Зачем нужен озоновый слой

[sergey zhukov]

Попалась такая статья https://www.nkj.ru/archive/articles/8255/. Смысл ее в том, что для поглощения вредного ультрафиолета от Солнца в атмосфере Земли достаточно одного лишь кислорода, а роль озона преувеличивается (это просто побочный продукт процесса поглощения ультрафиолета кислородом).

Думаю, это неверно. Хотел разобраться в этом получше. Правильно ли я понял, что общепринятый взгляд на это следующий:

Поток ультрафиолета можно грубо разделить на короткий (<200 нм) и длиный (200...300 нм). Короткий поглощается в основном кислородом (в результате чего и образуется озон). Длиный поглощается в основном озоном (в результате чего образуется снова кислород). Таким образом, нам повезло, что в спектре солнечного ультрафиолета есть не только длинное, но и короткое излучение (если бы последнего не было, озон не образовывался бы из кислорода, и длинный ультрафиолет проходил бы беспрепятственно). Т.е. короткое ультрафиолетовое излучение по сути защищает нас от длинного.

Озон может разрушаться не только ультрафиолетом, но и химическими веществами (вроде фреонов). Тогда, хотя озон и продолжает генерироваться из кислорода под действием короткого ультрафиолета в том же количестве, что и раньше, он тут же уничтожается фреоном, и его равновесная концентрация снижается. Соответственно, снижается защита от длинного ультрафиолета.

В статье, как я понял, высказывается такая мысль, что поскольку кислородная атмосфера, облучаемая ультрафиолетом, всегда в равновесном состоянии представляет собой смесь кислорода и озона, то не вполне ясно, какая часть ультрафиолетового спектра фильтруется озоном, а какая - кислородом. Вполне может быть, что кислород фильтрует вообще все, а озон особо ничем не занимается.

[Anton_Peplov]

Очевидная мысль: погуглить интенсивность и спектр ультрафиолета у поверхности Земли под озоновыми дырами и под нормальным слоем озона. Если озон не нужен, то не должно быть никаких различий.

[мат-ламер]

Как-то читал, что жители южных стран (Австралия, Новая Зеландия, Чили, Аргентина) были озабочены расширением озоновой дыры.

[Toolt]

Озоновый слой, защищающий от ультрафиолета (и роль фреонов в его разрушении) - такая же чушь, как потепление климата из-за выбросов "парниковых газов" и появление "островов из пластиков" в океане из-за того, что мы в России используем пластиковые пакеты.
Кто-то делает на этих спекуляциях большие деньги и политику, а мы, подписавшие всякие дурацкие "конвенции" (и вынужденные их выполнять), теряем деньги и бессмысленно создаем себе трудности, удушаем производство.
В статье указано на очевидную вещь: нет описания механизма, как именно озон "задерживает ультрафиолет", зато всем известно, что как раз именно озон появляется в результате воздействия ультрафиолетового излучения на кислород. То есть все наоборот и шиворот на выворот. И "механизм Чепмена" - недоказанная и умозрительная конструкция.

[EUgeneUS]

Toolt
Политизированность отдельных тем, (потенциально) имеющих глобальное значение - не повод объявлять все эти темы лженаукой.

Статья, приведенная в стартовом посте,
а) Вышла в 2000 году.
б) Вышла в научно-популярном издании, а не в научном.
И сама по себе может рассматриваться, как тенденциозная.

[Ende]

Toolt в сообщении #1596915 писал(а):

Озоновый слой, защищающий от ультрафиолета (и роль фреонов в его разрушении) - такая же чушь, как потепление климата из-за выбросов "парниковых газов" и появление "островов из пластиков" в океане из-за того, что мы в России используем пластиковые пакеты.

dxdy - это научный форум. Если у Вас есть претензии к физикам-атмосферщикам по поводу роли озонового слоя, их можно обсудить. Но ссылаться нужно на научные статьи, а не на одну научно-популярную неизвестного качества. Если у Вас есть содержательные претензии к климатологам по поводу глобального потепления и/или его причин, их можно обсудить в теме «О научности климатологии и глобальном потеплении». С аргументами и ссылками на научные статьи. А голословные категоричные обвинения здесь неприемлемы. Тем более неприемлемо смешивать в одну кучу парниковые газы, озоновый слой и загрязнение океана пластиком и все это скопом объявлять мировым заговором. Экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств.

[sergey zhukov]

Да, статья эта, похоже, ерунда. Из разряда "Брякнул и отошел". На нее даже есть более аргументированный ответ в том же журнале "Наука и жизнь" (в одном из последующих номеров) под названием "Химия и алхимия озонового слоя".

На длинах волн 200...300 нм коэффициент поглощения озона на 4...5 порядков выше, чем у прочих главных поглотителей (кислорода, углекислого, водяного пара). Различие радикальное. Скажем, на длине волны 240 нм слой кислорода толщиной 150 метров можно заменить слоем озона толщиной всего-лишь 0,02 мм. Так что озон, конечно, поглощает УФ в полосе 200...300 нм несравнимо лучше кислорода.

