Страница полузащищенная
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Озоново-кислородный цикл в озоновом слое.

Озоновый слой или озон щит является областью Земли «ы стратосфере , который поглощает большую часть солнечного » ы ультрафиолетового излучения. Он содержит высокую концентрацию озона (O 3) 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 Шарлем Фабри и Анри Бюиссоном . Измерения Солнца показали, что излучение, исходящее от его поверхности и достигающее земли на Земле, обычно соответствует спектру черного тела с температурой в диапазоне 5 500-6 000 К (5 227-5 727 ° C), за исключением того, что в ультрафиолетовом конце спектра не было излучения с длиной волны ниже примерно 310 нм. 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 были подробно исследованы британским метеорологом Дж. Б. Добсоном., который разработал простой спектрофотометр ( 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. « Единица Добсона », удобный измеритель количества озона в воздухе, названа в его честь.

Озоновый слой поглощает от 97 до 99 процентов от средней частоты ультрафиолетового света Солнца (примерно от 200  нм до 315 нм длины волны ), которые в противном случае было бы потенциально повредить открытые формы жизни вблизи поверхности. [3]

В 1976 году атмосферные исследования показали, что озоновый слой разрушается химическими веществами, выделяемыми промышленностью, в основном хлорфторуглеродами (ХФУ). Обеспокоенность тем, что усиление ультрафиолетового излучения из-за истощения озонового слоя угрожает жизни на Земле, включая рост рака кожи у людей и другие экологические проблемы [4], привела к запрету на химические вещества, и последние данные свидетельствуют о том, что истощение озонового слоя замедлилось или остановилось. Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций объявила 16 сентября Международным днем ​​охраны озонового слоя .

На Венере также есть тонкий озоновый слой на высоте 100 километров над поверхностью планеты. [5]

Источники

Фотохимические механизмы образования озонового слоя были открыты британским физиком Сиднеем Чепменом в 1930 году. Озон в стратосфере Земли создается ультрафиолетовым светом, падающим на обычные молекулы кислорода , содержащие два атома кислорода (O 2 ), разделяя их на отдельные атомы кислорода. (атомарный кислород); атомарный кислород затем соединяется с неразрушенным O 2 с образованием озона O 3 . Молекула озона нестабильна (хотя в стратосфере долгожительна), и когда ультрафиолетовый свет попадает в озон, она распадается на молекулу O 2 и отдельный атом кислорода, продолжающийся процесс, называемый циклом озон-кислород.. Химически это можно описать как:

O 2 + ℎν uv → 2 O
О + О 2 ↔️ О 3

Около 90 процентов озона в атмосфере содержится в стратосфере. Концентрации озона максимальны 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 все озона были сжаты до давления воздуха на уровне моря, было бы только 3 миллиметров ( 1 / 8 дюйма) 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 существу, 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, полученные в результате УФ- фотолизадикислорода (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 более длинных, чем УФ-C. Полоса УФ-излучения, наиболее близкая к видимому свету, УФ-А (315–400 нм), практически не подвержена влиянию 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 солнечных ожогов ; чрезмерное воздействие также может вызвать катаракту, подавление иммунной системы и генетическое повреждение, что приводит к таким проблемам, как рак кожи . Озоновый слой (который поглощает примерно от 200 нм до 310 нм с максимальным поглощением примерно на 250 нм) [7]очень эффективно защищает от 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, некоторые УФ-B, в частности , в его длинной волны, достигает поверхности, и имеет важное значение для производства кожи с витамином D .

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 может вызвать физическое повреждение, преждевременное старение кожи, косвенные генетические повреждения 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 означает, сколько озона содержится в столбце над данной областью, и изменяется от сезона к сезону. Причины этих изменений связаны с атмосферной циркуляцией и солнечной интенсивностью.

Большая часть озона образуется в тропиках и переносится к полюсам стратосферным ветром. В северном полушарии эти закономерности, известные как циркуляция Брюэра-Добсона , делают озоновый слой самым толстым весной и самым тонким осенью. [9] Когда озон образуется под действием солнечного ультрафиолетового 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. Хотя 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 явления озоновой дыры . [9] Наибольшее количество озона обнаруживается над Арктикой в ​​весенние месяцы марта и апреля, но самое низкое количество озона в Антарктике приходится на летние месяцы в сентябре и октябре.

Циркуляция Брюера-Добсона в озоновом слое.

Истощение

Основная статья: разрушение озона
Прогнозы НАСА концентрации стратосферного озона, если бы хлорфторуглероды не были запрещены.

