Озонные дыры и гибель человечества

Когда солнечное излучение проходит через атмосферу Земли, оно взаимодействует с атомами и молекулами различных химических элементов атмосферного газа. Что при этом происходит? Если кванты излучения имеют достаточную энергию, то они отрывают от атомов и молекул по одному орбитальному электрону. При этом атом расщепляется на два осколка. Одним из них является электрон, а другим — атом без одного орбитального электрона. Такой атом называют ионом, а процесс — ионизацией. Электрический заряд такого иона является положительным, поскольку один единичный положительный заряд ядра остается некомпенсированным, оторванным орбитальным электроном. Если от атома оторван один электрон, то атом ионизован однократно. Если два — то атом дважды ионизован. В земной атмосфере ионы образованы в результате однократной ионизации. Солнечное излучение успешно производит ионизацию атомов и молекул вещества. Поэтому выше 50 км образуются ионы и свободные электроны (в равных количествах). Чем выше, тем и концентрация больше. Если на высоте 100 км днем их примерно 10 тысяч в 1 см³, то на высотах 300–350 км это число увеличивается в сотни раз и составляет миллионы частиц в том же объеме. На этих высотах достигается максимум концентрации ионов и свободных электронов. Вся ионизованная часть атмосферы Земли называется ионосферой. Ее с таким же успехом можно было назвать электроносферой.

Но солнечное излучение не только отрывает электроны от атомов и молекул. Оно также разрывает молекулы на отдельные части. Этот процесс называют диссоциацией. Одни соединения диссоциируют относительно легко, а другие — с трудом. Поэтому в атмосфере на одних и тех же высотах одни молекулы диссоциированы, а другие остаются нетронутыми. Достаточно легко под действием солнечного ультрафиолетового излучения диссоциирует молекулярный кислород. В результате образуется атомный кислород. Для диссоциации молекулярного кислорода требуется энергия излучения, равна 5,115 эВ (электрон-вольт). Такой энергией обладают фотоны (кванты) с длиной волны, равной 242,3 нм. Диссоциацию могут вызывать не только фотоны, но и заряженные частицы. Диссоциация, вызываемая светом (фото), называется фотодиссоциацией.

Далее атомы кислорода взаимодействуют друг с другом. В результате этого взаимодействия образуются молекулы кислорода. Этот процесс конкурирует с процессом диссоциации. Какой из этих двух процессов будет более эффективен в смысле образования молекул (озона или кислорода), будет зависеть от конкретных условий. Поскольку условия существенно меняются с высотой, то и соотношения между этими реакциями будут меняться с высотой.

Обе эти реакции особые. Они могут протекать только в присутствии активных свидетелей. Дело в том, что если на разрыв молекул надо затратить определенную энергию, то при обратном процессе объединения частиц в молекулу это количество энергии должно высвободиться и куда-то деться. Если нет агента (свидетеля), который бы забрал эту энергию, то реакции состояться не могут. Другими словами, эти реакции могут проходить в присутствии третьего тела. Вероятность присутствия третьих тел зависит от их концентрации, а значит, и от высоты. От высоты зависит и соотношение между концентрациями атомов и молекул кислорода: чем выше, тем атомов кислорода больше, а молекул меньше.

Выше 60 км большая часть молекулярного кислорода диссоциирована. Поэтому здесь преобладает реакция объединения (рекомбинации) атомов кислорода. Ниже этого уровня, где преобладают молекулы кислорода, преобладает реакция соединения молекул и атомов кислорода с образованием озона. Эта реакция (с участием третьего тела) является главным источником образования озона в стратосфере.

Озон не может только возникать. Он должен и исчезать, иначе через какое-то время весь кислород превратился бы в озон. А мы знаем, что это не так.

Исчезает озон в следующих реакциях. Молекула озона соединяется с атомом кислорода, и образуются две молекулы кислорода. Кроме того, озон разрушается (диссоциирует) также солнечным излучением. При этом образуется молекулярный и атомный кислород. Для фотодиссоциации молекул озона фотоны должны обладать достаточной для этого энергией. Длина волны фотонов должна быть не больше 1134 нм. Это значит, что диссоциацию озона способно производить солнечное излучение в ультрафиолетовой и ближней инфракрасной областях.

Озон образуется эффективно из молекулярного и атомного кислорода на высотах 30–70 км. Выше, как уже было сказано, мало молекул кислорода. Ниже этой области не проникает ультрафиолетовое излучение Солнца, оно поглощается выше 300 км. Зато реакция с разрушением озона протекает на всех высотах, вплоть до поверхности Земли.