Озоновый слой - Ozone layer

Озоново-кислородный цикл в озоновом слое.

В озоновый слой или же озоновый щит это регион земной шар с стратосфера который поглощает большую часть солнце с ультрафиолетовый радиация. Он содержит высокую концентрацию озон (O3) по отношению к другим частям атмосферы, хотя все еще мало 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 9,3 до 21,7 миль) над Землей, хотя его толщина меняется в зависимости от сезона и географически.[1]

Озоновый слой был открыт в 1913 году французскими физиками. Чарльз Фабри и Анри Бюиссон. Измерения Солнца показали, что излучение, исходящее от его поверхности и достигающее земли на Земле, обычно соответствует спектру солнечного света. черное тело с температурой в диапазоне 5 500–6 000 К (5 227–5 727 ° C), за исключением того, что не было излучения с длиной волны ниже примерно 310 нм в ультрафиолетовой части спектра. 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.[2] Его свойства подробно исследовал британский метеоролог. Г. М. Б. Добсон, который разработал простой спектрофотометр (в Добсонметр ), который можно 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. "Блок Добсона ", удобная мера количество озона над головой, назван в его честь.

Озоновый слой поглощает от 97 до 99 процентов среднечастотного ультрафиолетового света Солнца (примерно от 200нм до 315 нм длина волны ), которые в противном случае потенциально могут повредить открытые формы жизни у поверхности.[3]

В 1976 году атмосферные исследования показали, что озоновый слой истощается за счет химических веществ, выделяемых промышленностью, в основном хлорфторуглероды (ХФУ). Опасения, что повышенное УФ-излучение из-за истощение озонового слоя угроза жизни на Земле, включая рост рака кожи у людей и другие экологические проблемы,[4] привели к запрету на химические вещества, и последнее свидетельство того, что истощение озонового слоя замедлилось или остановилось. Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций объявила 16 сентября Международный день охраны озонового слоя.

Венера также имеет тонкий озоновый слой на высоте 100 километров над поверхностью планеты.[5]

Источники

Фотохимические механизмы образования озонового слоя были открыты британским физиком. Сидней Чепмен в 1930 году. Озон в стратосфере Земли создается ультрафиолетовым светом, падающим на обычный кислород молекулы содержащий два кислорода атомы (O2), расщепляя их на отдельные атомы кислорода (атомарный кислород); атомарный кислород затем соединяется с непрерывным O2 для создания озона, O3. Молекула озона нестабильна (хотя в стратосфере долгожительна), и при попадании ультрафиолетового света на озон она распадается на молекулу O2 и отдельный атом кислорода, непрерывный процесс, называемый озоно-кислородный цикл. Химически это можно описать как:

О2 + ℎνУФ → 2 O
О + О2 ↔️ O3

Около 90 процентов озона в атмосфере содержится в стратосфере. Концентрация озона наиболее высока 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 бы весь озон был сжат до давления воздуха на уровне моря, это было бы всего 3 миллиметра (1⁄8 дюйм) толщиной.[6]

Ультрафиолетовый свет

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. По сути, 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, образующиеся под действием УФ фотолиз дикислорода (ниже 240 нм) реагируют с большим количеством дикислорода. Озоновый слой также блокирует большую часть, но не полностью, полосу УФ-B (280–315 нм), вызывающую солнечные ожоги, которая находится в длинах волн длиннее УФ-C. Полоса УФ-излучения, ближайшая к видимому свету, УФ-А (315–400 нм), почти не подвержена воздействию озона, и большая часть его достигает земли. УФ-А в первую очередь не вызывает покраснение кожи, но есть доказательства 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; они обозначаются как УФ-A (400–315 нм), УФ-B (315–280 нм) и УФ-C (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). УФ-В излучение может быть вредным для кожи и является основной причиной солнечный ожог; чрезмерное воздействие также может вызвать катаракту, подавление иммунной системы и генетические повреждения, что приводит к таким проблемам, как рак кожи. Озоновый слой (поглощающий от 200 до 310 нм с максимальным поглощением около 250 нм)[7] 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, некоторое количество УФ-B, особенно в его самых длинных волнах, достигает поверхности и важно для производства кожей Витамин Д.

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 он может вызывать физический ущерб, преждевременное старение кожи, косвенное генетическое повреждение и рак кожи.[8]

Распространение в стратосфере

Толщина озонового слоя варьируется во всем мире и, как правило, тоньше у экватора и толще у полюсов.[9] Толщина относится к тому, сколько озона содержится в столбце над данной областью, и варьируется от сезона к сезону. Причины этих изменений связаны с характером атмосферной циркуляции и солнечной интенсивностью.

