Озон, образование, роль и функции
Озон регулирует поток УФ-квантов, задерживая наиболее опасную для живых организмов коротковолновую ультрафиолетового часть радиации Солнца с длинами волн менее 285 нм и, значительно ослабляя излучение в УФ-диапазоне (285-315 нм), обеспечивает биологически безопасный уровень УФ-облучения у поверхности Земли.
Для живых существ Земли главная «заслуга» озона состоит в том, что он, «жертвуя собой», поглощает лучи с длиной волны 240-260 нм и, таким образом, не допускает высокоэнергетические фотоны Солнца к Земле.
Озон относится к малым газовым компонентам атмосферы, которые в наибольшей степени подвержены влиянию человеческой деятельности. Поэтому одна из наиболее острых химических проблем глобального масштаба связана с опасностью антропогенного воздействия на химические процессы в стратосфере, чреватые уменьшением в ней общего содержания озона. Изменение содержания озона под действием антропогенных загрязнителей атмосферы, фиксируемое в настоящее время, может оказать губительное действие для живых форм Земли.
В природных условиях озон постоянно образуется в стратосфере из кислорода и разлагается в атмосфере в ходе естественных фото- и термохимических реакций. Фотохимическая теория образования и разрушения озона в стратосфере впервые была сформулирована в 1930 г. С. Чепменом, согласно которой скорости образования и разрушения озона уравновешиваются в циклическом процессе:
образование озона
разрушение озона
Суть процесса образования озона заключается в том, что на первом этапе молекулы кислорода под действием жесткой солнечной радиации диссоциируют на атомы кислорода (2.1). Возбужденный атомарный кислород далее взаимодействует с молекулой кислорода с образованием озона (2.2). Одновременно с поглощением кванта света молекулой озона (основная реакция стока озона) происходит распад ее на молекулярный и атомарный кислород (2.3). Последний может вновь взаимодействовать с молекулой кислорода, образуя озон (2.2). Результатом существования цикла озона в стратосфере является то, что УФ-излучение Солнца превращается в тепловую энергию (2.4).
Проведенные в начале 1960-х гг. теоретические расчеты констант скоростей реакций цикла Чепмена показали, что озон должен образовываться в этом цикле намного интенсивнее, чем разрушаться.
Существует и иная точка зрения на механизм образования озона в атмосфере. Предполагают, что при поглощении коротковолнового ультрафиолетового излучения часть молекул кислорода ионизируется, теряя электрон, приобретая положительный заряд, а часть - диссоциирует на нейтральные атомы. Свободные электроны, появившиеся в результате ионизации, могут поглощаться нейтральными атомами кислорода, образуя отрицательно заряженный ион. При взаимодействии таких разноименных заряженных ионов образуются молекулы озона. Однако высказывается мнение о том, что этот путь синтеза озона не может реализоваться, поскольку для его осуществления необходимо жесткое ионизирующее излучение, которое не проникает в атмосферу на высоту 50-80 км, где происходит синтез озона.
Образуется озон преимущественно в верхней стратосфере над экваториальным поясом, где достаточно энергии для разрушения молекулы кислорода. Крупномасштабные планетарные движения воздуха, называемые волнами Россби, переносят озон в направлении полюсов, поэтому минимальная его концентрация наблюдается над экваториальным поясом, но возрастает в направлении полюсов. Общее количество озона в атмосфере оценивается в 3,3 млрд т. Толщина слоя озона, приведенного к нормальным условиям давления и температуры (760 мм pm. cm. и О °С), в среднем для всей Земли составила бы 2,5-3 мм, в экваториальных областях - около 2 мм, а в высоких широтах - до 4 мм.
