Реакции ионов в атмосфере

Диссоциативная рекомбинация - реакция иона с электроном с образованием нейтральной молекулы, которая в разреженных условиях верхней атмосферы быстро диссоциирует

Перенос заряда - реакции молекулярного иона с нейтральной частицей, сопровождающиеся переносом электрона.

Такая реакция идет только в случае, если энергия ионизации молекулы, теряющей электрон, меньше энергии ионизации молекулы, образующейся в результате переноса заряда (см. табл. 7.8). Например:

Реакции обмена, которые в отличие от предыдущих процессов сопровождаются разрывом химической связи:

Если бы те молекулы (N₂, NO и О₂) поглощали все коротковолновое излучение, было бы прекрасно! Однако часть (и довольно значительная) коротковолнового излучения проникает ниже, оставаясь неотфильтрованной. Здесь на его пути встает "второй бастион" - слой озона О₃, "озонный щит" планеты.

Проблема, связанная с О₃, состоит из двух аспектов:

1. Озон - фактор, обеспечивающий биологически безопасный уровень УФ-излучения у поверхности Земли, поддерживающий в стабильном состоянии климат планеты, контролирующий содержание некоторых загрязнителей в атмосфере.

2. Содержание О₃ уменьшается в озоновом слое под действием антропогенных загрязнителей атмосферы (рис. 5.11).

Озонный слой расположен в стратосфере на высотах 20 - 30 км. Общее количество озона в атмосфере оценивается в 3,3 млрд. т. Если весь озон "распределить" у поверхности Земли при нормальных температурах и давлении, то получится газовый слой толщиною 3 мм.

Озон распределен в атмосферном слое неравномерно: над тропиками его в среднем меньше, чем над полюсами.

Озон образуется в результате уже известного нам процесса фотодиссоциации кислорода.

Образовавшиеся молекулы озона существуют недолго; происходит обратная реакция фоторазложения О₃, которая и представляет собой поглощение озоном коротковолновых фотонов:

О₃ +h О₂ + О (разложение).

Следовательно, в стратосфере существует цикл озона - сбалансированное образование и разложение. Результатом существования цикла озона в стратосфере является и то, что УФ-излучение Солнца превращается в тепловую энергию. Поэтому температурный профиль атмосферы имеет максимум на высоте около 50 км, в области стратопаузы Но для нас, живых существ Земли, главная "заслуга" озона состоит в том, что он, "жертвуя собой", поглощает лучи с длиной волны 240 - 260 нм и, таким образом, не пропускает высокоэнергетические фотоны Солнца к Земле.

Лишь с появлением достаточного количества озона в стратосфере смогла спокойно оформляться и эволюционировать жизнь на Земле.

Влияние озона на климат также связано с поглощением излучений, но уже не только в УФ-, но и в ИК-области спектра.

Озонный слой усиливает "парниковый эффект", т.к. поглощает ИК-излучение от поверхности Земли. Однако здесь все не так однозначно: влияние О3 на температуру поверхности Земли и климат зависит от того, на каких высотах изменяется концентрация озона.

Не вдаваясь в подробности сложных связей между количеством озона и разнообразными параметрами среды, отметим лишь, что до высоты 30 км увеличение концентрации О₃, по прогнозам, будет приводить к нагреванию, а выше 30 км - к охлаждению поверхности планеты. Таким образом, озон в тропосфере (тропосферный озон) вполне может быть отнесен к парниковым газам. Его источниками служат электрические и грозовые разряды и, самое главное, фотохимические реакции, идущие там, где солнечная радиация воздействует на антропогенные примеси (прежде всего на NOх и углеводороды в автомобильных выхлопах). В городах же этот озон, как главный компонент фотохимического смога, непосредственно воздействует на глаза и легкие человека и вредит зеленым насаждениям. (ПДК озона - 1 мг/м³)

Эмиссия озона в тропосферу в результате техногенеза значительна, и если в ближайшем будущем человечество не предпримет для решения этой проблемы серьезных усилий, то тропосферный озон напомнит о себе сам, способствуя потеплению климата Земли.

Было бы благом для человечества снизить концентрацию О₃ вблизи поверхности Земли, однако снижение концентрации стратосферного озона очень опасно! А именно этот процесс сейчас и происходит при активном содействии человека.

Рассмотрим кратко, каким образом разрушается "озонный щит" и образуются "озонные дыры".

Впервые "озонная дыра" была обнаружена в 1975 г. над Антарктидой. (Под "дырой" не следует понимать то, что в данной области совсем нет О₃. Его слой истончается, и защитный эффект поглощения фотонов УФ-области спектра ослабевает.

Существуют теории, объясняющие появление озоновых дыр особенностями циркуляции воздуха. Полагают, что в полярных областях в стратосфере возникают устойчивые восходящие потоки, которые увлекают богатый озоном воздух вверх и затем в сторону, по направлению к экватору, где концентрация озона меньше.

Главные виновники истончения "озонного щита" над отдельными регионами планеты - хлорфторуглероды (ХФУ), в особенности долгоживущие в стратосфере молекулы ХФУ-11 (CFCl₃) и ХФУ-12 (CF₂Cl₂).

Эти антропогенные вещества широко используют как хладогенты в холодильниках, как распыляющие газы в аэрозольных баллонах и как пенообразователи в огнетушителях. Существует несколько синонимичных названий - хлорфторметаны, фреоны, хладоны. Первоначально ХФУ быстро завоевали популярность в связи с тем, что они химически инертны, практически не вступают в химические реакции и поэтому не токсичны для живых организмов. Однако эта "инертность" по мере их накопления в атмосфере обернулась злом: попадая беспрепятственно без изменений в стратосферу и подвергаясь там УФ-облучению, они распадаются с освобождением атомов хлора.

Образовавшиеся атомы хлора разрушают молекулы озона, выполняя роль катализатора реакции:

Cl + O₃ ClO +O₂;

ClO + O Cl +O₂.

При этом 1 атом Cl, обращаясь, может уничтожить до 10000 молекул О3. Расчеты показали, что если выбросы фреонов не уменьшатся, то содержание О3 в экране снизится на 20 % к 2000 г.

В соответствии с международными соглашениями потребление фреонов, производство которых в 1990 г. составляло 1300 тыс. т, к 1995 г. должно сократиться на 50 %, а к 2000 г. прекратиться вообще.

Идут работы по поиску их заменителей. Недавно испытан фреон -22, где один атом хлора замещен водородом и который быстро разрушается в атмосфере.

Синтезирован также ряд гидрофторуглеродов СНхF_4-х (х=1, 2, 3).

Значительную опасность для озонового слоя представляют дневные запуски космических объектов, в результате которых происходят крупные выбросы оксидов азота. Одной из существенных мер по снижению этого ущерба является осуществление этих запусков только в ночное время.