Вначале надо вспомнить, что существующие ныне формы жизни на нашей планете обязаны кислороду, который был создан самой жизнью, а именно фотосинтезом. Количество кислорода не было постоянным. Были эпохи, когда, например, около 1500 млн. лет назад, кислорода было много и железо, содержащееся в земной коре окисляясь, формировало залежи известных железных руд с участием воды (гидрооксиды железа). Сегодня горизонты залежей этого возраста дают основу развития мировой черной металлургии. А в современных осадках на дне океанов в настоящее время образуются оксидные руды железомарганцевых конкреций. Таким образом, железо на планете выступало (и выступает) регулятором количества кислорода в атмосфере и воде.

С появлением кислорода в атмосфере Земли начал формироваться озоновый слой. Он образовался в результате облучения солнцем народившейся атмосферы, содержащей кислород, который и защитил поверхность Земли от губительной для живого солнечной радиации. С созданием озонового слоя на уровне современной толщины в атмосфере Земли, в ордовике (около 460 млн. лет назад) жизнь заселила сушу, а уже в девоне (примерно через 80 – 100 млн. лет) возникли бассейны угленакопления.

С тех пор и по настоящее время озоновый слой вряд ли испытывал значительные колебания в атмосфере Земли, поскольку нет ни одной эры и эпохи, в которой бы не существовала жизнь. До тех пор, пока на Земле существует жизнь, в том числе фотосинтезирующие организмы, до тех пор и будет соблюдаться баланс поступления кислорода в атмосферу и его вывод из неё под влиянием окислительных процессов.

Следует напомнить, что в условиях медленного захоронения отмерших живых организмов на их разложение требуется примерно столько же кислорода, сколько его создается фотосинтезом. А также заметить, что в создание основной массы живого вещества участвуют микроорганизмы – бактерии. Но зачастую попытки оценки биомассы, участвующей в круговороте кислорода и углекислого газа, не могут количественно учесть долю микроорганизмов, чтобы аргументировано обосновать роль живого вещества в формировании не только газового, но и водного баланса на Земле.

Немножко теории

Озон (от древнегреческого – ὄζω – пахну) – аллотропная модификация кислорода состоящая из трёх атомов кислорода – О₃. Представляет собой взрывчатый газ синего цвета с резким характерным запахом.

Аллотропия (от греч. állos — другой, греч. trópos — поворот, свойство) — существование одного и того же химического элемента в виде двух и более простых веществ, различных по строению и свойствам, т. н. аллотропических модификаций или аллотропических форм. Например, кислород имеет три состояния: О, О₂, и О₃.

Озон – один из наиболее сильных окислителей (гораздо сильнее обычного кислорода). Он окисляет все металлы (за исключением золота и элементов платиновой группы), а также большинство других элементов. При действии на некоторые неорганические и органические соединения образует озониды.

Озон образуется по обратимой реакции:

3O₂ + 68 ккал (285 кДж) ←→ 2O₃

Механизм образования, а также расходования озона, был предложен С. Чэпманом в 1930. Схема реакции образования озона выглядит следующим образом:

О₂ + hν → 2О

О₂ + O → О₃

Фотолиз молекулярного кислорода происходит в стратосфере под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца с длиной волны 175—200 нм и до 242 нм.

Озон расходуется в реакциях фотолиза и взаимодействия с атомарным кислородом:

О₃ + hν → О₂ + О

О₃ + O → 2О₂

Озон также образуется в реакциях, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. д. В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах действием тихого электрического разряда. Сжижается O₃ легче, чем O₂, и потому их легко разделить. Медицинский озон для озонотерапии получают только из чистого кислорода.

Молекула О₃ неустойчива и самопроизвольно превращается в O₂ с выделением тепла. При небольших концентрациях и без посторонних примесей озон разлагается медленно, при больших концентрациях разлагается со взрывом. Нагревание и контакт озона с ничтожными количествами органических веществ, некоторых металлов или их оксидов резко ускоряет превращение. Наоборот, присутствие небольших количеств HNO₃ стабилизирует озон, а в сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при − 78ºС практически не разлагается. Поскольку на высоте 25 км, где сосредоточено основное количество атмосферного озона, температура воздуха находится вблизи - 78ºС, то его самопроизвольное разложение на этой высоте не происходит.

Озоновый слой

Озоновый слой в атмосфере Земли впервые выделили французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон. В 1913 году с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения им удалось доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы – стратосфере.

Рис.5. Распределение озона в атмосфере Земли

Он формируется в стратосфере на высоте от 12 до 50 км, рис. 5. Максимум концентрации озонового слоя (максимальная его плотность) толщиной всего в 500 м достигается на высоте 25 км. Наибольшая часть в объёме атмосферы концентрация озона достигается на высоте до 40 км. На высотах 12 – 50 км под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца кислород (О₂) ионизируется, приобретая третий атом кислорода и преобразуется в озон (О₃). Необходимо подчеркнуть, что защитными свойствами от радиоактивного облучения поверхности Земли обладает только озон. Ни одна другая аллотропная модификация не обладает этим свойством. Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) абсорбирует опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущие на суше от губительного излучения. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

Реакции, способствующие разрушению озона в атмосфере Земли

Кроме реакций, входящих в механизм С.Чэпмана, известны другие реакции, изымающие озон из атмосферы Земли¹. Эти реакции объединяют в несколько семейств. Главными из них является азотное, кислородное (из механизма Чэпмана), водородное и галогеновое семейство. Эти реакции представляют собой каталитические циклы:

Азотный цикл (NO_x):

N₂O + O(¹D) → NO + NO

О₃ + NO → NO2 + О₂

NO₂ + О → NO + О₂

Водородный цикл (HO_x):

Н₂O + O → OH + OH

ОН + О₃ → НО₂ + О₂

НО₂ + О₃ → ОН + 2О₂

Хлорный цикл (ClO_x):

CFCl₃ + hν → CFCl₂ + Cl

Cl + O₃ → ClO + O₂

ClO + O → Cl + O₂

Доля в расходовании озона различных химических семейств приведена в таблице 5.