В реальных условиях весь озон неравномерно распределен в слое воздуха от поверхности Земли практически до верхней границы мезосферы. Характер этого распределения связан с процессами образования и гибели озона, зависит от времени года и географической широты местности. Основная масса озона в виде опоясывающего Землю пояса расположена на высоте от 10 до 50 (50-80) км с максимумом концентрации на высоте 24- 27 км над экватором и 13-15 км над полярными областями обоих полушарий (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Распределение озона в атмосфере по высоте
Из внешних факторов, на величину общего содержания озона, более всего влияют вариации солнечной активности. В ходе 11-летнего цикла поток солнечной радиации в УФ-диапазоне существенно изменяется, что сказывается на скорости образования озона и увеличении его количества.
Время жизни молекул 0 на высотах около 40 км составляет всего лишь примерно три часа - здесь же с наибольшей скоростью происходит и его разрушение под действием той же жесткой коротковолновой радиации Солнца. В нижней стратосфере, куда озон попадает с нисходящими (довольно слабыми) потоками воздуха, радиация значительно меньше и время его жизни более продолжительно (около 100 сут. для стратосферы полярных районов).
Тропосферный озон. Озон 0 - аллотропная модификация кислорода, отличающаяся высокой токсичностью и высокой окислительной активностью. Его присутствие в воздухе тропосферы даже в сравнительно небольших количествах представляет опасность для всего живого. Повышение в воздухе концентрации озона на 20 мкг/м приводит к увеличению смертности более чем на 0,5 % общего количества смертей (по данным Йельского университета США). Токсичность проявляется в результате его действия на дыхательную систему человека и животных. Озон является почти идеальным боевым отравляющим веществом, и только по причине трудности его получения он не оказался в числе примененных боевых газов в период Первой мировой войны. К числу его недостатков военные относят резкий запах.
По происхождению тропосферный озон может быть экзогенным или эндогенным. Основное количество озона (свыше 90 %) образуется в стратосфере, как описано выше, главным образом над экваториальным и тропическим поясом, оттуда за счет движения атмосферных потоков часть озона переносится в тропосферу и достигает земной поверхности.
В самой тропосфере образование озона происходит во время грозовых электрических разрядов, а также в процессе фотохимических реакций, в которых участвуют оксиды азота, ненасыщенные углеводороды и спирты и другие соединения, источниками которых большей частью являются антропогенные выбросы предприятий и транспорта:
Разрушение озона (сток озона) в тропосфере происходит по реакции
Получение озона
Существует несколько способов получения молекул озона.
• Из кислорода воздуха при электрическом разряде
• 3О = 2О – 284 кДж
В промышленных условиях газ получают в озонаторах и отделяют фракционной перегонкой.
• Взаимодействие охлажденной концентрированной серной кислоты и пероксида бария
• 3HSO + 3BaO = 3BaSO + O + 3HO
Данной реакцией синтезируют озон в лабораториях.
Физические свойства озона
Озон – бесцветный (в толстых слоях голубоватый) газ. Он почти в два раза тяжелее воздуха. Озон обладает специфическим запахом свежести.
• Температура сжижения -112˚С (газ приобретает оттенок индиго).
• Температура плавления -197˚С.
• Молярная масса озона – 48 г/моль.
Озон растворим в воде. Примеси позволяют растворяться еще быстрее. Если озон находится в состоянии газа, то он выступает в роли диамагнетика. Если озон – это жидкость, то проявляет свойства слабого парамагнетика.
Озон ядовит и губителен для бактерий. Его используют при обеззараживании воздуха и воды.
Химические свойства озона
Озон обладает сильными окислительными свойствами по сравнению с кислородом. Он реагирует с рядом веществ.
• С раствором иодида калия
• 2KI + O + HO = I + 2KOH + O
Эту реакцию используют для обнаружения озона или ионов I-. Для этого в раствор добавляют крахмал, который окрашивается в синий цвет при контакте с йодом.