Озоновый слой может быть истощен под действием катализаторов свободных радикалов, включая оксид азота (NO), закись азота (N 2 O), гидроксил (OH), атомарный хлор (Cl) и атомарный бром (Br). Несмотря на то, что есть естественные источники для всех этих видов , концентрации хлора и брома заметно увеличились в последние десятилетия из-за высвобождения больших количеств техногенных галогенорганических соединений, особенно хлорфторуглеродов (ХФУ) и бромфторуглеродов . [10] Эти высокостабильные соединения способны пережить подъем в стратосферу., где радикалы Cl и Br 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, показывают 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 объявили Джо Фарман , Брайан Гардинер и Джонатан Шанклин в статье, опубликованной в журнале Nature 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». [ необходима цитата ] Конкретные метафоры, использованные в дискуссии (озоновый щит, озоновая дыра), оказались весьма полезными [14], и, по сравнению с глобальным изменением климата, случай с озоном в большей степени рассматривался как «горячая проблема» и неминуемый риск. [15] Непрофессионалы опасались истощения озонового слоя и риска рака кожи.

В 1978 году США, Канада и Норвегия ввели запрет на использование аэрозольных баллончиков , содержащих ХФУ, которые наносят ущерб озоновому слою. 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 1986 годом. уровни с обязательствами по долгосрочному снижению. [16] Это позволило ввести поэтапный переход на десять лет для развивающихся стран [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 года ученые объявили, что глобальное разрушение озонового слоя может замедляться из-за международного регулирования озоноразрушающих веществ. В исследовании, организованном Американским геофизическим союзом , три спутника и три наземные станции подтвердили, что темпы истощения озонового слоя в верхних слоях атмосферы значительно замедлились 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 CFC в определенных областях применения. Эти замещающие соединения более реакционны и с меньшей вероятностью сохранятся 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 гидрофторуглеродами (ГФУ) и другими соединениями, 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 зависящий от времени индикатор . 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. Galaxy Evolution Explorer, GALEX , - это орбитальный ультрафиолетовый космический телескоп, запущенный 28 апреля 2003 года и проработавший до начала 2012 года.

  • Это изображение туманности Петля Лебедя с помощью GALEX не могло быть получено с поверхности Земли, потому что озоновый слой блокирует ультрафиолетовое излучение, испускаемое туманностью.

Смотрите также

  • Программа ООН по окружающей среде
  • Кратковременные загрязнители климата

Рекомендации

  1. ^ «Основы озона» . NOAA . 2008-03-20. Архивировано из оригинала на 2017-11-21 . Проверено 29 января 2007 .
  2. ^ МакЭлрой, Коннектикут; Фогал, П.Ф. (2008). «Озон: от открытия к защите». Атмосфера-Океан . 46 : 1–13. DOI : 10,3137 / ao.460101 . S2CID 128994884 . 
  3. ^ «Озоновый слой» . Проверено 23 сентября 2007 .
  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 . Проверено 3 октября 2015 года .
  6. ^ "Архив фактов НАСА" . Проверено 9 июня 2011 .
  7. ^ Matsumi, Y .; Кавасаки, М. (2003). «Фотолиз атмосферного озона в ультрафиолетовой области» (PDF) . Chem. Ред . 103 (12): 4767–4781. DOI : 10.1021 / cr0205255 . PMID 14664632 . Архивировано из оригинального (PDF) 17 июня 2012 года . Проверено 14 марта 2015 года .   CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  8. ^ Нараянан, DL; Салади, РН; Фокс, JL (2010). «Обзор: Ультрафиолетовое излучение и рак кожи». Международный журнал дерматологии . 49 (9): 978–986. DOI : 10.1111 / j.1365-4632.2010.04474.x . PMID 20883261 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  9. ^ a b c d Табин, Шагун (2008). Глобальное потепление: эффект разрушения озона . Издательство APH. п. 194. ISBN 9788131303962. Проверено 12 января +2016 .
  10. ^ «Галоидоуглероды и другие газы» . Выбросы парниковых газов в Соединенных Штатах 1996 . Управление энергетической информации. 1997. Архивировано из оригинала на 2008-06-29 . Проверено 24 июня 2008 .
  11. ^ «Исследование NOAA показывает, что оксид азота теперь превышает выбросы, разрушающие озоновый слой» . NOAA. 2009-08-27 . Проверено 8 ноября 2011 .
  12. ^ a b "Стратосферный озон и поверхностное ультрафиолетовое излучение" (PDF) . Научная оценка истощения озонового слоя: 2010 . ВМО. 2011 . Проверено 14 марта 2015 года .
  13. ^ Фарман, JC ; Gardiner, BG ; Шанклин, JD (1985). «Большие потери общего озона в Антарктиде свидетельствуют о сезонном взаимодействии ClO x / NO x ». Природа . 315 (6016): 207–210. Bibcode : 1985Natur.315..207F . DOI : 10.1038 / 315207a0 . S2CID 4346468 . 
  14. ^ Ангер, Шелдон (2000). «Знания, невежество и массовая культура: изменение климата против озоновой дыры». Общественное понимание науки . 9 (3): 297–312. DOI : 10.1088 / 0963-6625 / 9/3/306 . S2CID 7089937 . 
  15. ^ Грундман, Рейнер (2007). «Изменение климата и политика знаний» (PDF) . Экологическая политика . 16 (3): 414–432. CiteSeerX 10.1.1.535.4984 . DOI : 10.1080 / 09644010701251656 . S2CID 153866225 . Архивировано из оригинального (PDF) 26 августа 2014 года . Проверено 14 марта 2015 года .   
  16. ^ Morrisette, Питер М. (1989). «Эволюция ответных мер политики на истощение стратосферного озона» . Журнал природных ресурсов . 29 : 793–820 . Проверено 20 апреля 2010 .
  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 . Проверено 28 марта 2011 .
  19. ^ «Краткие вопросы и ответы по истощению озонового слоя» . EPA. 2006-06-28 . Проверено 8 ноября 2011 .
  20. ^ Соломон, Сьюзан и др. (30 июня 2016 г.). «Возникновение исцеления в озоновом слое Антарктики» . Наука . 353 (6296): 269–74. Bibcode : 2016Sci ... 353..269S . DOI : 10.1126 / science.aae0061 . PMID 27365314 . 
  21. ^ «Глоссарий разрушения озонового слоя» . EPA . Проверено 3 сентября 2008 .
  22. ^ Хорошо, Рана А. (2011). «Наблюдения за хлорфторуглеродами и SF6 как индикаторами океана» (PDF) . Ежегодный обзор морской науки . 3 : 173–95. DOI : 10.1146 / annurev.marine.010908.163933 . PMID 21329203 . Архивировано из оригинального (PDF) 10 февраля 2015 года.  