Таблица 5

Доля в расходовании озона различных химических семейств²

Давление, гПа	Химические семейства расходования озона
	азотное	кислородное	водородное	галогеновое
1.31	0.10	0.26	0.41	0.21
3.78	0.50	0.14	0.11	0.25
8.93	0.68	0.11	0.08	0.13
21.9	0.46	0.12	0.19	0.20
55.8	0.12	0.03	0.48	0.14

Реакции, ведущие к разрушению озона в атмосфере Земли, связаны с совокупностью естественных и антропогенных причин, включая отсутствие солнечного воздействия на верхние слои атмосферы в течение полярной зимы на полюсах Земли. Там возникает особо устойчивый полярный вихрь, препятствующий проникновению озона из приполярных широт и образованию полярных стратосферных облаков, поверхность частиц которых выступает катализаторами реакции распада озона.

Условия, способствующие разрушению озона, таким образом, присущи в основном Антарктики и Арктики. В пределах Арктики формирующийся полярный вихрь намного слабее антарктического в виду отсутствия континентальной поверхности. Поэтому здесь температура выше, чем в Антарктике, а полярные стратосферные облака менее распространены.

Химически активные молекулы озона вступают в реакции с неорганическими и органическими соединениями. В качестве основных веществ-разрушителей озона выступают водород, кислород, хлор. А также неорганические соединения: хлороводород, моноксид азота; органические соединения: метан, фторхлор- и фторбромфреоны, которые являются источником хлора и брома. В отличие от последних гидрофторфреоны, распадающиеся до атомов фтора, быстро реагируют с водой, образуя устойчивое соединение фтороводорода. Таким образом, фтор не участвует в реакциях распада озона, как и йодсодержащие органические вещества. Фтор и йод по большей части расходуются ещё в тропосфере и не достигает стратосферного слоя, где концентрируется основное количество озона. То есть фреоны из-за значительной их массы не способны достигать стратосферы.

Существует проблема количественной оценки источников соединений, участвующих в разрушении озонового слоя. Такими источниками являются соединения, образующиеся в результате хозяйственной деятельности человека (антропогенные источники) и естественные, например, природные источники современных действующих вулканов, галогены океанов.

То есть вмешательство человека увеличивает вклад хлорного цикла. И при имевшейся тенденции к увеличению производства фреонов до вступления в действие Монреальского протокола (10 % в год) от 30 до 50 % общих потерь озона в 2050 году обуславливалось бы воздействием фреонов³. Считается, что до антропогенной добавки процессы образования озона и его разрушения находились в равновесии. Но фреоны, выбрасываемые по ходу возрастания человеческой деятельности, сместили это равновесие в сторону уменьшения концентрации озона.

Участие галогенов океана считается доминирующим среди естественных источников соединений, участвующих в разрушении озонового слоя. Считается, что вклад природных источников в общий баланс галогенов, участвующих в разрушении озонового слоя незначителен. В силу того, что они не достигают стратосферы, поскольку являются водорастворимыми (например, хлорид-ионы и хлороводород) и вымываются из атмосферы, выпадая в виде дождей на землю.

Роль вулканической деятельности недооценивается, так как считается, что в процессе извержения недостаточно выделяется соединений, разрушающий озон, которые могут проникнуть в стратосферный слой насыщенный озоном. Однако при извержении вулкана Пинатубо в июне 1991 г сопровождалось ощутимым падением уровня озона. Как считают специалисты, это понижение уровня сопровождалось не за счёт высвобождаемых галогенов, а за счёт образования большой массы сернокислых аэрозолей, поверхность которых выступала в качестве катализаторов реакции разрушения озона. Но дело в том, что эти аэрозоли в стратосфере присутствовали в течение около трех лет. То есть длительное время участвовали в реакциях разрушения озонового слоя. К тому же данные вулканологов подтверждают наличие в составе выбросов вулканов фреонов таких, как фреон-11, фреон-12, фреон-111.

Пинатубо — вулкан, расположенный на филиппинском острове Лусон в 93 км к северо-западу от столицы Манилы и 26 км к западу от города Анхелес. Его высота сегодня составляет 1486 метров, а до крупного извержения в 1991 она составляла 1745 м. До этого извержения вулкан считался потухшим. Последнее извержение Пинатубо произошло 12 июня 1991, впервые за 611 лет. Оно было одним из самых крупных извержений вулканов в XX веке. Благодаря прогнозу извержения десятки тысяч людей были эвакуированы с прилежащих территорий. Но, несмотря на это, все же от извержения и его последствий погибло 875 человек. Кроме этого окрестности вулкана были опустошены пирокластическими потоками, слоями пепла и лахарами.

Последствия извержения Пинатубо были ощутимы по всему миру. Оно привело к самому мощному выбросу аэрозолей в стратосферу со времён извержения вулкана Кракатау в 1883 г. На протяжении следующих месяцев в атмосфере наблюдался глобальный слой сернокислотного тумана. Было зарегистрировано падение температуры на 0,5°С и чрезмерное сокращение озонового слоя.

Ссылки