Деякі аспекти проблеми озону

Деякі аспекти проблеми озону

Курсова робота виконана студенткою ФПН-2 Перевертень Марією Андріївною НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «КИЄВО-МОГИЛЯНСЬКА АКАДЕМІЯ».

Київ.

1999р.

ОЗОН ТА ЖИТТЯ

Надзвичайну важливість задля історичної геології, а Сучасної людини має запитання про співвдношення життя та озону, що є в атмосфері. Можна вважати, що життя — рослинний та тваринний світло — зміг розвинутися на землі лише тогді, коли виник достатньо потужний «озоновий щит», що захищає її від ультрафіолетової радіації Солнця. Зрозуміло, що процей щит ми маємо піклуватися й зараз.

Хоча вік землі оцінено тепер доволі точно — біля 4,5−10 9 років, про первинну атмосферу землі нам відомо дуже мало. Якщо Земля виникла із космічного протопланстної хмари, у складі якої перебував у великій пропорції водень, то цей водень було б досить рано загублено Землею. Геологи вважають, що відома нам атмосфера землі вторинна та утворилася із вулканічних газів чи вивільнена із геологічних порід. У цих газах не було б вільного кисню (так його майже немає в атмосферах інших планет). Така вулканічна атмосфера землі складалася тоді, біля 109 років тому, мабуть, лише із Н2, НОH, N2 та СО2. Тоді на землі майже не було б життя. Ультрафіолетова радіація із довжиною хвилі меньш ніж 307 нм могла знищити ДНК живих клітин (краще сказати, зашкоджувати їхні розмноженню, якщо б смердоті виникли). Тільки потужній кулю води міг захистити живу речовину від радіації. Поздніше в атмосфері зявився кисень, а із нього виник захисний кулю озону.

Можна вважати, що водяна пара почала розкладатися под дією ультрафіолетової радіації із h = 134 … 237 нм по реакції OНО + hv —- ВІН + М. При цьому атоми водню М могли уникнути із верхньої гарячої атмосфери — такий процес вивчено тепер добро — зі швидкістю 107. .. 108 атомів із 1 см² в секунду. Далі при реакції ВІН + ВІН —- АЛЕ + Про утворювався вільний кисень.

Э. Хестведт та З. Хенриксен в роботи, що був опублікована в університеті Осло в 1973 р., вважають, що саме таким було б годоине джерело кисню в атмосфері давніх геологічних епох. Спеціалісти геологи вважають, що утаорений О2 майже весь швидко використовувався на окислення порід земної поверхні.

Джерелом вільного озону міг також бути процес фотосинтезу.

При цьому є осить важливою более точна оцінка небезпечної радіації, що спочатку гальмувала виникнення живої речовини. Так було в работі Беркнера і Маршалла було б прийнято, що для життя — для ДНК — небезпечною є спектральна область з, а = 240. .. 285 нм при энергетичній освітленості в цій області более ніж 10^Вт-м «2. Поздніше М. Ратнер та Дж. Вокер вибрали інший критерій. Хоча у более довгих хвиль эфект, що знищує ДНК, понижується, энергія променів Сонця в цих хвилях набагато більша, а захисна властивість інших органічних речовин, що оточують клітинне ядро, мала. При цьому небезпечною ультрафіолетовой радіацією є 10~1 Вт-м~2 для всієї області спектра з h < 302 нм.

Так виникло унікальне явище в геологічній історії —до так званого еволюційного вибуху. Після того як в архейскій ері сотні мільйонів років існували лише примітивні організми — бактерії та водорості, частково навіть анаеробні організми в мілководных морях та озерах, в палеозойскій ері розвиток життя швтдко піднявся на високий рівень. У силурійскій період проходив розвиток багатого життя в морі, де зявились пологи риб, а кінці його, біля 440 млн. років тому, зявилась рослинністть на суші — предки сучасних папоротнепдібних та плаунів. У девоні, приблизно 370 млн. років тому, розквітло тваринне життя в багатих лісах. Так почався період підсиленного фотосинтезу та швидкого накопичення кисню в атмосфері.

Безсумнівно, що в кисневій атмосфері виник кулю озону тобто озоннй екран, спочатку, біля поверхні землі. При вмісті кисню біля 0,1 Сучасної його кількості (РАL — present stmospheric level) кулю озону піднявся уже в стратосферу.

