы |
Кроме того, для определения поглощаемости используются “полосы поглощения”, названные в честь ученых:
| Длина лучей, нм | Название полосы |
|---|---|
| 400-750 | Шапюи |
| 300-400 | Хаггинса и Шалона-Лефевра |
| 240-300 | Хартли |
Возможная опасность озона
Опасность проникновения коротковолновых лучей к нижним слоям атмосферы грозит нарушением процессов фотосинтеза, за счет которых обеспечивается жизнь на земной поверхности. Также воздействие излишнего излучения на человека приводит к развитию кожных, глазных, кровеносных заболеваний. Повышенная концентрация озона обладает токсичностью, приводящую к негативным для организма последствиям:
- раздражению дыхательных путей;
- развитию атеросклероза;
- влиянию на репродуктивные функции мужчин;
- развитию сердечно-сосудистых заболеваний.
Контакт озона с огнем приводит к взрыву независимо от его состояния: жидкого или газообразного.
Процесс образования озонового слоя
Озон формируется на границе тропосферы и стратосферы, причем его попадание в нижний слой атмосферы представляет опасность. На границе двух атмосферных зон коротковолновые ультрафиолетовые лучи вступают во взаимодействие с кислородом. Если длина волны менее 242 нм, то под действием излучения двухатомная молекула кислорода O2 расщепляется на два отдельных атома (O, O). Каждый из них затем вступает в новую реакцию – с нерасщепленным двухатомным кислородом O2. В результате второй реакции образуется трехатомная молекула кислорода O3 – озон. Подобная реакция была обнаружена и описана британским геофизиком С. Чепменом, в честь которого и получила свое название – механизм Чепмена.
Озоновые дыры
В течение XX века на планете формировалась сеть метеорологических станций, одна из задач которой заключается в проведении спектрологических измерений.
Подобное снижение содержания озона было обнаружено и на другом конце планеты – в Арктике. Там снижение составило 5-9%, площадь дыры регулярно меняется, причем в настоящее время она снижается. Регулярные наблюдения осуществляются только над состоянием Антарктической дыры. Третья обнаруженная крупнейшая дыра – Тибетская. По некоторым оценкам ее площадь может составлять до 2,5 миллионов квадратных километров.
Основные причины их появления
Возникновение озоновых дыр в атмосфере связано с действиями факторов двух групп:
- антропогенными;
- естественными.
Обнаружение озоносферы произошло в тот же период, что и развитие массового промышленного производства. Из-за этого невозможно точно оценить воздействие антропогенных факторов относительно прежних временных промежутков. Ученые связывают возникновение разрывов в озоновой оболочке с выбросами фреонов, содержащих бром и хлор. Подобные вещества содержатся в следующих предметах:
- холодильные установки;
- кондиционеры;
- аэрозоли.
По оценкам ученых на подобные источники приходится до 80% разрушенного озонового экрана. Разрушение происходит за счет поднятия фреона в верхние слои, во время чего выделяется хлор. В верхних слоях хлор взаимодействует с озоном, расщепляя его. Разрушение озоносферы происходит за счет воздушного транспорта: самолетов и космических ракет. При выбросах газа в атмосферу попадают элементы, способствующие уничтожению озона в стратосфере. К таким соединениям относятся: хлор, оксиды азота, двуокиси углерода. Кроме того, оксиды азота выделяются при применении сельскохозяйственных удобрений.
Возможные последствия
Постепенное разрушение озоновой защиты приводит к глобальным изменениям климата на Земле. За счет защитной оболочки на планете поддерживаются следующие условия:
- удерживается тепло;
- развиваются биологические процессы внутри защитной оболочки.
Истощение озонового слоя повлечет смену направлений ветра, понижение температуры, засуху, остановит развитие живых организмов на поверхности, ограничив ареол обитания только водными просторами.
Снижение толщины озоновой оболочки приведет к проникновению опасных коротковолновых ультрафиолетовых лучей и их влиянию на человека. Хватит нескольких минут, чтобы эти лучи привели к ожогам, нарушению работы дыхательных и кровеносных сосудов.
Пути решения проблемы в мире и России
После обнаружения гигантской озоновой дыры над Антарктидой ООН собрала мировую общественность для решения проблемы. По итогам встречи был принят Монреальский протокол, регулирующий промышленные выбросы фреона и других химических элементов, способных разрушать озон. Согласно протоколу, запрещено применение хлорфторуглерода в аэрозолях. Меры по защите включают замену фреона на другие вещества:
- углекислый газ;
- нетоксичный пропан;
- аммиак;
- изобутан.
Мифы об озоновых дырах
Одно из главных заблуждений было связано с антропогенными причинами разрушения озонового слоя. Самые крупные дыры расположены в ненаселенных частях планеты, на которых полностью отсутствует какое-либо производство. Конкретно в этих зонах возникновение дыр связано с нарушением процесса образования озона из-за полярных ночей.
В остальных случаях преобладают антропогенные факторы, а не естественные. На разрушение влияют не только соединения фреона, но и другие вещества, попадающие в атмосферу и способные расщеплять озон.