• С металлами
• 2 Ag + O = AgO + O
• С неметаллами
• 2С + 2O = 2 СO + O
• N + O = NO + O
• H + O = O + HO
• Превращение в кислород
• 2О = 3О
• С аммиаком
• 2NH + 4O = NHNO + 4O + HO
• С серой и соединениями серой
• S + HO + O = HSO
• 3SO + 3HO + O = 3HSO
Если озон находится в состоянии газа, то реакция с сероводородом выглядит следующим образом:
HS + O = SO + HO
Если озон находится в жидком состоянии, то реакция с сероводородом другая:
HS + O = S + O + HO
3HS + 4O = 3HSO
• Со щелочами
• 2КОН + 5О = 2КО + 5О + НО
Озон способен взаимодействовать со ртутью при обычных условиях. В результате металл теряет блеск и способность липнуть к стеклу.
Токсичность озона
При умеренных концентрациях озон безвреден. Реакции с озоном характеризуются формированием свободных радикалов кислорода, которые губительны для организма при высоком содержании. Чрезмерное воздействие озона часто приводит к гибели. Озон особенно губителен для органов дыхания.
Озоновый слой в верхних слоях атмосферы
Озоновый слой – слой в верхней части атмосфера Земли, который состоит из бесцветного нестабильного газа. Он располагается на высоте 15-20 км над поверхностью планеты. Стратосфера – слой атмосферы, в котором содержится много озона.
Озон образуется в результате воздействия ультрафиолета на кислород. Слой газа задерживает все формы поступающей ультрафиолетовой коротковолновой радиации.
Озоновый экран защищает от вредного излучения, длина волн которого 290-320 нм. Это излучение может спровоцировать рак кожи. Озоновый слой появился на Земле около 600 млн лет назад в результате процесс фотосинтеза. Благодаря озоновому слою первые живые организмы смогли выйти из океана на сушу.
Дыры в озоновом слое
Озоновые дыры – локальное истощение озонового слоя. Самая большая озоновая дыра находится над Антарктидой. Если озоновый слой полностью исчезнет, то все живое на планете погибнет.
Озоновые дыры возникают по многим причинам, главная из которых – загрязнение окружающей среды. Озоновый слой разрушается под воздействием хлора, водорода, кислорода, брома и других продуктов сгорания. Выбросы фабрик, заводов и различных производств негативно влияют на выработку озона в верхних слоях атмосферы.
Озоновый слой может разрушить война. При испытании ядерного оружия выделяется огромное количество энергии и образуются окислы азота, которые разрушают озон. В период с 1952 по 1971 года при ядерных взрывах в атмосферу попало около 3 млн т окислов азота.
Реактивные самолеты выбрасывают окислы азота. Чем выше мощность турбореактивного двигателя, тем больше разрушающего вещества попадает в атмосферу. Ежегодно в воздух выбрасывается более 1 млн т соединений азота, из которых треть выбрасывают самолеты.
Защита озонового слоя
До 1989 года на производствах часто применялись галогенированные углеводороды, которые разрушают озоновый слой. Монреальская конвенция разработала программу по сокращению использования хлорфторуглеродов, которые быстро испарялись и достигали стратосферы. Они разлагаются на компоненты и разрушают озоновый слой. Из этих соединений раньше изготавливали аэрозоли, растворители и др.
Озоновые дыры произвольно создаются и исчезают. Это связано с некоторыми природными явлениями и даже климатическими особенностями. Газ озон образуется в результате воздействия ультрафиолета на кислород. Во время полярной ночи дыры образуются из-за того, что солнце не заходит несколько недель и ультрафиолет постоянно влияет на кислород. Во время полярного дня озоновый слой восстанавливается и воздействие ультрафиолета на живые организмы снижается.
Дыры могут формироваться в период активности Солнца. В результате этого они появляются и пропадают. Иногда это занимает несколько дней, реже растягивается на несколько месяцев.
1. Стратосферный озон и преимущества озонового слоя
Озон играет фундаментальную роль в балансе окружающей среды Земли. 90% атмосферного озона находится на высоте от 20 до 50 км. Этот "озоновый слой" объясняет существование на этих же высотах области большой стабильности в отношении вертикальных обменов - стратосферы. Хотя он является незначительным компонентом атмосферы (его максимальная относительная концентрация, наблюдаемая на высоте 25 км, не превышает 5-6 миллионных долей по объему), озон является единственным поглотителем ультрафиолетового солнечного излучения с длиной волны от 240 до 300 нанометров. Это поглощение позволяет поддерживать жизнь животных и растений на Земле, устраняя коротковолновое излучение, которое может разрушать клетки живой материи и подавлять фотосинтез. По этой причине с 1980-х годов существует большая озабоченность по поводу ущерба, нанесенного стратосферному озоновому слою в результате деятельности человека.