Рисунок 1 показує, як кулю озону, що зародилася ще при концентрації кисню біля 3*10−4 РАL скоро досяг на рівні максимуму озону, концентрації N3 = 1013 молекул один см3 та поступоио розповсюдився в более високі шари атмосфери при накопиченні О2 від 3−10−4 РАL до 1 РАL.

На рис. 2 показано, як пропускала така озоносфера радіацію Сонця до поверхні землі. Майже вся радіация із h=280 нм відфільтровувалась уже при 2-*10−2 РАL. Цей момент відмітив собою появу развинутого життя на суші. Ще трохи раніше при (2 … 3)*10−3 РАL такому відфільтровуванню допомагав кулю води товщиною приблизно 2 м, також зменьшуючий дію уль-трафіолетової радіації. Тоді, мабуть, життя могло почати розвиватись інтенсивно у воді, в теплих прибережних водах, озерах.

Якщо врахувати, що джерелом кисню був фотоднсоціація водяної парі, то эволюційний вибух міг відбутися лише при дуже швидкому насиченні — за геологічою шкалою години — атмосфери водяною парою, що почачла енергійно розкладатися на сонячному світлі.

Якщо ж допустити, що жття поступово утворювало фотосинтетичне джерело кисню, после того як розклад парі чи життя в морі утворили первинне підвищення рівня кисню до (2 … 3) — 10−3 РАL, то швидкість еволюційного вибуху добро пояснюється таким механізмом із сильним додатнім звязком. Пояснюється і послідовність розвитку життя у воді і на суші.

.Питання про озоновий кулю дуже гостро постало в наші дні.

Міжнародна метеорологічна організація виступила в 1976 р. із проектом «Глобального вивчення і моніторингу озону». Проект энергійно подтримала і Межнародна комісія із атмосферного озону. У березні 1977 р. Це запитання буо розглянуто у «Программі Організации Обєднанних Націй із оточуючого середовища «UNEP». У травні цього у Женеві зібрались спеціалісти, що вивчали новітні прибори і можлиаості координованних спостереженнь найбільш біологічно активної частини сонячного спектру — між 290 _ 320 нм. Вже у 1978 р. спеціальний циркуляр ММО уже рекомендував країнам організацию спостереженнь уль-трафіолетової радіації .

Ідея небезпеки знищення кулі озону та його наслідках призвела до створення США спеціальної «Програми визначення кліматичних впливів» (СIАР) (под загальним керівництвом Департаменту транспорту США), маючи на увазі викиди стратосферної авіації. З цією ціллю в 1972. .. 1975 рр. було б зроблено 4 конференції спеціалістів із проблем авіації, фізиці атмосфери, та забруднення і озону. Аналогічна програма (СОVOS) було б утварено у Франції.

В наш годину головною рисою розподілення радіаці по земній куліє її широтна залежність. Розрахунки показують, що тропічний пояс має отримувати до 360. .. 420 Вт-ч-м-2 на місяць. Таким чином, знищення кулі озону має по різному вплинути на тропичній та помірнній зоні на населенні.

ОЗОНОВИЙ ЩИТ ЗЕМЛІ.

Історія вивчення озону не дуже тривала. Заслуга вікриття його кулі належить фізикам з Франції: Ш. Фабрі та А. Б «юіссону, котрі в 1913 р. довели, що випромінювання Сонця із довжиною хвилі від 200 до 300 нм інтенсивно поглинається атмосферою землі. Це було б істотне досягнення, бо частина вчених тоді вважала, що ультрафіолетове випромінювання поверхні Сонця поглинається його власною атмосферою—протяжною газову оболонкою, що оточує Сонце.

Який ж дійсний вплив сонячного випромінювання на планету Земля?

Графік (спектр) випромінювання Сонця наведень на малюнку 3, де на горизонтальній осі в нанометрах (Ю «9 м) указані довжини електромагнітних хвиль, випромінюваних фотосферою Сонця. По вертикалі відкладена потужність, що припадає на одиницю перпендикулярної до сонячних променів поверхні, розташованої поза атмосферою нашої планети.

Існує велика відмінність у кількості енергії, якої випромінює Сонце в різних діапазонах довжин хвиль. Максимум випадає на видиме світло—той діапазон, до сприймання якого пристосоване око людини. Максимум чутливості усунь припадає на зелене світло, тобто на максимум у спектрі випромінювання Сонця. Лише в сутінках краще сприймається синє світло.