Большая часть озона образуется в тропиках и переносится к полюсам стратосферным ветром. В северном полушарии эти модели, известные как Циркуляция Брюера-Добсона, сделайте озоновый слой самым толстым весной и самым тонким осенью.[9] 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 воздух, богатый озоном, переносится в более высокие широты и опускается в нижние слои атмосферы.[9]

Исследования показали, что уровень озона в Соединенных Штатах самый высокий в весенние месяцы апреля и май и самый низкий в октябре. В то время как общее количество озона увеличивается при перемещении из тропиков в более высокие широты, его концентрации выше в высоких северных широтах, чем в высоких южных широтах, из-за озоновая дыра явление.[9] Наибольшее количество озона обнаруживается над Арктикой в ​​весенние месяцы марта и апреля, но самые низкие количества озона в Антарктике наблюдаются в летние месяцы сентября и октября.

Циркуляция Брюера-Добсона в озоновом слое.

Истощение

Основная статья: Истощение озонового слоя
Прогнозы НАСА концентрации стратосферного озона, если хлорфторуглероды не был забанен.

Озоновый слой может быть разрушен катализаторами свободных радикалов, в том числе оксид азота (НЕТ), оксид азота (N2O), гидроксил (OH), атомный хлор (Cl) и атомный бром (Br). Хотя для всего этого есть естественные источники разновидность, концентрации хлора и брома заметно выросли в последние десятилетия из-за выброса больших количеств техногенных органогалоген соединения, особенно хлорфторуглероды (ХФУ) и бромфторуглероды.[10] Эти высокостабильные соединения способны пережить подъем до стратосфера, где Cl и Br радикалы высвобождаются под действием ультрафиолета. 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.[11]

Уровни атмосферного озона, измеренные со спутника, демонстрируют явные сезонные колебания и, кажется, 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».[12] Об открытии ежегодного истощения озона над Антарктикой впервые объявил Джо Фарман, Брайан Гардинер и Джонатан Шанклин в статье, опубликованной в Природа 16 мая 1985 г.[13]

Регулирование

Основная статья: Разрушение озонового слоя и изменение климата

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 повседневное значение».[нужна цитата ] Конкретные метафоры, использованные в дискуссии (озоновый щит, озоновая дыра), оказались весьма полезными.[14] и, по сравнению с глобальным изменением климата, проблема озона в большей степени рассматривалась как «горячая проблема» и неминуемая опасность.[15] Миряне опасались истощения озонового слоя и риска рака кожи.

В 1978 году США, Канада и Норвегия ввел запреты на CFC -содержащий аэрозоли которые повреждают озоновый слой. Европейское сообщество отклонило аналогичное предложение сделать то же самое. В США хлорфторуглероды продолжали использоваться в других областях, 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 уровнем 1986 года с обязательствами по долгосрочному сокращению.[16] Это позволило на десять лет постепенно вводить в действие развивающиеся страны.[17] (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.[18] Сегодня договор подписали все 197 стран мира. С 1 января 1996 г. только переработанные и складированные ХФУ были доступны для использования в развитых странах, таких как США. Этот поэтапный отказ от производства стал возможен благодаря усилиям, направленным на то, чтобы обеспечить замену химикатов и технологий для всех видов использования ОРВ.[19]

2 августа 2003 г. ученые объявили, что глобальное истощение озонового слоя может замедляться из-за международного регулирования озоноразрушающих веществ. В исследовании, организованном Американский геофизический союз, три спутника и три наземные станции подтвердили, что скорость разрушения озонового слоя в верхних слоях атмосферы значительно замедлилась в течение предыдущего десятилетия. Можно ожидать, что некоторые поломки продолжатся из-за использования ОРВ странами, которые не запретили их, и 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.[12] Постепенная тенденция к «исцелению» была отмечена в 2016 году.[20]

Соединения, содержащие связи C – H (такие как гидрохлорфторуглероды, или ГХФУ) были разработаны для замены ХФУ 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 опасными, чем ХФУ, ГХФУ могут оказывать негативное воздействие на озоновый слой, поэтому их использование также постепенно прекращается.[21] Они, в свою очередь, заменяются гидрофторуглероды (ГФУ) и другие соединения, 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 индикатор времени, зависящий от времени. Этот индикатор помогает ученым изучать циркуляцию океана, отслеживая биологические, физические и химические пути. [22]

Значение для астрономии

Поскольку озон в атмосфере предотвращает попадание наиболее мощного ультрафиолетового излучения на поверхность Земли, астрономические данные в этих длинах волн необходимо собирать со спутников, вращающихся над атмосферой и озоновым слоем. Большая часть света от молодых горячих звезд находится в ультрафиолетовом диапазоне, поэтому изучение этих длин волн важно для изучения происхождения галактик. Исследователь эволюции галактики, GALEX, - это орбитальный ультрафиолетовый космический телескоп, запущенный 28 апреля 2003 года и проработавший до начала 2012 года.

