4.4: Стратосферне утворення озону
- Page ID
- 37938
Озон - це озон незалежно від того, де він знаходиться в атмосфері. Хороший озон хороший тільки тим, що він знаходиться в стратосфері, де ми не можемо їм дихати (рис.\(\PageIndex{1}\)). Поганий озон також поглинає сонячне ультрафіолетове світло, але він знаходиться поблизу поверхні Землі, де ми можемо їм дихати. Для захисту від ультрафіолету нас цікавить загальна кількість молекул озону між нами і Сонцем. 90% молекул озону знаходяться в стратосфері, а 10% - в тропосфері - деякі знаходяться поблизу поверхні Землі, де ми можемо ними дихати. Є важливі питання, що впливають на здоров'я людини і екологічне здоров'я як для хорошого озону, так і поганого озону. Для хорошого озону найбільш важливими проблемами є скорочення озону в усьому світі, Антарктична озонова діра, і арктичні втрати озону, що викликані хлорфторуглеродами. Зниження озону означає, що більше сонячного УФ потрапляє на землю, викликаючи більше раку шкіри. Для поганого озону найбільш важливі питання включають виробництво занадто великої кількості озону в містах та прилеглих регіонах, що викликано занадто великою кількістю забруднюючих речовин від руху, промислових процесів, виробництва електроенергії та іншої діяльності людини. Підвищений озон означає, що більше людей мають проблеми з диханням та серцем. Давайте розглянемо як хороше, так і погане, починаючи з стратосферного озону.
- Клацніть для текстового опису зображення поперечного перерізу.
-
Пояснення діаграми типового вертикального профілю озону для тропіків
Стратосферний озон (озоновий шар, ~15-35 км) містить 90% корисної ролі атмосферного озону: діє як первинний щит УФ-випромінювання Поточні питання
- довгострокові глобальні тенденції до зниження
- весняна антарктична озонова діра щороку
- весняні втрати арктичного озону за кілька останніх років
- епізоди високого поверхневого озону в міських та сільських районах
Тропосферний озон (0-15 км) містить 10% шкідливого впливу атмосферного озону: токсичний вплив на людину та рослинність, актуальні проблеми
Щоб отримати загальну кількість озону між нами і Сонцем, ми просто складаємо кількість озону, починаючи з поверхні і піднімаючись до верхньої частини озонового шару. Зверніть увагу, наскільки більше озону в стратосфері. У більш високих широтах дно стратосферного озонового шару знаходиться приблизно на 10-12 км. Згадайте наступне зображення з Уроку 2:
Процес стратосферного утворення озону починається з озону (O 3), який виробляється ультрафіолетовим сонячним світлом в стратосфері (але не тропосфері, як ми побачимо). Дві реакції:
\[O_{2}+\operatorname{hard} U V \rightarrow O+O\]
\[O+O_{2}+N_{2} \rightarrow O_{3}+N_{2}\]
Зауважте, що N 2 насправді не реагує в цьому останньому хімічному рівнянні, але замість цього просто натикається на молекулу O 3, коли вона формується, і стабілізує її, видаляючи частину енергії з O 3. Ми називаємо O 3 окислювачем, оскільки він може реагувати з деякими сполуками і окислювати їх.