Тут, правда, нужно еще уточнить два момента:

Первое - содержится ли в составе солнечного излучения опасный ультрафиолет достаточной мощности в полосе поглощения озона 200...300 нм, от которого нужно защищаться? Ясно, что если нет, то нечего и обсуждать (ответ - да, содержится);

Второе - если озон из атмосферы убрать, то достаточно ли прочих составляющих атмосферы для защиты от ультрафиолета в этой полосе? Ясно, что если атмосфера достаточно толстая и плотная, то она и без озона может справиться с поглощением УФ. Здесь ответ состоит в том, что эквивалентная толщина слоя кислорода (если весь имеющийся в атмосфере кислород взять при стандартных условиях в невесомости) составляет примерно 1,7 км. Этого достаточно для защиты от УФ примерно до 250 нм. (Углекислый газ и водяной пар имеют значительно меньшую эквивалентную толщину, а так же меньший коэффициент поглощения, их можно не учитывать). Выше 250 нм кислородная атмосфера уже недостаточно толстая и плотная, чтобы защищать от УФ без озона.

По поводу же механизма генерации и уничтожения озона в общем все достаточно понятно из схемы Чепмена. Удивительно, что поскольку главный поставщик "нечетного кислорода" (атомарного кислорода и озона) - это реакция разрушения молекулярного кислорода коротким УФ, то короткий Уф действительно защищает нас от длинного УФ. Если бы короткий УФ отфильтровывался из солнечного излучения каким-либо способом еще до попадания в атмосферу Земли, то нам бы не поздоровилось.

[EUgeneUS]

sergey zhukov в сообщении #1596926 писал(а):

Выше 250 нм кислородная атмосфера уже недостаточно толстая и плотная, чтобы защищать от УФ без озона.

Ещё интересный факт в ту же копилку:

Цитата:

Бактерицидная лампа — это электрическая газоразрядная лампа низкого давления с колбой из увиолевого стекла излучающая свет в ультрафиолетовом диапазоне с пиком в 253,7 нм (УФ-C), который способен убивать микроорганизмы (вирусы, бактерии, плесень и другие патогены) путём уничтожения нуклеиновых кислот, нарушая их ДНК

[мат-ламер]

sergey zhukov в сообщении #1596926 писал(а):

На длинах волн 200...300 нм коэффициент поглощения озона на 4...5 порядков выше, чем у прочих главных поглотителей (кислорода, углекислого, водяного пара). Различие радикальное. Скажем, на длине волны 240 нм слой кислорода толщиной 150 метров можно заменить слоем озона толщиной всего-лишь 0,02 мм. Так что озон, конечно, поглощает УФ в полосе 200...300 нм несравнимо лучше кислорода.

То, что озон хорошо поглощает УФ в диапазоне 200-300 нм - факт несомненный. То, что озон поглощает УФ в этом диапазоне сильно лучше других газов - тоже факт несомненный. А вот сомнительно, что озон вносит решающий вклад поглощение этого диапазона УФ. Достаточно оценить суммарную концентрацию озона в атмосфере. Известно, что концентрация озона в атмосфере - величина непостоянная. Её отслеживают и кое-где даже какие-то графики приведены. Но не в одной популярной статье я не видел графика, как меняется УФ излучение на поверхности Земли и как это изменение связано с изменением концентрации озона. И даже, если всё-таки озон вносит решающий вклад в поглощение этого диапазона УФ, ещё не факт, что уменьшение озонового слоя повлечёт за собой разрушительное влияние на жизнь на поверхности Земли. Может тогда поглощение на себя возьмёт кислород и этого будет достаточно.

Также крайне сомнительно влияние промышленных и бытовых фреонов на концентрацию озона. Достаточно вспомнить время жизни озона. И она не очень велика. Озон рождается в верхних слоях стратосферы. Концентрация его там мала. Концентрация фреонов и хлора (который получается из фреона) на этих высотах также мала. Отсюда следует, что крайне мала вероятность встречи и реагирования молекулы озона с молекулой фреона (хлора) до того, как она сама распадётся.

[sergey zhukov]

мат-ламер
По крайней мере мы знаем, что эквивалентная толщина слоя кислорода нашей атмосферы равна 1,7 км, а озона - примерно 3 мм. Их соотношение примерно $5,5\times 10^5$. Из спектров поглощения кислорода и озона следует, что такое соотношение достигается для равнопоглощающих слоев кислорода и озона примерно на волне 240 нм. На более длинных волнах поглощение 3-х мм слоя озона уже существенно перевешивает поглощение 1,7 км слоя кислорода.

Отсюда можем заключить, что озон должен вносить существенный вклад в поглощение УФ. Скажем, если удалить озон, то на волне 240 нм интенсивность излучения у земной поверхности должна возрасти вдвое, а на более длинных волнах - еще сильнее.

