stringtranslate.com

Озоновый слой

Озоновый слой, видимый из космоса на горизонте Земли как синяя полоса послесвечения в нижней части большой ярко-синей полосы, которая является стратосферой , с силуэтом кучево -дождевых облаков в оранжевом послесвечении тропосферы .

Озоновый слой или озоновый щит — это область стратосферы Земли , которая поглощает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца . Он содержит высокую концентрацию озона (O 3 ) по сравнению с другими частями атмосферы, хотя все еще малую 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, примерно от 15 до 35 километров (от 9 до 22 миль) над Землей, хотя его толщина меняется в зависимости от сезона и географического положения. [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 5500–6000 К (5230–5730 °C), за исключением того, что не было излучения ниже длины волны около 310 нм на ультрафиолетовом конце спектра. Был сделан вывод, что недостающее излучение поглощалось чем-то в атмосфере. В конечном итоге спектр недостающего излучения был сопоставлен только с одним известным химическим веществом — озоном. [2] Его свойства были подробно исследованы британским метеорологом Г. М. Б. Добсоном , который разработал простой спектрофотометр ( Добсонметр ), который можно было использовать для измерения стратосферного озона с земли. Между 1928 и 1958 годами Добсон создал всемирную сеть станций мониторинга озона, которые продолжают работать и по сей день. « Единица Добсона » (DU), удобная мера количества озона над головой, названа в его честь.

Озоновый слой поглощает от 97 до 99 процентов среднечастотного ультрафиолетового света Солнца (  длина волны от 200 нм до 315 нм ), который в противном случае мог бы потенциально повредить незащищенные формы жизни вблизи поверхности. [3]

В 1985 году атмосферные исследования показали, что озоновый слой истощается химическими веществами, выбрасываемыми промышленностью, в основном хлорфторуглеродами (ХФУ). Опасения, что повышенное УФ-излучение из-за истощения озонового слоя угрожает жизни на Земле, включая рост рака кожи у людей и другие экологические проблемы, [4] привели к запрету на химические вещества, и последние данные свидетельствуют о том, что истощение озонового слоя замедлилось или прекратилось. Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций объявила 16 сентября Международным днем ​​охраны озонового слоя .

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

Источники

Озоно-кислородный цикл в озоновом слое

Фотохимические механизмы, которые приводят к образованию озонового слоя , были открыты британским физиком Сиднеем Чепменом в 1930 году. Озон в стратосфере Земли создается ультрафиолетовым светом, ударяющим по обычным молекулам кислорода , содержащим два атома кислорода (O 2 ), расщепляющим их на отдельные атомы кислорода ( атомарный кислород ); затем атомарный кислород соединяется с неразрушенным O 2 , образуя озон, O 3 . Молекула озона нестабильна (хотя в стратосфере она долгоживущая), и когда ультрафиолетовый свет попадает на озон, он расщепляется на молекулу O 2 и отдельный атом кислорода, этот непрерывный процесс называется озоно-кислородным циклом . Химически это можно описать так:

Около 90 процентов озона в атмосфере содержится в стратосфере. Концентрация озона самая высокая между 20 и 40 километрами (66 000 и 131 000 футов), где она колеблется от 2 до 8 частей на миллион. Если бы весь озон был сжат до давления воздуха на уровне моря, его толщина составила бы всего 3 миллиметра ( 1 ⁄ 8 дюйма). [6]

Ультрафиолетовый свет

Уровни энергии УФ-В на разных высотах. Синяя линия показывает чувствительность ДНК. Красная линия показывает уровень поверхностной энергии при снижении озона на 10 процентов
Уровни озона на разных высотах и ​​блокировка различных диапазонов ультрафиолетового излучения. По сути, весь УФ-С (100–280 нм) блокируется дикислородом (от 100–200 нм) или озоном (200–280 нм) в атмосфере. Более короткая часть диапазона УФ-С и более энергичный УФ выше этого диапазона вызывают образование озонового слоя, когда отдельные атомы кислорода, полученные в результате УФ- фотолиза дикислорода (ниже 240 нм), реагируют с большим количеством дикислорода. Озоновый слой также блокирует большую часть, но не совсем всю, вызывающую солнечные ожоги полосу УФ-В (280–315 нм), которая лежит в области длин волн, большей, чем УФ-С. Полоса УФ, ближайшая к видимому свету, УФ-А (315–400 нм), практически не подвержена влиянию озона, и большая ее часть достигает земли. УФ-А в первую очередь не вызывает покраснения кожи, но есть доказательства того, что она вызывает долгосрочное 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. Чрезвычайно 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 называются УФ-А (400–315 нм), УФ-В (315–280 нм) и УФ-С (280–100 нм).