Цей O 3 може бути розбитий ультрафіолетовим світлом, щоб зробити O 2 та O. Зазвичай O поєднується з O 2, утворюючи O 3 таким чином: O+O 2+N 2 → O 3+N 2, тому нічого насправді не відбувається, крім того, що сонячна енергія, яка розривається окремо О 2 закінчується як додаткова енергія для О 3 і для зіткнення N 2 і, як наслідок, закінчується прогріванням повітря. Іноді О стикається з О 3 і реагує: О+О 3 →О 2 +О 2. Зібравши всі реакції разом, ми можемо побачити хімічний життєвий цикл озону в стратосфері. Цей набір реакцій був запропонований в 1930-х роках Чепменом:
| O 2 + жорсткий УФ → О + О | виробництво |
|---|---|
| 2 (О + О 2 + Н 2 → О 3 + Н 2) | їзда на велосипеді |
| О 3 + УФ → О 2 + О | їзда на велосипеді |
| О + О 3 → О 2 + О 2 | втрати |
| Далі: УФ → вище Т |
Ці чотири реакції можуть спричинити основні характеристики озонового шару, як це було в 1940-х роках до 1970-х років. Однак ця теорія породила пікові рівні озону, які становили 50 Міллі-паскаль, а не 25-30 міліпаскалів, що спостерігаються на першому малюнку вище. Таким чином, виміряні рівні стратосферного озону становили приблизно половину від передбачених теорією Чепмена - це була справжня головоломка. Однак у 1970-х роках вчені запропонували нові набори реакцій іншими газами, які досягли тих же результатів, що і реакція втрати, показана вище. Відомий приклад включає хлор, який походить здебільшого з людських хлорфторуглеродів (ХФУ):
| ХФУ + УФ → продукт + Cl | виробництво |
|---|---|
| Сл + О 3 → КЛО + О 2 | їзда на велосипеді |
| КЛО + О → Сл + О 2 | їзда на велосипеді |
| Сл + СН 4 → НСЛ + СН 3 | втрати |
| Далі О 3 +О: О 3 + О → О 2 + О 2 |
Під час циклу хлор (Cl) та окис хлору (ClO) не руйнуються, а замість цього просто переробляються один в одного. З кожним циклом втрачаються дві молекули озону (одна безпосередньо і друга, оскільки O майже завжди реагує з O 2 з утворенням O 3). Цей цикл може працювати сотні тисяч разів, перш ніж Cl зв'язується в HCl. Таким чином, рівні ClO і Cl десятків частин на трильйон повітря (10 -12) здатні знищити кілька відсотків з декількох частин на мільйон O 3. Шеррі Роуленд і Маріо Моліна з'ясували цей цикл і написали статтю про нього в 1974 році. Вони отримали Нобелівську премію з хімії в 1995 році за цю роботу. Коли каталітичні цикли за участю хлору, оксидів азоту та ОН включаються в теорію, узгодження між теорією та вимірюваннями стає набагато кращим.
Вправа
Зверніть увагу, що загальна кількість озону в середніх широтах більше, ніж кількість в тропіках. Це повинно здатися вам дивним, тому що сонячний УФ, який є частиною механізму Чепмена, найсильніший у тропіках. Чому ви думаєте, що загальний озон розподіляється таким чином?
- Натисніть для відповіді.
-
ВІДПОВІДЬ: Розподіл озону відбувається за рахунок руху повітря через стратосферу. Повітря надходить з тропосфери в стратосферу здебільшого в тропіках і, швидко рухаючись із заходу на схід, повільно рухається від тропіків до ближніх полюсів, де знову потрапляє в тропосферу. Таким чином, більша частина озону виробляється в тропіках на більшій висоті, а потім частина цього озону руйнується хімічними реакціями, оскільки озон транспортується з полюсом і вниз. Отже, хоча коефіцієнт змішування озону дещо зменшується від тропіків до високих широт, концентрація озону (молі на об'єм) збільшується, оскільки він транспортується на менші висоти, де тиск і кількість родимок більше, більш ніж удвічі більше (див. Зображення Уроку 2 вище).
Низький озон над Антарктидою вище - це антарктична озонова діра; відео нижче (:31) під назвою «Мінімуми озону з графіком» (від NASA) показує зміни концентрації озону між 1979 і 2013 роками. Відео не розповідається:
Антарктична озонова діра є крайнім прикладом руйнівної сили каталітичних циклів хлору. Різні каталітичні цикли домінують в руйнуванні озону над Антарктидою і, меншою мірою, Арктикою. Але, при допомозі хімії на поверхнях природних полярних стратосферних хмар, весь Cl у вигляді HCl звільняється так, що полярні каталітичні цикли здатні знищити кілька відсотків озону на добу в пробці розміром з Антарктиду з висоти 12 км аж до 20 км.
На щастя, кількість хлору, що вводиться в стратосферу, зменшується через Монреальський протокол, перший у світі міжнародний глобальний екологічний договір.