Что влияет на концентрацию озона и причем там ХФУ - это уже отдельный вопрос. Более сложный. Но просто измерить текущую концентрацию озона в атмосфере и оценить его вклад в поглощение УФ - в этом, на мой взгляд, ничего сложного нет.

Т.е., на мой взгляд, спорные вопросы - это что именно влияет на концентрацию озона и насколько опасно усиление УФ-излучения, связанное с истощением озонового слоя. А вот каков вклад озона в поглощение УФ-излучения атмосферой - это в общем уже совершенно ясно.

[мат-ламер]

sergey zhukov в сообщении #1596946 писал(а):

Скажем, если удалить озон, то на частоте 240 нм интенсивность излучения у земной поверхности должна возрасти вдвое, а на более длинных волнах - еще сильнее.

В статье Чугунова в НиЖ говорится, что "на высоте 34 км излучений с длиной волны менее 280 мм не обнаружено". В популярной брошюре Данилова и Кароля "Атмосферный озон - сенсации и реальность" (есть на либгене) на странице 56 говорится, что излучение с длиной волны 255 нм уменьшается только за счёт озона в $10^{17}$ раз. Это всё как-бы намекает, что и без озона атмосфера справилась бы с УФ излучением. Хотя, да, роль озона может быть тут велика.

[GraNiNi]

sergey zhukov в сообщении #1596946 писал(а):

Из спектров поглощения кислорода и озона следует

Можете здесь привести спектры поглощения озона и кислорода или дать на них конкретную (рабочую) ссылку?

[мат-ламер]

Если цифра $10^{17}$ в популярной брошюре вызывает сомнения, то вот тут говорится

Цитата:

тогда как на длине волны 290 нм коэффициент поглощения озонового слоя составляет 3,5×10^8.

Более короткие волны поглощаются ещё сильнее. А более длинные не так уж и разрушительны для организмов, а иногда даже полезны (синтез витамина D).

[sergey zhukov]

мат-ламер
Вообще ясно, что нас в первую очередь интересует не то, насколько хорошо озон способен поглощать УФ и как сильно он превосходит в этом все остальные газы в атмосфере. И даже не то, во сколько раз увеличится поток УФ у поверхности земли, если убрать озон. Так, если с озоном в атмосфере интенсивность УФ у поверхности близка к нулю, то после его исчезновения даже тысячекратное увеличение этой интенсивности может не означать ничего страшного.

Так, в статье "Химия и алхимия озонового слоя" И.К.Ларин говорит:

Цитата:

Теоретически и практически доказано, что в диапазоне длин волн 200—300 нм определяющую роль в распределении солнечного излучения по высоте земной атмосферы играет его поглощение молекулами озона, слой которого простирается от 10—15 км до высоты более 50 км с наибольшей концентрацией на высоте 20—25 км. Озон чрезвычайно сильно поглощает ультрафиолет длиной волны около 250 нм, и уже к высоте 40 км от этого излучения остается только 10%, а все остальное поглощается вышележащим слоем. А до высот 20—25 км излучение в диапазоне длин волн 255—266 нм, чрезвычайно опасное в биологическом отношении, практически не доходит. Поэтому о нем можно спокойно забыть: его интенсивность не изменится, даже если озона станет в десять раз меньше.

Разнообразные и многочисленные эксперименты показали, что излучение в диапазоне длин волн 280—320 нм также опасно. Именно это излучение при истощении озонового слоя будет усиливаться, приводя к разнообразным негативным последствиям.

Таким образом (повторим еще раз), интенсивность проходящего солнечного излучения в диапазоне длин волн 200—300 нм на разных высотах полностью определяется только распределением озона в атмосфере.

Т.е. при истощении озонового слоя на каких-то участках спектра (скажем, в районе 250 нм) мощность излучения может вырасти и в 10 раз, но это не будет опасно, т.к. излучение там изначально было очень слабым. А на других участках спектра (скажем, в районе 280-320 нм) даже 1,5 кратное увеличение интенсивности может быть опасным, т.к. оно там изначально было сильным.

Ничего, правда, в статье не говорится о рассеивании УФ в атмосфере. Оно ведь должно быть, и даже может выполнять защитную функцию.

GraNiNi
http://samlib.ru/o/oleg_w_m/cdocumentsandsettingsolegmosinmoidokumentypoglosheniesolnechnogoizluchenijaatmosferojigidrosferojzemrtf.shtml

[мат-ламер]

sergey zhukov в сообщении #1596952 писал(а):

А на других участках спектра (скажем, в районе 280-320 нм) даже 1,5 кратное увеличение интенсивности может быть опасным, т.к. оно там изначально было сильным.

С увеличением температуры на поверхности Земли в атмосфере будет увеличиваться концентрация водяного пара. И он будет защищать нас в этом диапазоне УФ.