UV-C, который очень вреден для всех живых существ, полностью экранируется комбинацией дикислорода (< 200 нм) и озона (> около 200 нм) на высоте около 35 километров (115 000 футов). Излучение UV-B может быть вредным для кожи и является основной причиной солнечных ожогов ; чрезмерное воздействие может также вызывать катаракту, подавление иммунной системы и генетические повреждения, что приводит к таким проблемам, как рак кожи . Озоновый слой (который поглощает от примерно 200 нм до 310 нм с максимальным поглощением около 250 нм) [7] очень эффективен для экранирования UV-B; для излучения с длиной волны 290 нм интенсивность в верхней части атмосферы в 350 миллионов раз сильнее, чем у поверхности Земли. Тем не менее, некоторое количество UV-B, особенно на самых длинных волнах, достигает поверхности и важно для выработки кожей витамина D у млекопитающих .

Озон прозрачен для большинства УФ-А, поэтому большая часть этого длинноволнового УФ-излучения достигает поверхности, и оно составляет большую часть УФ-излучения, достигающего Земли. Этот тип УФ-излучения значительно менее вреден для ДНК , хотя он все еще может потенциально вызывать физические повреждения, преждевременное старение кожи, косвенные генетические повреждения и рак кожи. [8]

Распространение в стратосфере

Озоновый слой в атмосфере Земли по высоте

Толщина озонового слоя меняется по всему миру и обычно тоньше вблизи экватора и толще вблизи полюсов. [9] Толщина относится к количеству озона в столбе над заданной областью и меняется от сезона к сезону. Причины этих изменений связаны с моделями атмосферной циркуляции и интенсивностью солнечного излучения. [10]

Большая часть озона образуется над тропиками и переносится к полюсам стратосферными ветровыми моделями. В северном полушарии эти модели, 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 воздух с низким содержанием озона 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 апрель и май, а самый низкий в октябре. В то время как общее количество озона увеличивается по мере продвижения от тропиков к более высоким широтам, его концентрации выше в высоких северных широтах, чем в высоких южных широтах, при этом весенние озоновые столбы в высоких северных широтах иногда превышают 600 DU и составляют в среднем 450 DU, тогда как 400 DU составляли обычный максимум в Антарктике до антропогенного истощения озонового слоя. Эта разница возникла естественным образом из-за более слабого полярного вихря и более сильной циркуляции Брюэра-Добсона в северном полушарии из-за больших горных хребтов этого полушария и больших контрастов между температурами суши и океана. [11] Разница между высокими северными и южными широтами увеличилась с 1970-х годов из-за явления озоновой дыры . [9] Наибольшее количество озона наблюдается над Арктикой в ​​весенние месяцы март и апрель, а в Антарктике наименьшее количество озона наблюдается в летние месяцы сентябрь и октябрь.

Циркуляция Брюэра-Добсона в озоновом слое

Истощение

Прогнозы НАСА относительно концентрации стратосферного озона, если бы хлорфторуглероды не были запрещены

Озоновый слой может быть истощен катализаторами свободных радикалов , включая оксид азота (NO), закись азота (N 2 O), гидроксил (OH), атомарный хлор (Cl) и атомарный бром (Br). Хотя существуют естественные источники для всех этих видов , концентрации хлора и брома заметно возросли в последние десятилетия из-за выброса больших количеств искусственных органогалогеновых соединений, особенно хлорфторуглеродов (ХФУ) и бромфторуглеродов . [12] Эти высокостабильные соединения способны выживать при подъеме в стратосферу , где радикалы Cl и Br высвобождаются под действием ультрафиолетового света. Затем каждый радикал может свободно инициировать и катализировать цепную реакцию, способную разрушить более 100 000 молекул озона. К 2009 году закись азота была крупнейшим озоноразрушающим веществом (ОРВ), выбрасываемым в результате деятельности человека. [13]

