Озоновый слой | это… Что такое Озоновый слой?

Озоновый слой в атмосфере

Абсорбция ультрафиолетового излучения озоновым слоем

Озо́новый слой — часть стратосферы на высоте от 12 до 50 км (в тропических широтах 25—30 км, в умеренных 20—25, в полярных 15—20), в которой под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца молекулярный кислород (О₂) диссоциирует на атомы, которые затем соединяются с другими молекулами О₂, образуя озон (О₃). Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов^[1] и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20—25 км, наибольшая часть в общем объёме — на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

История открытия озонового слоя

Открывателями озонового слоя были французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон. В 1912 году им удалось с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы.

Механизм Чепмена

Механизм образования, а также расходования озона был предложен Сидни Чепменом в 1930 году и носит его имя.

Реакции образования озона :

О₂ + hν → 2О.

О₂ + O → О₃.

Фотолиз молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения с длиной волны 175—200 нм и до 242 нм.

Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом:

О₃ + hν → О₂ + О.

О₃ + O → 2О₂.

Пути гибели озона

Стратосферная химия озона

Кроме реакций, входящих в механизм Чепмена, имеется целый ряд других реакций, приводящих к гибели озона. Их все объединяют в несколько семейств, главными из которых является азотное, кислородное (из механизма Чепмена), водородное и галогеновое. Эти реакции представляют собой каталитические циклы, поэтому их также называют соответствующими циклами.

Азотный цикл (NO_x):

N₂O + O(¹D) → NO + NO,

О₃ + NO → NO₂ + О₂,

NO₂ + О → NO + О₂.

Водородный цикл (HO_x):

Н₂O + O → OH + OH,

ОН + О₃ → НО₂ + О₂,

НО₂ + О₃ → ОН + 2О₂.

Хлорный цикл (ClO_x):

CFCl₃ + hν → CFCl₂ + Cl,

Cl + O₃ → ClO + O₂,

ClO + O → Cl + O₂.

Доля в расходовании озона различных химических семейств:^[2]

Доля галогенового пути распада стратосферного озона увеличилась в результате деятельности человека, что привело к возникновению озоновых дыр. Генеральная ассамблея ООН в 1994 году провозгласила 16 сентября ежегодным Международным днём охраны озонового слоя.

Примечания

1. ↑ И.К. Ларин Химия озонового слоя и жизнь на Земле // Химия и жизнь — XXI век. — 2000. — № 7. — С. 10–15..
2. ↑ Andrew Dessler. The Chemistry and Physics of Stratospheric Ozone. Academic Press. 2000

См. также

• Озоновая дыра
• Монреальский протокол
• Международный день охраны озонового слоя

Ссылки

• Озоновый слой Земли.
• Химия озонового слоя.

Статьи и обзоры

• Озон в атмосфере. Озоновый слой — ультрафиолетовый щит Земли
• Химия и алхимия озонового слоя
• Охрана озонового слоя в мире

Международные соглашения

• Венская конвенция об охране озонового слоя
• Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой

Озоновый слой: функции и значение

Большая часть атмосферного озона сконцентрирована в слое стратосферы, расположенном на высоте около 15-30 км над поверхностью Земли.

Озон — это молекула, содержащая три атома кислорода. В любой момент времени молекулы озона постоянно образуются и разрушаются в стратосфере. Общее количество озона оставалось относительно стабильным на протяжении многих десятилетий, но в конце 20-го века процесс разрушения атмосферного озона превышал его восстановление.

Озоновый слой Земли защищает всю жизнь на планете от вредного излучения Солнца, но человеческая деятельность повредила этот щит. Меньшая защита озоновым слоем от ультрафиолетового (УФ) излучения со временем нанесет вред здоровью человека и приведет к повышению заболеваемости раком кожи и катарактой.

Структура атмосферы Земли

Атмосфера Земли состоит из нескольких слоев. Самый нижний слой, тропосфера. Тропосфера простирается от поверхности Земли на высоту около 10 км, хотя эта высота варьируется в зависимости от широты. Почти все погодные явления происходят в тропосфере. Высота Эвереста, самой высокой горы на Земле, составляет всего 8,8 км.