дальнейшее чтение

Наука
  • Андерсен, СО (2015). « Уроки защиты стратосферного озонового слоя для климата ». Журнал экологических исследований и наук.
  • Андерсен, SO; Сарма, км; Синклер, Л. (2012). Защита озонового слоя: история Организации Объединенных Наций . Тейлор и Фрэнсис. ISBN 978-1-84977-226-6.
  • Программа ООН по окружающей среде (2010 г.). Экологические последствия разрушения озона и его взаимодействие с изменением климата: 2010 Оценка . Найроби: ЮНЕП.
  • Велдерс, GJM, Фэи Д.В., Дэниэл, Дж. С., Макфарланд, М. и Андерсен, СО (2009). « Большой вклад прогнозируемых выбросов ГФУ в будущее воздействие на климат» . Труды Национальной академии наук, 106, 10949-10954.
  • Велдерс, Гус JM; Андерсен, Стивен О .; Дэниел, Джон С .; Фэйи, Дэвид В .; Макфарланд, Мак (2007). «Важность Монреальского протокола в защите климата» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (12): 4814–4819. Bibcode : 2007PNAS..104.4814V . DOI : 10.1073 / pnas.0610328104 . PMC  1817831 . PMID  17360370 .
Политика
  • Zaelke, D., и Borgford-Parnell, N. (2015). « Важность поэтапного сокращения гидрофторуглеродов и других короткоживущих загрязнителей климата» . Журнал экологических исследований и наук.
  • Сюй, Ю., Зельке, Д., Велдерс, GJM, и Раманатан, В. (2013). « Роль ГФУ в смягчении последствий изменения климата в 21 веке» . Химия и физика атмосферы.
  • Молина, М., Заелке, Д., Сарма, М.К., Андерсен, С.О., Раманатан, В., и Каниару, Д. (2009). « Снижение риска резких изменений климата с помощью Монреальского протокола и других регулирующих мер в дополнение к сокращению выбросов CO2» . Слушания Национальной академии наук, PNAS 106: 20616-20621.
  • Андерсон, С.О., Сарма, М.К., и Таддонио, К. (2007). «Передача технологий для озонового слоя: уроки для изменения климата» . Лондон: Earthscan.
  • Бенедик, Ричард Эллиот; Всемирный фонд дикой природы (США); Институт изучения дипломатии. Джорджтаунский университет. (1998). Озоновая дипломатия: новые направления в защите планеты (2-е изд.). Издательство Гарвардского университета. ISBN 978-0-674-65003-9. (Посол Бенедик был главным переговорщиком США на встречах, завершившихся подписанием Монреальского протокола.)
  • Часек, П.С., Дэвид Л. Дауни и Браун Дж. У. (2013). Глобальная экологическая политика , 6-е издание, Боулдер: Westview Press, 2013.
  • Грундманн, Райнер (2001). Транснациональная экологическая политика: восстановление озона . Психология Press. ISBN 978-0-415-22423-9.
  • Парсон, Э. (2003). Защита озонового слоя: наука и стратегия . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.

внешняя ссылка

  • Стратосферный озон: электронный учебник
  • Информация об озоновом слое
  • Служба стратосферного озона CAMS предоставляет карты, наборы данных и отчеты о проверке прошлого и текущего состояния озонового слоя.
  • Озоновый слой в Керли