Курсовая работа: Озоносфера и ее значение в функционировании климатической системы
Начиная с высоты примерно 25 километров количество молекулярного кислорода становится достаточным для начала реакций. Ниже значительно ослабевает интенсивность жёсткого излучения и неустойчивая молекула озона под воздействием различных факторов (в т.ч. длинноволнового излучения) разрушается. Образующийся в озоновом слое озон тяжелее молекулярного и атомарного кислорода и постепенно опускается вниз – это явление называется «озоновый дождь».
Воздействием, которое может ломать может быть не только поток жёсткого солнечного излучения, но и сильный электрический разряд (молния), некоторые химические вещества (содержащиеся в т.ч. в смоле хвойных деревьев) также вызывают распад молекулы кислорода, выделяется атомарный кислород, реагирующий с молекулярным и образуется озон. Именно поэтому насыщен озоном воздух хвойных лесов и после грозы (озон имеется специфический запах, в отличие от молекулярного кислорода и в небольших концентрациях полезен, хотя и является ядом при большом содержании).
В слое озоносферы озон находится в очень разреженном состоянии. Если бы все количество озона собрать при давлении 760 мм рт. ст. и температуре 20 °С, то толщина этого слоя составила бы всего 3–5 мм (300–500 ед. Д (Единица Добсона (ед. Д)=1/100 мм)). Измерения высоты слоя озона. Первые исследователи озона, исходя из отсутствия озона в нижних слоях и наблюдений, измерений, и предположили, что озон присутствует в виде слоя на высоте порядка 60 км. Гетцом, Добсоном и Митхамом в 1933 г. были поставлены фундаментальные исследования комбинированным методом – одновременно применялся метод зенитного света и метод непосредственного измерения интенсивности полос в спектре Солнца. Исследования производились в Арозе. Эти наблюдения привели к заключению, что озон расположен в виде слоя, начиная с 15 км до 35 км. Эти результаты, вероятно, не в пользу корпускулярной гипотезы происхождения озона; при этом они могут быть легко объяснены с точки зрения фотохимической теории озона; распределение озона по высоте согласуется с теоретической функцией Чепмана. Однако оно несомненно должно зависеть от широты. Поэтому постановка точных исследований по высоте озона чрезвычайно желательна. Но она может быть выполнена только инструментами по точности не ниже, чем озонный спектрометр Добсона. Для объяснения содержания озона в земной атмосфере было высказано два принципиальных взгляда. Один взгляд связывал происхождение озона с корпускулярным излучением Солнца. Но кроме качественного указания на эту причину эта гипотеза особого развития до сих пор не получила. Впрочем, предварительные сообщения Довилье заставляют внимательно отнестись и к роли полярных сияний и света ночного неба в балансе озона. Другой взгляд говорит о происхождении озона вследствие разрушения кислорода О2 ультрафиолетовыми лучами Солнца. Это – фотохимическая теория образования озона. (Известно, что обычный молекулярный кислород имеет полосу в районе 1300–1800 А.) Эта радиация разбивает обычный молекулярный кислород на атомный. Существование атомного кислорода кладется в основу фотохимической теории озона. Еще вычисления Чепмана показали, что на высоте 80 км на каждые 300 молекул приходится один атом, а на высоте 120 км один атом приходится на три молекулы, т.е. содержание О быстро растет с высотой. Можно пренебрегать диффузией и падением озона, так как продолжительность жизни озонной молекулы определяется следующими факторами: ультрафиолетовая радиация Солнца при длине волн порядка 2500 А; термические столкновения в более низких слоях, где присутствует озон в незначительном количестве и где находятся водяные пары, аммиак и перекись водорода (молекулы озона очень легко входят в реакцию с этими молекулами). Таковы факторы, разрушающие молекулу озона. Факторами, создающими озон, является ультрафиолетовая радиация Солнца еще более короткой длины волн – 1500 А, и, наконец, нужно иметь в виду полярное сияние. Интересная мысль высказана академиком В.И. Вернадским о значении биогенного происхождения свободного кислорода и, следовательно, о роли биосферы в образовании озонного экрана, столь важного для жизни.
4. Географическое распределение озона. воздействие циркуляции атмосферы на динамику озоносферы
Озон постоянно образуется и распадается в атмосфере. Большая часть озона образуется в стратосфере (высокие слои атмосферы) в экваториальных районах. Однако если мы посмотрим на распределение озона по широтам Земли, то увидим, что как раз над экватором в стратосфере концентрация озона минимальна, она растёт по направлению к полюсам. Больше всего озона находится:
• в Северном полушарии на широте 65–75°
• в Южном полушарии на широте 60–65°
Возникает вопрос: «почему же так происходит?» Казалось бы, там, где озон в основном образуется, там его и должно быть больше всего. Дело в том, что в экваториальных широтах (как указано выше, высота озонового слоя там около 25 километров) озон не только образуется в больших количествах – он так же быстро и распадается. Потоки солнечного излучения разбивают молекулы озона, а также он разрушается и в результате реакций с атомарным кислородом. Среднее время жизни молекулы озона над экваториальными районами составляет всего несколько часов. Опускаясь из-за большей плотности и с нисходящими потоками в более нижние слои («озоновый дождь», о котором сказано выше), озон одновременно двигается с массами воздуха в направлении полюсов (такое движение воздушных масс от экватора к полюсам называется волнами Россби).