С уменьшением высоты в тропосфере температура уменьшается. По мере того, как тёплый воздух поднимается, он охлаждается, опускаясь обратно на Землю. Этот процесс, известный как конвекция, означает, что существуют огромные перемещения воздуха, которые очень эффективно перемешивают тропосферу. Практически вся человеческая деятельность происходит в тропосфере.

Следующий слой — стратосфера, слой атмосферы над тропосферой. Стратосфера простирается на высоте от 10 км до 50 км. Коммерческие авиакомпании летают в нижних слоях стратосферы. На больших высотах стратосфера становится теплее. Фактически, это потепление вызвано озоном, поглощающим ультрафиолетовое излучение.

Теплый воздух остается в верхних слоях стратосферы, а холодный — ниже, поэтому вертикальные смещения воздушных масс в этом слое гораздо более редки, чем в тропосфере.

Каково значение озонового слоя?

Озоновый слой в стратосфере поглощает часть излучения Солнца, не позволяя ему достичь поверхности планеты. Самое главное, он поглощает часть ультрафиолетового излучения, называемого средневолновой ультрафиолет B (УФ-B).

УФ-B — диапазон ультрафиолетового излучения с длиной волны от 280 до 320 нанометров, производимого Солнцем. УФ-B — это вид ультрафиолетового света от Солнца), который имеет несколько вредных эффектов. УФ-B особенно эффективен при повреждении ДНК. Он является причиной меланомы и других видов рака кожи. Он также связан с разрушением некоторых материалов и уничтожением микроорганизмов.

Озоновый слой защищает Землю от большинства ультрафиолетовых лучей, исходящих от Солнца. Всегда важно защищать себя от УФ-B, даже при отсутствии истощения озонового слоя, надевая шляпы, солнечные очки и солнцезащитный крем. Однако, эти меры предосторожности будут становиться все более важными по мере того, как истощение озонового слоя будет усугубляться. УФ-B связан со многими вредными последствиями, включая рак кожи, катаракту и вред, наносимый некоторым растительным культурам и флоре и фауне.

Не хотите чтобы продолжалось разрушение озонового слоя? Вот что можно сделать ваша организация:

• Измерить выбросы в атмосферу
• Провести инвентаризацию выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух
• Разработать проект нормативов допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух
• Получить разрешение на выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух
• Разработать паспорта газоочистных установок
• Заказать контроль выбросов от стационарных источников
• Заказать расчет рассеивания выбросов загрязняющих веществ в атмосферу

Что происходит с озоновым слоем?

Ученые провели исследования, в ходе которых получили данные за несколько десятилетий, в которых подробно описываются нормальные уровни озона во время природных циклов. Концентрация озона в атмосфере естественным образом меняется в зависимости от солнечных пятен, времени года и широты. Эти процессы хорошо изучены и предсказуемы.

За каждым естественным снижением уровня озона следует восстановление. Однако начиная с 1970-х годов научные данные свидетельствуют о том, что озоновый слой разрушается с темпами, превышающими пределы естественных процессов.

Озон и ты | Ozone Секретариат

   ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ

Озоновый слой представляет собой область с высокой концентрацией озона в стратосфере на высоте от 15 до 35 километров над поверхностью Земли. Озоновый слой действует как невидимый щит и защищает нас от вредного ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. В частности, озоновый слой защищает нас от УФ-излучения, известного как УФ-В, которое вызывает солнечные ожоги. Длительное воздействие высоких уровней УФ-В угрожает здоровью человека и наносит ущерб большинству животных, растений и микробов, поэтому озоновый слой защищает всю жизнь на Земле.

   ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ

Озон поглощает ультрафиолетовое излучение солнца. Когда молекула озона поглощает УФ-В, она распадается на молекулу кислорода (O ₂ ) и отдельный атом кислорода (O). Позже эти два компонента могут реформировать молекулу озона (O ₃ ). Поглощая УФ-В в стратосфере, озоновый слой предотвращает попадание вредных уровней этого излучения на поверхность Земли.

   ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ

Озон постоянно производится и уничтожается. Помимо УФ-В, солнце также излучает другую форму ультрафиолетового света, УФ-С. Когда свет УФ-С достигает стратосферы, он полностью поглощается молекулами кислорода и никогда не достигает поверхности Земли. УФ-С расщепляет молекулы кислорода на атомы кислорода. Затем эти отдельные атомы реагируют с другими молекулами кислорода с образованием озона. Итак, эти реакции увеличивают количество озона в стратосфере.

