Озон в верхних слоях атмосферы. («Озоновый экран»)

Озоновый экран располагается на высотах 9–30 км, у экватора – на 18–32 км. Концентрация озона в нем равна 0,01 – 0,06 мг/м³. Если содержащийся в границах экрана озон выделить в чистом виде, то слой его составит 3–5 мм. Содержание озона выражается в сантиметрах (0,3 – 0,5) или в единицах Донсона (миллиметры, увеличенные в 100 раз – 300–500 ед.) [14, с.91].

Озон в верхних слоях атмосферы образуется в результате распада молекулы кислорода под влиянием ультрафиолетовых лучей: О₂ О + О и последующем присоединении свободного кислорода к молекуле:

О + О₂ = О₃.

Одновременно идет противоположный процесс распада молекул озона и образование О₂. Таким образом возникает равновесие между процессами образования озона и его разрушения. Условием для протекания реакций является наличие ультрафиолетовых лучей и преобразование их в инфракрасные тепловые. Таковы основные механизмы существования озонового экрана и поглощения ультрафиолетовых лучей.

Озоновый слой защищает не только от жесткого и жестокого ультрафиолетового излучения, но и от не менее жесткого и жестокого космического мороза в 270 ^оС ниже нуля. Причем обе эти службы озоновый слой совмещает тем, что, принимая на себя поток высокоэнергетических частиц ультрафиолетового излучения, гасит эту энергию, разогреваясь сам (в сравнении с тропосферой) на 50–70 градусов, и таким образом в верхних, 50-километровых от поверхности Земли, границах озонового слоя всегда примерно нулевая (по Цельсию) температура, т.е. на 270 ^оС теплее, чем она была бы в отсутствие этой «крыши».

Основная часть общего содержания озона – около 90 %, приходится на стратосферу и только 1 % на тропосферу. Тропосферный озон долгое время не привлекал к себе пристального внимания. Интенсивные исследования начались в 70-е гг., но лишь в конце 80-х гг. проблема перешла в ранг проблем высокого приоритета.

Положительный тренд концентраций тропосферного озона в Северном полушарии хорошо документирован для последних 120 лет (рис. 18).

Особенно высокие темпы прироста содержания озона регистрировали в 1970–1980-х гг. в густонаселенных районах Европы и Северной Америке: если на станциях фонового мониторинга, расположенных в отдаленных районах (ст. Пойнт-Барроу, Аляска, обсерватория Мауна-Лоа, Гавайские острова), годовой тренд концентраций озона в 1980-х г. составлял примерно 0,75 %, то в Германии на ст. Гогенейс (1000 м над у.м.) он был на уровне 1,10 %, а в густонаселенном районе (ст. Вансдорф) достиг 2,18 % в год. Проведенные в период с 1989 по 1997 гг измерения на острове Окинава (Япония) свидетельствуют об увеличении концентрации озона в пограничном слое воздуха со скоростью (2,5±0,6) % в год. Наиболее высокие темпы прироста были зарегистрированы в южных районах Германии, где к началу 1980-х г. произошло увеличение содержания О₃ более чем в два раза в сравнении с 1967 г.

Рис. 18. Изменение концентрации озона
в приземном воздухе за 120 лет

Необходимо отметить, что тропосферный О₃ и образующиеся одновременно с ним неорганические (Н₂О₂) и органические (ROOH) пероксиды и пероксилацилнитраты (ПАН) являются сильнейшими фитотоксикантами. Увеличение содержания в атмосфере этих вторичных загрязняющих компонентов приводит к уменьшению продуктивности (а зачастую и к деградации) естественного растительного покрова на обширных территориях и, следовательно, отрицательно влияет на ассимиляцию одного из главных парниковых газов – диоксида углерода.

Тенденцию к увеличению концентраций приземного озона объясняют антропогенными причинами – развитием теплоэнергетики, транспорта, химической промышленности и т.д., что вызывает рост эмиссии в атмосферу некоторых химических предшественников озона, в основном оксидов азота, летучих органических соединений, метана, оксида углерода. По мнению некоторых специалистов [8], масштабы образования озона в тропосфере с участием биогенных органических соединений и его поступления из стратосферы стали сопоставимыми.

Образование озона в нижней атмосфере происходит в процессах

NO₂ + hV ® NO + O;

O + O₂ + М ® О₃ + М^*,

и скорость его накопления определяется скоростью конверсии NO в NO₂. «Критическая концентрация монооксида азота находится на уровне всего лишь 5–10 трлн^-1. В настоящее время концентрации NO даже в удаленных от городов сельских районах Северного полушария составляют 3–4 млрд^-1, т.е. их значения в несколько порядков больше «критических».

Окисление метана происходит по разному в «чистой» атмосфере, содержащей лишь небольшие количества NO, и в загрязненной оксидами азота атмосфере. Общий итог постадийного окисления метана в присутствии больших количеств NO в атмосфере:

СН₄ + 6О₂ ® СО + 3О₃ + 2Н₂О.

В воздухе, содержащем большие количества монооксида азота, окисление СО описывается суммарной реакцией:

СО + 2О₂ ® СО₂ + О₃.

Суммируя реакции, получаем:

СН₄ + 8О₂ ® СО₂ + 4О₃ + 2Н₂О.

Таким образом, выброс оксидов азота приводит к накоплению озона и увеличению окислительного потенциала атмосферы.

Источником поступления озона в тропосферу является также атмосферный перенос из стратосферы, который наиболее интенсивно происходит в весенне-летний период. Богатый озоном воздух из стратосферы поступает в тропосферу через складки и разрывы в тропопаузе. Поток стратосферного озона в нижнюю атмосферу оценивается в 770 Тг/год.

Благодаря исследованиям, проведенным в США и Западной Европе, накоплены убедительные данные о негативном влиянии тропосферного озона. Выделите эти влияния…

[1] повышение температуры в тропосфере;

[2] увеличение подвижности тяжелых металлов;

[3] усиление «парникового эффекта», деградация почв, ухудшение здоровья;

[4] проникновение через клеточную стенку в цитоплазме, нарушение целостности и проницаемости клеточных мембран, частичное ингибирование мембранного транспорта, т.е. снижение скорости роста растений и накоплении биомассы.