Распад озона в стратосфере приводит к снижению поглощения ультрафиолетового излучения. Следовательно, непоглощенное и опасное ультрафиолетовое излучение может достигать поверхности Земли с большей интенсивностью. Уровень озона снизился в среднем по миру примерно на 4 процента с конца 1970-х годов. Примерно на 5 процентах поверхности Земли, вокруг северного и южного полюсов, были замечены гораздо более крупные сезонные спады, которые описываются как «озоновые дыры». «Озоновые дыры» на самом деле являются участками в озоновом слое, в которых озон тоньше. Самые тонкие части озона находятся в полярных точках земной оси . [14] Открытие ежегодного истощения озона над Антарктикой было впервые объявлено Джо Фарманом , Брайаном Гардинером и Джонатаном Шанклином в статье, которая появилась в журнале Nature 16 мая 1985 года.

Попытки регулирования включали, но не ограничивались Законом о чистом воздухе, принятым Агентством по охране окружающей среды США . Закон о чистом воздухе ввел требование Национальных стандартов качества окружающего воздуха (NAAQS), при этом озоновое загрязнение было одним из шести критериев загрязняющих веществ. Это регулирование оказалось эффективным, поскольку округа, города и племенные регионы должны соблюдать эти стандарты, а EPA также оказывает помощь каждому региону в регулировании загрязняющих веществ. [15] Эффективное представление информации также оказалось важным для просвещения населения в целом о существовании и регулировании истощения озонового слоя и загрязняющих веществ. Научная статья была написана Шелдоном Унгаром, в которой автор исследует и изучает, как информация об истощении озона, изменении климата и различных связанных с этим темах может быть передана неспециалистам «с помощью простых для понимания связующих метафор, взятых из популярной культуры» и связанных с «непосредственными рисками, имеющими повседневную актуальность». [16] Конкретные метафоры, использованные в обсуждении (озоновый щит, озоновая дыра), оказались весьма полезными, и, по сравнению с глобальным изменением климата, случай с озоном гораздо больше рассматривался как «горячая тема» и неизбежный риск. Непрофессионалы были осторожны в отношении истощения озонового слоя и риска рака кожи.

Спутники, сгорающие при входе в атмосферу Земли, производят наночастицы оксида алюминия (Al 2 O 3 ) , которые сохраняются в атмосфере в течение десятилетий. [17] Оценки только на 2022 год составили ~17 метрических тонн (~30 кг наночастиц на спутник весом ~250 кг). [17] Увеличение численности спутниковых созвездий может в конечном итоге привести к значительному истощению озонового слоя. [17]  

«Плохой» озон может вызывать неблагоприятные для здоровья респираторные эффекты (затрудненное дыхание) и, как доказано, является усугубителем респираторных заболеваний, таких как астма , ХОБЛ и эмфизема . [18] Вот почему многие страны ввели правила для улучшения «хорошего» озона и предотвращения увеличения «плохого» озона в городских или жилых районах. С точки зрения защиты озона (сохранения «хорошего» озона) Европейский союз имеет строгие правила относительно того, какие продукты разрешено покупать, распространять или использовать в определенных областях. [19] При эффективном регулировании ожидается, что озон со временем восстановится. [20]

Уровни атмосферного озона, измеренные с помощью спутников, демонстрируют четкие сезонные колебания и, по-видимому, подтверждают их снижение с течением времени.

В 1978 году США, Канада и Норвегия ввели запрет на аэрозольные распылители, содержащие ХФУ , которые разрушают озоновый слой, но Европейское сообщество отклонило аналогичное предложение. В США хлорфторуглероды продолжали использоваться в других целях, таких как охлаждение и промышленная очистка, до открытия озоновой дыры над Антарктикой в ​​1985 году. После переговоров по международному договору ( Монреальский протокол ) производство ХФУ было ограничено уровнями 1986 года с обязательствами по долгосрочному сокращению. [21] Это позволило ввести десятилетний поэтапный ввод для развивающихся стран [22] (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. [23] Все 197 стран мира подписали договор. Начиная с 1 января 1996 года, только переработанные или накопленные ХФУ были доступны для использования в развитых странах, таких как США. Поэтапный отказ от производства стал возможным благодаря усилиям по обеспечению наличия заменяющих химикатов и технологий для всех видов использования ОРВ. [24]