Но озон не единственный газ в стратосфере. Другие газы, содержащие азот и водород, также находятся в стратосфере и участвуют в реакционных циклах, которые разрушают озон, превращая его обратно в кислород. Таким образом, эти реакции уменьшают количество озона в стратосфере.

При отсутствии нарушений баланс между естественными процессами образования и разрушения озона поддерживает постоянную концентрацию озона в стратосфере. К сожалению, мы, люди, не оставляем этот естественный процесс нетронутым…

   ПРОБЛЕМА

В середине 1970-х годов ученые поняли, что озоновому слою угрожает накопление в атмосфере газов, содержащих галогены (хлор и бром). Затем, в середине 1980-х годов, ученые обнаружили «дыру» в озоновом слое над Антарктидой — области земной атмосферы с сильным истощением.

Итак, что вызывает истончение озонового слоя вокруг земного шара и «озоновую дыру» над Антарктидой?

Было установлено, что искусственные химические вещества, содержащие галогены, являются основной причиной потери озона. Эти химические вещества известны под общим названием озоноразрушающие вещества (ОРВ). ОРВ использовались буквально в тысячах продуктов в повседневной жизни людей по всему миру.

Наиболее важными ОРВ были хлорфторуглероды (ХФУ), которые в свое время широко использовались в кондиционерах, холодильниках, аэрозольных баллончиках и ингаляторах, которыми пользовались больные астмой. Другие химические вещества, такие как гидрохлорфторуглероды (ГХФУ), галоны и бромистый метил, также разрушают озоновый слой. Большинство наших компьютеров, электроники и деталей бытовой техники очищались озоноразрушающими растворителями. Приборные панели автомобилей, изоляционные пены в наших домах и офисных зданиях, бойлеры и даже подошвы для обуви были изготовлены с использованием ХФУ или ГХФУ. Галоны для противопожарной защиты широко используются в офисах, компьютерных центрах, военных базах, самолетах и ​​кораблях. Многие фрукты и овощи, которые мы ели, были обработаны бромистым метилом для уничтожения вредителей.

Как эти химикаты разрушают озон?

Когда молекула CFC достигает стратосферы, она в конечном итоге поглощает УФ-излучение, что приводит к ее разложению и высвобождению атомов хлора. Один атом хлора может разрушить до 100 000 молекул озона. Слишком многие из этих реакций хлора и брома нарушают хрупкий химический баланс, поддерживающий озоновый слой, в результате чего озон разрушается быстрее, чем создается.

ПОСЛЕДСТВИЯ

Благодаря Монреальскому протоколу мы избежали мира, в котором над Арктикой и Антарктикой ежегодно возникали бы серьезные озоновые дыры. К середине 21 ^{-го 90-го 103-го века серьезное истощение озонового слоя распространилось бы по всей планете, включая тропики. Но насколько большое увеличение УФ-В могло бы произойти в результате неконтролируемого истощения озона? И как повышенный уровень УФ-В повлиял бы на людей, производство продуктов питания, экосистемы и даже строительные материалы? Давайте рассмотрим некоторые последствия неспособности контролировать разрушение озонового слоя.}

    ПОСЛЕДСТВИЯ

Истощение озонового слоя позволяет большему количеству УФ-В-излучения достигать поверхности Земли, но УФ-В также изменяется естественным образом. Уровни УФ-В-излучения выше в тропиках, чем в умеренных или полярных широтах, и выше на больших высотах, чем на уровне моря. УФ-В также предсказуемо меняется в зависимости от времени года (в умеренных и высоких широтах УФ-В достигает своего максимума в середине лета) и от времени суток (пиковые уровни наблюдаются примерно в середине дня). Изменения в облаке также имеют большое влияние.

Одним из способов измерения естественного изменения УФ-В является УФ-индекс (УФИ) ^[ВОЗ1] . UVI — это мера солнечного УФ-излучения, которое в настоящее время обычно используется для отображения уровней УФ-излучения в прогнозах погоды. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определяет любой УФ-излучение выше 11 как экстремальный ^[ВОЗ2] , но с защитой неповрежденного озонового слоя такие высокие УФП возникают только на больших высотах в тропиках ^[ВОЗ3] .