2. Тропосферный озон и его влияние на живые организмы
Количество озона в атмосфере выражается как "уменьшенная толщина", т.е. вертикальная толщина столба, в котором был бы собран весь газ, при нормальной температуре и давлении. В среднем эта толщина составляет 2,5 мм.
1. Открытие озоновой дыры
В 1985 году британские исследователи впервые сообщили о существовании озоновой дыры, а точнее, о значительном уменьшении толщины озонового слоя над Южным полюсом. Верхние слои атмосферы этого региона являются ареной бешеного цикла разрушения озона. Во время полярной зимы образование стратосферного воздушного вихря изолирует атмосферу Антарктики от остальной части Южного полушария. Затем температура стратосферы может опуститься до -85°C, что приведет к образованию ледяных облаков. Эти полярные облака фиксируют хлор в стратосфере в виде соляной кислоты (HCl) и нитрата хлора (ClONO2). В южную весну, когда Солнце вновь появляется в сентябре и октябре, его излучение вызывает диссоциацию хлора в результате фотохимической реакции. После этого запускается настоящая цепная реакция: каждый атом высвобожденного хлора может разрушить до 100 000 молекул озона. Этот процесс продолжается до ноября и уменьшает толщину слоя почти наполовину. К этому времени Солнце достаточно прогрело атмосферу, чтобы рассеять стратосферные облака. Полярный вихрь, ограничивавший озоновую дыру, исчезает, и богатый озоном воздух из средних широт просачивается обратно в стратосферу Антарктики. На Северном полюсе такая "дыра" в слое не образуется, а локальные дефициты озона наблюдаются с 1991 года. Это связано с циркуляцией воздуха, который сильно отличается от антарктического, и более мягкими зимними температурами.
2 Происхождение и последствия
Если некоторые природные факторы, такие как выброс сернистых газов при извержениях вулканов, всегда способствовали частичному и временному разрушению озонового слоя, то опасность, которую представляют промышленные выбросы хлора, ученые осуждают с 1980 года. Хлорфторуглероды (ХФУ), используемые в качестве аэрозольных пропеллентов, хладагентов или пенообразователей в некоторых жестких пенопластах, являются основной причиной разрушения озонового слоя. Многие другие химические вещества, такие как галоны (галогенизированные производные углеводородов), используемые в огнетушителях, а также некоторые растворители, такие как четыреххлористый углерод или бромистый метил, также способствуют образованию озоновой дыры. Все эти соединения чрезвычайно стабильны и могут оставаться в атмосфере в течение 50-100 лет. Они попадают на полюса и высвобождают свои атомы хлора (или брома), которые разрушают озон.
Истощая озоновый слой, человеческая деятельность поставила под угрозу нашу естественную защиту от солнца. Истощение стратосферного озона приводит к увеличению количества ультрафиолетового излучения, достигающего земли. Эти лучи могут повреждать ДНК человека, вызывать рак кожи и катаракту, а также другие заболевания. Они также оказывают вредное воздействие на растения и фитопланктон.
3. Международная осведомленность
С 1985 года (Венская конвенция) несколько международных конференций ознаменовали собой глобальное осознание необходимости защиты стратосферного озонового слоя и обеспечения ограничения воздействия человеческой деятельности на климат. Основные страны-производители ХФУ отказались от производства и использования этих озоноразрушающих газов. Сегодня гидрофторуглероды (ГФУ) и перфторуглероды (ПФУ), второе поколение заменителей ХФУ, безопасны для озонового слоя (хотя для его восстановления потребуются годы), но они являются мощными парниковыми газами, способствующими глобальному потеплению.