В более высоких широтах время жизни молекулы намного больше (в полярных районах молекула существует до распада в среднем сто суток), поэтому, несмотря на то, что озон образуется в высоких слоях экваториальной атмосферы, его содержание выше в более низких слоях атмосферы более высоких широт. Это правило (увеличение концентрации озона от тропических к полярным областям и от более высоких слоёв к более низким) носит название принципов Дютша–Добсона и Добсона-Норманда соответственно.
В течение суток концентрация озона растёт с утра до вечера. Это можно также объяснить тем, что ночью озон распадается, а необходимого для его образования потока солнечного излучения нет. В течение года минимум концентрации озона приходится на весенний период, а максимум – на осенний, при этом изменение концентрации по полушариям происходит зеркально, ведь когда у нас весна, в южном полушарии осень. Максимум содержания озона в северном полушарии совпадает с минимумом в южном.
Наконец, существует ещё один, длинный цикл изменения концентрации озона, он напрямую связан с одиннадцатилетним циклом потока солнечной радиации в ультрафиолетовом диапазоне (как указано выше, поток жёсткого излучения важен для образования озона).
Озоновый слой – главная защита Земли от чрезмерно интенсивного ультрафиолетового (УФ) солнечного излучения. Но, к сожалению, на протяжении вот уже более 20 лет во многих регионах мира, в том числе, в осенний и зимний периоды над странами Балтии, озоновый слон слишком «тонок». В результате увеличивается возможность заболевания раком кожи и катарактой глаз, ослабляется иммунитет, уменьшаются сельскохозяйственные урожаи, а также рыбные уловы и др. Результаты некоторых исследований свидетельствуют о том, что истончение озонового слоя сегодня практически остановилось, но другие говорят, что «озоновая дыра» в 2005 году достигла почти рекордных размеров. Таким образом, нужно думать, что именно этот и пара следующих годов в обновлении озонового слоя станут решающими. В защиту озонового слоя включились 189 стран мира, в том числе и Беларусь. Почти всем технологиям, в которых применяются вещества, утончающие озоновый слой, найдены альтернативы, и производство этих веществ, торговля ими и их использование стремительно уменьшается. Например, в 1986 году в мире было израсходовано примерно 1 100 000 тонн HFO или CFC (одно из наиболее распространенных веществ, утончающих озоновый слой, называемое также фреоном), а в 2001 году общее количество потребленного HFO составило только примерно 110 000 тонн. Ученые прогнозируют, что если будут соблюдены реализуемые сегодня мероприятия по защите озонового слоя, озоновый слой обновится и восстановит свое нормальное состояние к 2050–2060 годам.
Низкая средняя высота озона около 20 км затрагивает бывший спорным вопрос о его происхождении. Теперь представляется невероятным предположение, что озон образуется в воздухе, главным образом, корпускулами извне (как это думали французские авторы), частицами, производившими северное сияние. Точка зрения эта была выдвинута в виду возрастания содержания озона с возрастанием широты и увеличением содержания озона в течение зимы, с осени до весны, в особенности в полярных широтах. Однако для объяснения этих наблюденных фактов нет необходимости допустить существование какого-либо иного производящего озон агента, кроме ультрафиолетового солнечного света. Несмотря на то, что теория равновесия озона Чепмана имеет лишь временное значение и не завершена во многих отношениях, новые данные об озоне с каждым годом подтверждают ее. В результате работ, предпринятых Добсоном, окончательно было установлено, что помимо годового изменения содержания озона существует увеличение содержания озона с географической широтой. Этого нельзя сказать о корпускулярной теории образования озона. Здесь могут быть приведены следующие неясные с точки зрения этой теории вопросы: 1) каким образом в течение 36-часового пути от Солнца до Земли отдельные пачки корпускул не рассеиваются; 2) корпускулярной тени Луны не наблюдалось во время солнечного затмения 31 августа 1932 г.; 3) неясно, какова природа корпускул, и 4) как они могут долетать до высоты 30 км (при вероятных скоростях по Милну высота в 100 км уже является предельной). Остается отдельно упомянуть факт зависимости содержания озона от метеорологических условий (циклоны и антициклоны, низкое и высокое давление), который до сих пор не объяснялся ни одной из существующих теорий образования озона.