Компьютерные модели дают нам представление об УФ-излучении в мире, где нет Монреальского протокола (его часто называют «избегаемым миром»). К середине этого века значения UVI превышали 25 на большинстве широт, а UVI достигало бы около 50 в тропиках, что в пять раз превышает нынешнее определение «экстремального» УФ-излучения.

Ущерб здоровью и благополучию человека

Несмотря на Монреальский протокол по защите озонового слоя, мы все должны стараться избегать чрезмерного пребывания на солнце, чтобы снизить риск таких заболеваний, как рак кожи и катаракта, которые вызывают при чрезмерном воздействии УФ-В излучения. Но что, если бы Монреальский протокол не увенчался успехом? Как неконтролируемое истощение озонового слоя повлияло бы на основные заболевания в этом мире?

    ПОСЛЕДСТВИЯ

Существует прочная связь между чрезмерным воздействием УФ-излучения и развитием трех наиболее распространенных форм рака кожи (злокачественная меланома, базально-клеточная карцинома и плоскоклеточная карцинома). Даже сейчас, после успешного внедрения Монреальского протокола, рак кожи является одной из наиболее распространенных форм рака, особенно у людей с бледной кожей ^[ВОЗ5] .

Понимание того, как распространенность рака кожи увеличилась бы из-за неконтролируемого истощения озонового слоя, приходит из компьютерных моделей мира, которого избегают. Эти модели объединяют наше понимание того, как озоноразрушающие вещества влияют на озоновый слой, как изменения в озоновом слое влияют на УФ-излучение и как УФ-излучение влияет на заболеваемость раком кожи.

Например, одна глобальная модель предполагает, что к 2030 году успешная реализация Монреальского протокола позволит ежегодно предотвращать около двух миллионов случаев рака кожи. Долгосрочная модель сфокусирована на воздействии на здоровье людей, родившихся в США между 1890 и 2100 годами. По оценкам этой модели, защита озонового слоя предотвратит в общей сложности примерно 443 миллиона случаев рака кожи и 2,3 миллиона смертей от рака кожи в США. один. Это включает 8-10 миллионов случаев злокачественной меланомы. До сих пор не существует долгосрочных моделей рака кожи, которых можно было бы избежать во всем мире. Однако все существующие модели приводят к одному и тому же выводу. Неконтролируемое истощение озонового слоя существенно увеличило бы риск развития рака кожи во всем мире.

    ПОСЛЕДСТВИЯ

Воздействие высоких уровней УФ-излучения повышает риск развития катаракты. Всемирная организация здравоохранения уже считает катаракту приоритетным заболеванием глаз ^[WHO6] . Катаракта является причиной примерно половины случаев слепоты во всем мире, что эквивалентно примерно 20 миллионам человек в 2010 г. ^[WHO6] . На данный момент всемирно избегаемая модель катаракты доступна только для США. Эта модель показывает, что неспособность эффективно контролировать разрушение озонового слоя привела бы к почти 63 миллионам дополнительных случаев катаракты у людей, родившихся в США в период между 189 и 19 годами.0 и 2100.

    ПОСЛЕДСТВИЯ

Наряду с раком кожи и катарактой УФ-излучение может иметь и другие последствия для здоровья. Эти эффекты включают выработку витамина D в коже, что полезно для здоровья. В мире, в котором мы живем сейчас, при эффективной защите озонового слоя существует баланс между положительным и отрицательным воздействием УФ-В ^[ВОЗ4] . Если бы мы не смогли защитить озоновый слой, баланс резко изменился бы в сторону негатива, прежде всего повышенного риска рака кожи и катаракты. Избежав этих негативных последствий, Монреальский протокол внес значительный вклад в укрепление здоровья и благополучия, что является одной из целей устойчивого развития, принятых всеми государствами-членами Организации Объединенных Наций в 2015 г.

    ПОСЛЕДСТВИЯ

В ходе эволюции животные, растения и микробы выработали механизмы, позволяющие им справляться с колебаниями УФ-В излучения, с которыми они сталкиваются в своей обычной среде, защищенные неповрежденным озоновым слоем. Это включает в себя растения и животных, от которых мы все полагаемся в пищу.

Культурам для фотосинтеза необходим солнечный свет, поэтому они не могут избежать воздействия УФ-В. Они разработали системы, которые уменьшают или восстанавливают повреждения, включая пигменты, которые действуют как «солнцезащитные экраны». Как и в случае со здоровьем человека, существует баланс между положительным и отрицательным воздействием УФ-В на растения. Неконтролируемое истощение озонового слоя сильно сместило бы этот баланс в отрицательную сторону.