Промені великих довжин хвиль названі «інфрачервоними» чи тепловими, бо їхнього випромінюють усі тіла. що мають невисоку температуру. Такі промені йдуть й від людини (максимум випромінювання—майже 10 тис. нм), радіатора опалення, праски і всіх оточуючих нас тіл й предметів. Чимало живих істот, наприклад, змії, сприймають теплові промені і можуть успішно полювати в темряві.

Світло складається із окремих порцій енергії, тобто квантів чи фотонів. Чим менша довжина електромагнітної хвилі фотона, тім більшою є його енергія, котра при поглинанні фотона будь-яким тілом переходити до його часточок. Вбирання інфрачервоних фотонів при малій енергії посилює коливання молекул, тобто зумовлює нагрівання тіл. Зовсім іншою виявляється дія на молекули ультрафіолетових фотонів, у які мала довжина хвилі та велика енергія. Таке випромінювання не сприймається людським оком. Під годину поглинання подібних фотонів молекула розщеплюється на частини, якщо енергія окремого фотона достатня для розриву зв «язків між ними. На малюнку 2 вказано, що таких променів небагато, а довжини їхніх хвиль коливаються від 1 до «100 нанометрів. До діапазону 290—400 нм належить ультрафіолет — А (УФ-А).

Фотони цого діапазону викликають засмагу шкіри, бо при поглинанні їхнього поверхнею нашого тіла відбуваються хімічні зміни молекул у клітинах. Малі дози такого опромінення корисні тім, що сприяють утворенню вітамінів групи Д. посилюючи імунітет Діапазон довжин хвиль від 280 до 315 нм відносять уже до ультрафіолету-В (УФ-В). як помітно із малюнку 2, у цьому інтервалі довжин енергія випромінювання Сонця зменшується майже у 100 разів. Причина криється до того, що Сонце має невисоку температуру поверхні й вибухові процеси на ньому мають слабку активність, тому фотонів з дуже великою енергією утворюється мало. Ця обставина у свій годину сприяла виникненню і утвердженню життя на Землі.

Фотони діапазону УФ-В мають лише трохи більшу енергію, ніж УФ-А, але й ця невелика різниця є дуже важливою. Цього збільшення енергії достатньо, щоб розщепити молекули білків v клітинах на частини. Порушується діяльність клітин, різко збільшується можливість виникнення мутацій, більшість із які, певно, викличе негативні наслідки. Подібна шкідлива дія на живі клітини ще понад притаманна фотонам з діапазону УФ-С, у які довжина хвилі менша 280 нанометрів. Таких фотонів у сонячному промінні у тисячі разів менше, ніж фотонів діапазону УФ-А.

Існує велика відмінність у кількості енергії, якої випромінює Сонце в різних діапазонах довжин хвиль. Максимум випадає, як й слід було б чекати, на видиме світло — тієї діапазон, до сприймання якого пристосоване око людини. Максимум чутливості усунь припадає на зелене світло, тобто на максимум у спектрі випромінювання Сонця. Лише в сутінках краще сприймається синє світло.

Промені великих довжин хвиль названі «інфрачервоними» чи тепловими, бо їхні випромінюють усі тіла. що мають невисоку температуру. Такі промені йдуть й від людини (максимум випромінювання—майже 10 тис. нм), радіатора опалення, праски і всіх оточуючих нас тіл й предметів. Чимало живих істот, наприклад, змії, сприймають теплові промені і можуть успішно полювати в темряві.

До майже 90-кілометрової висоти склад повітря практично такий, як довкола нас: серед кожних 100 молекул є 78 молекул азоту (Мг), 21—кисню (Оз) та близько однієї аргону (Аг). Одна молекула вуглекислого газу припадає на З тисячі інших молекул повітря. Концентрація парі води часто перевищує концентрацію вуглекислого газу, а при великій вологості та теплій погоді вона може поступатися лише кисню і азоту. Вміст всіх інших газів, у тому числі і озону, значно менший й коливається в різних місцях землі та на різних висотах. Одна молекула озону в середньому припадаєна₂ млн інших молекул у повітрі. Саме «в середньому», бо розподіл озону по висоті виявляється дуже нерівномірним. Причина цого полягає в механізмі його утворення. Ультрафіолетові промені малої довжини поглинаються на висотах близько 90 км й вище. де із «є вільні електрони та позитивно заряджені молекулярні іони. Так виникають шари земної іоносфери, котрі можуть проводити стор й відбивати радіохвилі певних діапазонів.