2 августа 2003 года ученые объявили, что глобальное истощение озонового слоя может замедлиться из-за международного регулирования озоноразрушающих веществ. В исследовании, организованном Американским геофизическим союзом , три спутника и три наземные станции подтвердили, что скорость истощения озона в верхних слоях атмосферы значительно замедлилась за предыдущее десятилетие. Ожидалось, что некоторое разрушение продолжится из-за ОРВ, используемых странами, которые их не запретили, и из-за газов, уже находящихся в стратосфере. Некоторые ОРВ, включая ХФУ, имеют очень долгий срок жизни в атмосфере, от 50 до более 100 лет. Было подсчитано, что озоновый слой восстановится до уровня 1980 года ближе к середине 21-го века. [25] Постепенная тенденция к «исцелению» была зарегистрирована в 2016 году. [26]

Соединения, содержащие связи C–H (например, гидрохлорфторуглероды или ГХФУ), были разработаны для замены ХФУ в определенных приложениях. Эти заменяющие соединения более реакционноспособны и с меньшей вероятностью выживут достаточно долго в атмосфере, чтобы достичь стратосферы, где они могли бы повлиять на озоновый слой. Будучи менее разрушительными, чем ХФУ, ГХФУ могут оказывать негативное воздействие на озоновый слой, поэтому они также постепенно выводятся из обращения. [27] Они, в свою очередь, заменяются гидрофторуглеродами (ГФУ) и другими соединениями, которые вообще не разрушают стратосферный озон.

Остаточные эффекты CFC, накапливающиеся в атмосфере, приводят к градиенту концентрации между атмосферой и океаном. Это органогалогеновое соединение способно растворяться в поверхностных водах океана и может действовать как зависящий от времени трассер . Этот трассер помогает ученым изучать циркуляцию океана, отслеживая биологические, физические и химические пути. [28]