  • Этот GALEX изображение Туманность Петля Лебедя не могли быть взяты с поверхности Земли, потому что озоновый слой блокирует ультрафиолетовое излучение, излучаемое туманностью.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Основы озона». NOAA. 2008-03-20. Архивировано из оригинал на 2017-11-21. Получено 2007-01-29.
  2. ^ McElroy, C.T .; Фогал, П.Ф. (2008). «Озон: от открытия к защите». Атмосфера-Океан. 46: 1–13. Дои:10.3137 / ao.460101. S2CID  128994884.
  3. ^ "Озоновый слой". Получено 2007-09-23.
  4. ^ Интервью с Ли Томасом, 6-м администратором EPA. видео, Стенограмма (см. стр.13). 19 апреля 2012 г.
  5. ^ Сотрудники SPACE.com (11 октября 2011 г.). «Ученые открывают озоновый слой Венеры». SPACE.com. Purch. Получено 3 октября, 2015.
  6. ^ «Архив фактов НАСА». Получено 2011-06-09.
  7. ^ Matsumi, Y .; Кавасаки, М. (2003). «Фотолиз атмосферного озона в ультрафиолетовой области» (PDF). Chem. Rev. 103 (12): 4767–4781. Дои:10.1021 / cr0205255. PMID  14664632. Архивировано из оригинал (PDF) 17 июня 2012 г.. Получено 14 марта, 2015.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  8. ^ Narayanan, D.L .; Saladi, R.N .; Фокс, Дж. Л. (2010). «Обзор: Ультрафиолетовое излучение и рак кожи». Международный журнал дерматологии. 49 (9): 978–986. Дои:10.1111 / j.1365-4632.2010.04474.x. PMID  20883261.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  9. ^ а б c d Табин, Шагун (2008). Глобальное потепление: эффект разрушения озона. Издательство APH. п. 194. ISBN  9788131303962. Получено 12 января 2016.
  10. ^ «Галоидоуглероды и другие газы». Выбросы парниковых газов в США, 1996 г.. Управление энергетической информации. 1997. Архивировано с оригинал на 2008-06-29. Получено 2008-06-24.
  11. ^ «Исследование NOAA показывает, что выбросы оксида азота в настоящее время превышают уровень озоноразрушающих выбросов». NOAA. 2009-08-27. Получено 2011-11-08.
  12. ^ а б «Стратосферный озон и приземное ультрафиолетовое излучение» (PDF). Научная оценка разрушения озона: 2010 г.. ВМО. 2011 г.. Получено 14 марта, 2015.
  13. ^ Фарман, Дж. К.; Гардинер, Б.Г.; Шанклин, Дж. Д. (1985). «Большие потери общего содержания озона в Антарктиде показывают сезонный ClOИкс/НЕТИкс взаимодействие". Природа. 315 (6016): 207–210. Bibcode:1985Натура.315..207F. Дои:10.1038 / 315207a0. S2CID  4346468.
  14. ^ Унгар, Шелдон (2000). «Знания, невежество и массовая культура: изменение климата против озоновой дыры». Общественное понимание науки. 9 (3): 297–312. Дои:10.1088/0963-6625/9/3/306. S2CID  7089937.
  15. ^ Грундманн, Райнер (2007). «Политика изменения климата и знаний» (PDF). Экологическая политика. 16 (3): 414–432. CiteSeerX  10.1.1.535.4984. Дои:10.1080/09644010701251656. S2CID  153866225. Архивировано из оригинал (PDF) 26 августа 2014 г.. Получено 14 марта, 2015.
  16. ^ Морризетт, Питер М. (1989). «Эволюция ответных мер политики на истощение стратосферного озона». Журнал природных ресурсов. 29: 793–820. Получено 2010-04-20.
  17. ^ Интервью с Ли Томасом, 6-м администратором EPA. видео, Стенограмма (см. стр. 15). 19 апреля 2012 г.
  18. ^ «Поправки к Монреальскому протоколу». EPA. 2010-08-19. Получено 2011-03-28.
  19. ^ «Краткие вопросы и ответы по разрушению озонового слоя». EPA. 2006-06-28. Получено 2011-11-08.
  20. ^ Соломон, Сьюзан и др. (30 июня 2016 г.). «Возникновение оздоровления озонового слоя Антарктики». Наука. 353 (6296): 269–74. Bibcode:2016Научный ... 353..269S. Дои:10.1126 / science.aae0061. PMID  27365314.
  21. ^ «Глоссарий по разрушению озонового слоя». EPA. Получено 2008-09-03.
  22. ^ Хорошо, Рана А. (2011). «Наблюдения за ХФУ и SF6 как океаническими индикаторами» (PDF). Ежегодный обзор морской науки. 3: 173–95. Дои:10.1146 / annurev.marine.010908.163933. PMID  21329203. Архивировано из оригинал (PDF) 10 февраля 2015 г.

дальнейшее чтение

Наука
Политика

внешняя ссылка