Ультрафіолетові фотони із довжиною хвилі 242 нм й м менше поглинаються переважно молекулами кисню, що ві до їхні розпаду на два окремі атоми за реакцією.

О2+ фотон = О+О До висоти 20 чи ЗО км відбувається майже повне поглинання УФ-С киснем. Отже. утворення озону при потрійних зіткненнях, що описується рівнянням: О2+О+Х = О3+Х*, може відбуватися уже па висотах 60—90 кілометрів. Алі через ті, що густина повітря там дуже малий потрійні зіткнення не часті, швидкість утворення озону є великою. Так саме незначна вон й на висотах 10—20 куди потрапляє надто мало УФ-С й кількість атомарної кисню виявляється мізерною. Отже, існує висота, де швидкість утворення озону найбільша: майже 50 км над поверхнею Землі.

Саме процес руйнації озону й є найбільш цінним для життя. Відносна нестійкість молекули озону зумовлює можливість її розпаду при поглинанні ультрафіолетових променів істотно більшої довжини хвилі від тихий, що поглинаються киснем. Особливо інтенсивно молекули оз вбирають фотони із довжиною хвилі між 200 й 310 нм. Це дуже важливо, бо такі фотони порівняно слабко поглинаються іншими газами, що входять у повітря землі. Саме кулю озону служити щитом, він захищає все живе нашій планеті від згубного ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Розклад озону под впливом УФ-В — реакція зворотня реакції його утворення. Формується циклічний безперервний процес утворення — розпаду озону, що описується реакціями.

О2 + фотон 242 нм = Про+ О, О + О2 + Х = О3+ X* (виділення тепла),.

Оз + фотон 200—310 нм = О2 + О, О + Про + Х = О2 + Х* (виділення тепла).

Наслідком циклу є повиє відновлення початкових молекул, поглинання більшої частини ультрафіолетового випромінюваиня Сонця і перетворення ного в тепло. Саме цим пояснюється підвищення температури повітря над Землею бишє 20 кілометрів. Найвища температура виявляється на висоті близько 50 км, тобто там. де швидкість утворення та розпаду озону є найбільшою. Саме на цих висотах у результаті озонового циклу виділяється багато тепла.

Поглинання озоном ультрафіолету-В — не Єдиний варіант його розпаду. У циклі утворення та знищення озону включені і гази, що наявні у незначних кількостях у атмосфері землі. Наведемо приклад одного із таких процесів, найістотнішого для незабрудненого повітря. У ньому беруть доля моноксид азоту Р^О та діоксид азоту МОг, котрі утворюються в незначних кількостях внаслідок процесів, що відбуваються в зоні іоносфери Землі.

Процес виявляється циклічним: озон реагує із моноксидом азоту й потім утворюються кисень й діоксид азоту. Останній приєднує (тимчасово) атомарний кисень й розпадається на двохатомну молекулу кисню та молекулу моноксиду азоту:

Оз+ NО = NО2 + О2,.

NO2 + Про = NО + О2.

Результат — відновлення молекули моноксиду азоту та розклад молекул озону за такою спрощеною схемою Оз + Про —> О2 + О2. Отже, молекула моноксиду азоту прискорює швидкість розпаду озону у стратосфері, не змінюючи свого хімічного стану. Тож моноксид азоту є каталізатором реакції розпаду озону в стратосфері землі. До речі, чимало лише моноксид азоту має такі властивості, про що йдеться далі.

Наслідком розглянутих вище процесів утворення та розпаду озону стає озоновий профіль атмосфери. Велика швидкість розпаду озону через поглинання ультрафіолетового випромінювання Сонця на висотах 40—90 км приводити доти, що максимальна його кількість спостерігається в межах 20—ЗО км, де число молекул в одному кубічному сантиметрі досягає 5 • 1012. При зменшенні висоти над рівнем моря густина озону зменшується, а середня кількість його молекул у кожному кубічному сантиметрі повітря біля поверхні землі близька до 6 • 10 ". На перший погляд це здається досить великим числом. Направду ж на рівні моря кожна молекула озону припадає на 25 млн інших молекул газів, що входять у склад атмосфери. Концентрація озону є найменшою внизу й чим вище він якщо над рівнем, тім понад зростає (майже в 250 разів), досягаючи м мального значення в 10~5 на висоті 35 км. Там кожна із 100 тис. молекул — молекула озону, це теж не дуже багато. Хоч назв газ й має надлишкову енергію, але й вон по собі не така уже і велика. При миттєвому розпаді озону на висотах його максимальної концентрації виділилася б така кількість енергії, якої вистачило б лише на підвищення температури атмосфери в цій зоні на… 0,1 градуси. Велике ж підвищення температури повітря на цих висота заговорили українською у «язане із виділенням за посередництвом озону енергії ультрафіолетової ділянки сонячного випромінювання.