Последствия для астрономии

Поскольку озон в атмосфере препятствует достижению поверхности Земли наиболее энергичным ультрафиолетовым излучением, астрономические данные в этих длинах волн должны собираться со спутников, вращающихся над атмосферой и озоновым слоем. Большая часть света от молодых горячих звезд находится в ультрафиолете, и поэтому изучение этих длин волн важно для изучения происхождения галактик. Galaxy Evolution Explorer, GALEX , представляет собой орбитальный ультрафиолетовый космический телескоп, запущенный 28 апреля 2003 года и проработавший до начала 2012 года. [29]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Ozone Basics". NOAA . 20 марта 2008 г. Архивировано из оригинала 21 ноября 2017 г. Получено 29 января 2007 г.
  2. ^ МакЭлрой, CT; Фогал, PF (2008). «Озон: от открытия к защите». Атмосфера-Океан . 46 (1): 1–13. Bibcode : 2008AtO....46....1M. doi : 10.3137/ao.460101. S2CID  128994884.
  3. ^ "Озоновый слой". Архивировано из оригинала 2 мая 2021 г. Получено 23 сентября 2007 г.
  4. ↑ Интервью с Ли Томасом, 6-м администратором Агентства по охране окружающей среды. Видео, стенограмма (см. стр. 13). 19 апреля 2012 г.
  5. ^ Сотрудники SPACE.com (11 октября 2011 г.). «Ученые обнаружили озоновый слой на Венере». SPACE.com . Покупка . Получено 3 октября 2015 г. .
  6. ^ "Архив фактов о НАСА". Архивировано из оригинала 6 апреля 2013 г. Получено 9 июня 2011 г.
  7. ^ Matsumi, Y.; Kawasaki, M. (2003). "Фотолиз атмосферного озона в ультрафиолетовой области" (PDF) . Chem. Rev . 103 (12): 4767–4781. doi :10.1021/cr0205255. PMID  14664632. Архивировано из оригинала (PDF) 17 июня 2012 г. . Получено 14 марта 2015 г. .
  8. ^ Нараянан, DL; Салади, RN; 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. S2CID  22224492.
  9. ^ abcd Табин, Шагун (2008). Глобальное потепление: эффект разрушения озона. Издательство АПХ. п. 194. ИСБН 9788131303962. Получено 12 января 2016 г. .
  10. ^ "Nasa Ozone Watch: факты об озоне". ozonewatch.gsfc.nasa.gov . Получено 16 сентября 2021 г. .
  11. ^ Дугласс, Энн Р.; Ньюман, Пол А.; Соломон, Сьюзан (2014). «Антарктическая озоновая дыра: обновление». Physics Today . 67 (7). Американский институт физики: 42–48. Bibcode : 2014PhT....67g..42D. doi : 10.1063/PT.3.2449. hdl : 1721.1/99159 .
  12. ^ "Галоуглероды и другие газы". Выбросы парниковых газов в Соединенных Штатах 1996. Управление энергетической информации. 1997. Архивировано из оригинала 29 июня 2008 года . Получено 24 июня 2008 года .
  13. ^ "Исследование NOAA показывает, что закись азота теперь является основным источником выбросов, разрушающих озоновый слой". NOAA. 27 августа 2009 г. Получено 8 ноября 2011 г.
  14. ^ "озоновый слой | Национальное географическое общество". education.nationalgeographic.org . Получено 30 мая 2022 г. .
  15. ^ US EPA, OAR (14 декабря 2016 г.). «Регулирующие действия по реализации озона». www.epa.gov . Получено 30 мая 2022 г. .
  16. ^ Ангар, Шелдон (июль 2000 г.). «Знание, невежество и популярная культура: изменение климата против озоновой дыры». Общественное понимание науки . 9 (3): 297–312. doi :10.1088/0963-6625/9/3/306. ISSN  0963-6625. S2CID  7089937.
  17. ^ abc Ferreira, Jose P.; Huang, Ziyu; Nomura, Ken-ichi; Wang, Joseph (11 июня 2024 г.). «Потенциальное истощение озонового слоя из-за гибели спутника во время входа в атмосферу в эпоху мегасозвездий». Geophysical Research Letters . doi : 10.1029/2024GL109280 .
  18. ^ Чжан, Цзюньфэн (Джим); Вэй, Юнцзе; Фан, Чжанфу (2019). «Загрязнение озоном: серьезная угроза здоровью во всем мире». Frontiers in Immunology . 10 : 2518. doi : 10.3389/fimmu.2019.02518 . ISSN  1664-3224. PMC 6834528. PMID 31736954  . 
  19. ^ "Регулирование озонового слоя". ec.europa.eu . Получено 30 мая 2022 г. .
  20. ^ US EPA, OAR (15 июля 2015 г.). «Международные договоры и сотрудничество в области защиты стратосферного озонового слоя». www.epa.gov . Получено 30 мая 2022 г. .
  21. ^ Моррисетт, Питер М. (1989). «Эволюция политических мер реагирования на истощение стратосферного озона». Natural Resources Journal . 29 : 793–820 . Получено 20 апреля 2010 г.
  22. ↑ Интервью с Ли Томасом, 6-м администратором Агентства по охране окружающей среды. Видео, стенограмма (см. стр. 15). 19 апреля 2012 г.
  23. ^ "Поправки к Монреальскому протоколу". EPA. 19 августа 2010 г. Получено 28 марта 2011 г.
  24. ^ «Краткие вопросы и ответы по истощению озонового слоя». EPA. 28 июня 2006 г. Получено 8 ноября 2011 г.
  25. ^ "Стратосферный озон и поверхностное ультрафиолетовое излучение" (PDF) . Научная оценка истощения озонового слоя: 2010. ВМО. 2011. Получено 14 марта 2015 г.
  26. ^ Соломон, Сьюзен и др. (30 июня 2016 г.). «Возникновение исцеления в озоновом слое Антарктики». Science . 353 (6296): 269–74. Bibcode :2016Sci...353..269S. doi : 10.1126/science.aae0061 . hdl : 1721.1/107197 . PMID  27365314.
  27. ^ "Глоссарий по истощению озонового слоя". EPA . Получено 3 сентября 2008 г.
  28. ^ Fine, Rana A. (2011). "Observations of CFCs and SF6 as Ocean Tracers" (PDF) . Annual Review of Marine Science . 3 : 173–95. Bibcode :2011ARMS....3..173F. doi :10.1146/annurev.marine.010908.163933. PMID  21329203. Архивировано из оригинала (PDF) 10 февраля 2015 г.
  29. ^ "озоновый слой". National Geographic Society . 9 мая 2011 г. Получено 16 сентября 2021 г.

Дальнейшее чтение

Наука
Политика

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Озоновый слой» .
В Wikisource есть оригинальный текст, относящийся к этой статье:
Озоновый слой