Повышенное воздействие УФ-излучения может повредить водные пищевые цепи и нанести прямой ущерб ракообразным и икре рыб. В результате неконтролируемое истощение озонового слоя поставило бы под угрозу рыболовство и другие водные ресурсы, которые вносят значительный вклад в глобальное снабжение продовольствием.

Пока еще не существует моделей производства продуктов питания, которых «избегают в мире». Существуют приблизительные цифры взаимосвязи между истощением озонового слоя и ростом растений. Это предполагает, что 10-процентное сокращение стратосферного озона может снизить урожайность растений примерно на 6 процентов. Если эта взаимосвязь верна для очень серьезного истощения озона, ожидаемого в мире, которого удалось избежать, то неконтролируемое истощение озона привело бы к существенному сокращению производства сельскохозяйственных культур во всем мире.

В целом, хотя мы пока не можем дать количественную оценку потерь в производстве продуктов питания, ясно, что без Монреальского протокола истощение озонового слоя сделало бы достижение цели устойчивого развития по искоренению голода все более сложной задачей.

    ПОСЛЕДСТВИЯ

Неконтролируемое истощение озонового слоя угрожает не только производству продуктов питания, но и растениям, животным и микробам в природных экосистемах. Эти экосистемы обеспечивают «экосистемные услуги», на которые мы все рассчитываем, обеспечивая чистый воздух и чистую воду, а также поглощая углекислый газ для атмосферы.

    ПОСЛЕДСТВИЯ

Как и сельскохозяйственные культуры, дикорастущие растения способны справляться с нынешними уровнями УФ-В излучения, но их рост можно замедлить за счет значительного увеличения УФ-В. Похоже, что большинство животных также могут избежать разрушительного воздействия нынешних уровней УФ-В-излучения. Мы не знаем, в какой момент механизмы защиты животных были бы перегружены беспрецедентным ростом УФ-В в мире, которого удалось избежать. Даже в этом случае повреждение растений уменьшит количество пищи, доступной для травоядных, с последствиями для всей пищевой сети.

    ПОСЛЕДСТВИЯ

Океаны — крупнейшие экосистемы Земли. Они содержат микроорганизмы, животных и растения, которые обеспечивают нас половиной кислорода, которым мы дышим, и большей частью пищи, которую мы едим. Здоровый океан жизненно важен для нашего выживания.

В океанах, озерах и реках УФ-В оказывает неблагоприятное воздействие на многие различные аспекты биологии организмов в пищевой цепи. Несмотря на то, что не существует моделей реакции экосистем, которых можно было бы избежать, значительное увеличение УФ-В привело бы к нарушению целых пищевых сетей, что поставило бы под угрозу биоразнообразие и экосистемные услуги.

    ПОСЛЕДСТВИЯ

Благодаря такому воздействию на экосистемы крупномасштабное увеличение УФ-В может изменить обмен углекислым газом между атмосферой и биосферой. Повышенное ультрафиолетовое излучение также стимулирует расщепление гниющих листьев и других органических веществ. В совокупности воздействие повышенного уровня УФ-В уменьшит способность экосистем улавливать углекислый газ, в том числе углекислый газ, образующийся в результате деятельности человека. Таким образом, крупномасштабное истощение озонового слоя усугубило бы накопление углекислого газа в атмосфере, вызывающее изменение климата. Изменение УФ-В также изменяет круговорот азота и других химических веществ в окружающей среде, что может усугубить загрязнение воздуха.

    ПОСЛЕДСТВИЯ

Воздействие УФ-В также повреждает натуральные и синтетические материалы. К уязвимым материалам относятся дерево, пластик, резина и даже материалы, используемые в некоторых солнечных панелях. Эти материалы, широко используемые в строительстве, сельском хозяйстве и коммерческих продуктах, уже предназначены для минимизации ущерба, причиняемого УФ-излучением.

Крупномасштабное истощение озонового слоя, вызывающее большее воздействие солнечных УФ-лучей, может увеличить этот ущерб и ослабить эти материалы. Это привело бы к более быстрому износу и необходимости дополнительной защиты от УФ-излучения, увеличению стоимости и снижению надежности многих изделий.