Спостереження протягом десятиріччя за кулею озону переконують, що його середня товщина кулі лишається практично сталою й лише в останні рокта помітне повільне зменшення. А від його миттєва кількість над певним пунктом земної поверхні може змінюватися наполовину, а інколи і понад. Це заговорили українською у «язано із горизонтальним переміщенням, підніманням чи опусканням окремих повітряних мас із істотно різною концентрацією озону. Від однієї пори року до іншої кількість озону над певним місцем змінюється в межах 10%, а середньорічна залежить від активності Сонця. 1989 рік був фатальністю максимальної активності останнього й найбільшої кількості озону в атмосфері нашої планети. Точні виміри кількості озону вимагають акуратності та численних вимірів у багатьох точках землі. Яка ж загальна кількість озону в озоновому щиті? Надзвичайно мала: маса Оз= 3 — 5−10т.

За одиницю кількості озону над даним місцем земної поверхні умовилися брати кулю озону товщиною 0,01 мм (10 мікрометрів). Ця одиниця названа «добсон» (Дб) на честь професора Оксфордського університету Добсона, який заслуживши повагу наукової громадськості своїми багаторічними вимірюваннями характеристик озонового кулі. Зі сказаного вище випливає, що середня кількість озону становить від 200 до 300 добсонів.

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ОЗОНУ Це слово в перекладi із грецької мови означає «пахучий», «запашний», «тієї, що пахне». Кожен is нас вiдчував характерний рiзкий запах цого синюватого газу после грози із частими блискавкам чи при перебуванні бiля пристроїв чи машин (в останній момент утворення iскор у відкритому повітрi). Втiм, що речовини перебувають у газовому станi лише при температурах, сприятливих для життя людини. Озон можна перетворити у рiдину при охолодженні до —111,9 «З, а при вищих температурах він перебуває уже в газоподiбному стані. Максимальна температура рідкого кисню (О2) при атмосферному тиску (температура його кипіння) становить—183 «С.

Хімічний елемент кисень існує в атмосфері в вигляді трьох алотропічних видоизмін: О2 — молекулярному, Про — атомарному і О3 — трьохатомному, що власне й називається озоном та утворюється при хімічному зєднанні перших двох. Тому більшість властивостей молекули озону можна зрозуміти краще, виходячи із властивостей молекулярного і атомарної кисню.

На основі вивчения спектральних властивостей озону були отримані дані про будову його молекули. Молекула О3 стала класичним прикладом використання спектральних даних для розрахунків довжин звязків та розмірів центрального кута. Відповідно до загальноприйнятої моделі молекули Про., атоми в ній розташовуються у вершинах рівнобедреного тупокутного трикутника, причому відстані між атомами дорівнюють (1,278 ±0,003)-10 «» див, а значення центрального кута складає 116°50 «±30 ». Маса молекули 0³ «складає 7,97. «1023 г.

В молекулу озону можуть входити атоми более важких ізотопів кисню О17 і О18. За наближеними оцінками в атмосферному озоні знаходиться біля 0,21 «» молекул О^О^О «» та 0,41 «про молекул О^О^О » .

Газоподібний озон при стандартних температурі та тиску має щільність рдц = 2,144- 10 «3 г-см «3. Теплоємність газу Порівн зменшується з зниженням температури: при 473 До з = = 904 Джкг-1. К-1, при 273 До з» — 795 «Дж. кг-1- К-1, при 100 До Порівн =— 690 Дж. кг-^К-1.

Озон перетворюється на рідину при температурі 161,3 До (температура кипіння) в темно-синю рідину із щільністю 1,46 г-см~3. Питома теплота випаровування рідини 316 000 Дж-кг «1. При температурі 90 До рідкий озон має щільність 1,57 р см~3, а безпосередньо перед затвердінням його щільність складає 1,614 г-см~3. Температура затвердіння, за даними різних авторів, відрізняється на 2—3 До та складає приблизно 78 До. Тверда кристалічна структура має темно-фіолетовий колір.

Характерний запах озону відчувається при концентрації.