Озоновый слой

Химические особенности

Озон, О3 - аллотропная модификация кислорода, отличающаяся высокой реакционной способностью. Это неустойчивое вещество, при нормальных условиях легко распадающееся до кислорода О2, приобретает стабильность при высоком давлении и сильно пониженной температуре. Озон легко окисляет металлы до высших степеней окисления, водород до воды, аммиак до нитрата аммония, оксиды азота до азотного ангидрида, соединения серы до серной кислоты.

Реакции синтеза и распада озона

В тематической литературе существует устоявшийся термин «нечетный кислород», означающий сумму озона и обоих состояний атомарного кислорода, причем в стратосфере основным компонентом этой суммы является озон:

=O3+O(3P)+O(1D)

Основной источник нечетного кислорода в атмосфере - фотодиссоциация молекул кислорода под действием ультрафиолета:

2 + hv = O(3P)+O(1D)

при длине волны 175>λ>137нм либо

2 + hv = 2O(3P)

при длине волны 242>λ>175нм. Атомы кислорода в основном состоянии реагируют с молекулярным кислородом, образуя озон:2+O(3P)=O3

Атомы кислорода в возбужденном состоянии переходят в основное при столкновениях с молекулами кислорода или азота, после чего вступают в ту же реакцию. Однако в возбужденном состоянии они могут взаимодействовать и с озоном, по следующей реакции (это приводит к убыли нечетного кислорода):

3+O(1D)= О2+2О(3P).

+OH=CO2+H+O2=HO22+NO=NO2+OH2+hv=NO+O

Как мы видим, в данном случае оксид азота и гидроксильный радикал играют роль катализаторов, а итоговое уравнение сводится к:

+O2+hv=CO2+O.

Метановый путь несколько более сложен и включает в себя следующие реакции:

4+OH=CH3+H2O3+O2=CH3O23O2+NO=CH3O+NO23O+O2=HO2+H2CO2+NO=OH+NO2

Диоксид азота распадается по той же реакции, что и в предыдущем примере, оксид азота регенерирует. Формальдегид либо подвергается дальнейшему окислению до углекислого газа и воды, либо под действием излучения распадается на водород и угарный газ.

Существует несколько путей распада озона, например, взаимодействие озона с атомарным кислородом:

3+O(1D)=2O2

Атомарный кислород при этом происходит либо из O2, либо из молекулы озона:

3+hv=O2+O

Если λ<310нм, то атом кислорода оказывается в возбужденном состоянии, что позволяет ему вступать в предыдущую описанную реакцию.

Кроме того, разрушение озона катализируется многими соединениями брома и йода.

Текущее состояние и тенденции озонового слоя

В результате многолетних наблюдений было установлено, что существуют регулярные и устойчивые колебания количества суммарного озона на всех широтах, кроме тропических, с максимумом весной и минимумом осенью.

Тем не менее, считается, что выброс двух групп соединений может привести к изменению количества общесреднего озона в стратосфере. Первая группа таких соединений - это фторхлоруглероды различного состава, так называемые фреоны. Считается, что наиболее сильно проявили себя в этом роде вещества состава CFCl3иCF2Cl2, но величины озонразрушающего потенциала этих веществ, как, впрочем, и других галогенуглеродов, являются числами ориентировочными, не вполне соответствующими атмосферным условиям.

Человечество активно использует галогенорганику, и представляется маловероятным, чтобы можно было единовременно отказаться от значительной доли достижений органической химии. Однако согласно модельным сценариям, нынешний темп выброса этих соединений в атмосферу при отсутствии каких-либо компенсирующих мер приведет к существенному истощению озонового слоя.

Вторая группа соединений - это газы, по различным причинам компенсирующие либо замедляющие разрушение озона. Например,CO2, углекислый газ, практически не участвует в фотохимических реакциях, зато обеспечивает более половины общего парникового эффекта. При увеличении его концентрации, что в современном обществе представляется неизбежным, поднимется температура тропосферы, стратосфера же охладится. Такое охлаждение отчасти предотвратит разрушение озона под действием оксида азота.

Что же касается таких газов, как CO, CH4, H2, то в первую очередь они воздействуют на концентрацию озона путем его образования по описанным выше путям. Дополнительными факторами в данном случае могут служить:

·Уменьшение концентрации гидроксильного и пероксильного радикала, поскольку эти вещества довольно активно вступают с ними в реакции окисления

·Увеличение влажности стратосферы в результате окисления этих газов, а высокая влажность способствует выхолаживанию и температурной стабилизации озона

4+Cl=HCl+CH32+Cl=HCl+H

Влияние ультрафиолета на человека

Ультрафиолетовую часть спектра зачастую делят на три области

• Ближний ультрафиолет, 320-400 нм, спокойно достигает поверхности земли, не оказывает негативного влияния на организмы, приспособленные к нахождению под солнцем.
• Средний ультрафиолет, эритемное излучение, 290-320 нм. Частично доходящее до поверхности Земли излучение. Эритемным названо за способность вызывать покраснение покровов, а позже загар в качестве защитной реакции. Необходимо для образования в коже витамина Д.
• Дальний, жесткий ультрафиолет, 190-290 нм. В большинстве поглощается озоном и кислородом атмосферы. В этой области находится максимум поглощения ДНК, из-за чего является сильным мутагеном.

Международные соглашения в области охраны озонового слоя

Исследования атмосферного озона практически всегда координировались международными метеорологическими и геофизическими организациями. В Международный Геофизический Год (1957) был открыт ряд озонометрических станций, оформлено и налажено их взаимодействие. Был основан Международный центр данных по озону при метеослужбе Канады, обрабатывающий и публикующий сводки со 120 озонометрических станций по всему миру.

Усиление научного интереса наблюдалось в начале 70х годов в связи с появлением сверхзвуковых пассажирских самолетов. Публиковались данные о вредоносности для озонового слоя оксидов азота. Была организована СИАП - правительственная программа США «Оценка воздействий на климат», в данном случае показавшая отрицательный результат. Тем не менее, исследования, проведенные в ее рамках, легли в основу современных знаний о динамике озона в стратосфере.

В 1977 году был принят Мировой план действий по озоновому слою, включавший поиск угроз, их моделирование и предотвращение, оценку воздействия УФ света на человека.

В 1985 году была принята Венская конвенция, страны-участницы которой обязались изучить:

• Процессы, влияющие на озоновый слой
• Влияние изменений озонового слоя на климат
• Влияние изменений озонового слоя и УФ облучения на здоровье человека

Был установлен список опасных для озонового слоя веществ.

Ключевым соглашением стала Монреальская конвенция (1987), где был составлен список галогенуглеводородов, ограниченных к производству, использованию и выбросу в окружающую среду. Страны-участницы обязались снизить оборот этих веществ до 80% к 1993 году и до 50% к 1986 году.
 

Литература

Александров Е. Л. и др. Озонный щит Земли и его изменения.

Гущин Г. П., Виноградова Н. Н. Суммарный озон в атмосфере.

Хргиан А. Х. Физика атмосферного озона.