6.1.9.1. ПРОБЛЕМЫ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА И ОЗОНОВЫХ "ДЫР"

Как и предыдущая проблема, эта проблема также требует детального рассмотрения. И. Е. Саратов (1998г.) обобщил значительное количество работ по проблемам озона и кислотных дождей, которые использованы при рассмотрении этих проблем.

Озон - это форма химического элемента кислорода в атмосфере. Это очень активный газ. Он ведет себя по-разному в разных условиях и средах. В стратосфере его много и он образует экран, в тропосфере его мало (6-14% от всего содержания в стратосфере). При такой концентрации он благоприятен. Но увеличение его количества ведет к гибели. Удушающие смоги, содержащие озон, губят людей.

Образуется он при грозовых разрядах, электросварке, плазменной резке металла и даже в искре зажигания в двигателях. Он причастен к парниковому эффекту, т.к. поглощение тепла Земли озоном лежит вблизи длины волны 9,6 мкм, где углекислый газ и пары воды "прозрачны" для ИК лучей. Таким образом, "закрывает ту дырку" в спектре теплового излучения, через которую земное тепло могло бы уходить в космос. Озон применяется для дезинфекции, дезодорации, отбеливания тканей, в органическом синтезе различных веществ, очистке сточных вод.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОЗОНЕ. СВОЙСТВА

Озон(О3) - микрогаз, входящий в состав воздуха, представляющий собой аллотропную форму кислорода (аллотропия - свойства некоторых химических элементов существовать в свободном виде в нескольких видоизменениях, различных по физическим и химическим свойствам, например, углерод существует в виде угля, графита, алмаза. Газ синего цвета, в жидком состоянии - темно-синий, в твердом - сине-фиолетовый. Озон открыт в 1840 г. немецким химиком Христапом ШЕНБЕЙНОМ. За его специфический запах Шенбейн назвал его"пахнущим" (озон-по греч.пахнущий). Значительные концентрации 0,002-0,2 мг/л вызывает раздражение дыхательных путей, кашель, рвоту, головокружение, усталость. Таким образом, он ядовит. ПДК озона в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м3, в атмосферном воздухе -0,15 мг/м3. Растворимость озона в воде в 7 раз выше кислорода. В кислой среде растворимость падает, в щелочной - возрастает.

В ультрофиолетовом спектре озон имеет сильную полосу поглощения в интервале 0,2-0,3 мкм (200-300 нм) с максимумом при длине волны равной 0,255 мкм (полоса Гартлея). Это сильный окислитель (за исключением золота и металлов платиновой группы) металлов и органических веществ. Поэтому его используют для обеззараживания воды, сточных вод. В промышленности используют для получения ряда кислот, отбеливателей тканей, минеральных масел и многого другого.

СОДЕРЖАНИЕ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ ЕГО

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ , КОЛЕБАНИЯ.

Общая масса озона в атмосфере Земли 4?10-6 т, т.е. всего 0,64?109 от массы атмосферы. Это значит, что если собрать весь озон и осадить его на горизонтальную площадку поверхности Земли, то он покроет ее слоем равным в среднем для всей земной атмосферы 2,9 мм (толщина этого слоя в одну тысячную долю сантиметра соответствует одной единице Добсона (канадский ученый). Сравним: озона почти 3 мм, а столб атмосферы 8 км. Вес озона на каждый кв.метр не превышает 5-6 грамм.

Озон имеется в тропосфере, стратосфере и мезосфере. В термо-ионосфере его содержание принебрежительного мало. Механизм образования: в приземном воздухе азот и кислород существует практически в форме молекул N2 и О2. Под действием солнечной радиации идут процессы диссоциации (т.е.

Общее количество озона колеблется от 120 до 760 еД при среднем значении 290 еД. Это количество колеблется от сезона к сезону, от широты, от солнечной активности. Колебания с периодом в 26 месяцев зафиксированы, т.е. реально существуют. Они трудно увязываются с периодами на Земле и Солнце. Ближе всего это увязывается с квазидвухлетним (квази-"якобы", "мнимый") колебанием и проявляется, прежде всего, в изменении зонального (т.е. дующего вдоль параллели) ветра в экваториальной атмосфере (2 года и 2 месяца ветер на экваторе дует с запада, а затем резко меняется на восточный) (рис.4)

Итак, согласно приведенному рис.4. максимум приурочен к концу зимы - началу весны (февраль-март), а минимум к осени (сентябрь-октябрь). Наибольший сезонный контраст наблюдается в высоких широтах (70-80° .сш), где его от 450 еД (март) до 280 еД (сентябрь). С уменьшением широты амплитуда сезонных колебаний падает (на 40-43град. - от 350 еД зимой, до 280 еД осенью), а на широтах меньше 30°, сезонные изменения практически отсутствуют (от месяца к месяцу не более, чем на 20 еД). И это понятно, т.к. в тропиках сезоны отсутствуют.

Рис4

Причиной сезонных и широтных колебаний являются фотохимические и динамические процессы, характерные для земной атмосферы. Если солнечное излучение отсутствует или ослаблено (ночь, зима, весна, осень в высоких широтах и т.д) реакция образования озона не идет и разрушение молекул О3 определяется образованием при длинноволновом излучении атома и молекулы кислорода. Эту схему поведения озона впервые предложил еще в 1930 г. английский геофизик ЧЕПМЕН и оно носит его имя (Чепменовские процессы).

Важно знать "время жизни", "время пребывания" озона в атмосфере от его зарождения до гибели. На высоте 40 км фотохимическое время жизни для озона составляет примерно 3 часа, т.е. это значительно быстрее динамических процессов, которые, как правило, длятся одни сутки. На высоте 15 км совсем по-другому: здесь фотохимическое время жизни озона более 100 суток, т.е. дольше динамических процессов. Таким образом, динамические процессы в данном случае могут повлиять на озон, а значит, концентрация О3 будет отражать интенсивность именно динамических процессов. Более того, установлено, что озон при восходящих процессах, подымаясь вверх, становится "тонким", а значит общее количество озона будет меньше, а при нисходящих процессах озона больше, следовательно, происходит и утолщение слоя озона.

Теперь ясно каков механизм сезонного хода. В течение зимы происходит накопление (разрушающее влияние солнечного излучения слабо) озона. Таким образом, форма профиля озона определяется динамическими процессами. Именно фотохимические процессы определяют характер распределения озона, а динамические только перераспределяют то, что уже создано.