Введение
Цикл озоно-кислорода — это процесс, посредством которого озон непрерывно восстанавливается в стратосфере Земли, преобразуя ультрафиолетовое излучение (УФ) в тепло. В 1930 году Сидни Чепмен раскрыл химию этого процесса. Атмосферные ученые обычно называют этот процесс циклом Чапмана. Большая часть образования озона происходит в тропической верхней стратосфере и мезосфере. Общая масса озона, образующегося ежедневно по всей Земле, составляет около 400 миллионов метрических тонн. Общая масса озона в мире относительно постоянна и составляет около 3 миллиардов метрических тонн, что означает, что Солнце производит примерно 12% озонового слоя каждый день.
The ozone–oxygen cycle is the process by which ozone is continually regenerated in Earth's stratosphere, converting ultraviolet radiation (UV) into heat. In 1930 Sydney Chapman resolved the chemistry involved. The process is commonly called the Chapman cycle by atmospheric scientists. Most of the ozone production occurs in the tropical upper stratosphere and mesosphere. The total mass of ozone produced per day over the globe is about 400 million metric tons. The global mass of ozone is relatively constant at about 3 billion metric tons, meaning the Sun produces about 12% of the ozone layer each day.
Фотохимия
Цикл Чапмана описывает основные реакции, которые естественным образом определяют, с хорошей точностью, концентрацию озона в стратосфере. Он включает в себя четыре процесса и пятый, менее значимый, все связанные с атомами и молекулами кислорода и ультрафиолетовым излучением:
Цикл озоно-кислородного слоя
Молекулы озона, образующиеся в результате реакции (выше), поглощают излучение с соответствующей длиной волны в диапазоне от УФ-С до УФ-В. Триатомная молекула озона распадается на двухатомный молекулярный кислород и свободный атом кислорода (см. рисунок): 3. фотодиссоциация озона: O3 + hν(240–310 нм) → O2 + O. Образовавшийся атом кислорода может реагировать с другой молекулой кислорода, восстанавливая озон посредством реакции образования озона (реакция 2 выше). Эти две реакции образуют озоно-кислородный цикл, в котором химическая энергия, выделяющаяся при образовании озона, преобразуется в молекулярную кинетическую энергию. Итоговый результат цикла – преобразование проникающего УФ-В излучения в тепло без каких-либо чистых потерь озона. Поддерживая озоновый слой в стабильном состоянии и защищая нижние слои атмосферы от вредного УФ-излучения, цикл также является одним из двух основных источников тепла в стратосфере (вторым является кинетическая энергия, высвобождаемая при фотолизе O2 на отдельные атомы O).
3. ozone photodissociation: O3 + ℎν(240–310 nm) → O2 + O
The atomic oxygen produced may react with another oxygen molecule to reform ozone via the ozone creation reaction (reaction 2 above). These two reactions thus form the ozone–oxygen cycle, wherein the chemical energy released by ozone creation becomes molecular kinetic energy. The net result of the cycle is the conversion of penetrating UV B light into heat, without any net loss of ozone. While keeping the ozone layer in stable balance, and protecting the lower atmosphere from harmful UV radiation, the cycle also provides one of two major heat sources in the stratosphere (the other being kinetic energy, released when O2 is photolyzed into individual O atoms).
Дополнительные реакции
В дополнение к этим пяти реакциям, некоторые свободные радикалы – наиболее важные из которых гидроксил (OH), оксид азота (NO), а также атомарный хлор (Cl) и бром (Br) – катализируют реакцию рекомбинации, что приводит к истончению озонового слоя по сравнению с тем, каким он был бы без этих катализаторов. Большая часть OH и NO естественным образом присутствует в стратосфере, однако деятельность человека, особенно выбросы хлорфторуглеродов (ХФУ) и галонов, значительно увеличила концентрацию Cl и Br, вызывая разрушение озона. Каждый атом Cl или Br может катализировать десятки тысяч реакций распада, прежде чем будет удален из стратосферы.
Термосфера
Для данных относительных концентраций реагентов, скорости образования озона и рекомбинации кислорода (реакции 2 и 5) пропорциональны кубу плотности воздуха, а скорость превращения озона (реакция 4) пропорциональна квадрату плотности воздуха, при этом реакции фотодиссоциации (реакции 1 и 3) имеют линейную зависимость от плотности воздуха. Таким образом, в верхней термосфере, где плотность воздуха очень низкая, а поток фотонов высокий, фотодиссоциация кислорода протекает быстро, а образование озона – медленно, что приводит к низкой концентрации озона. Следовательно, наиболее важными реакциями являются фотодиссоциация и рекомбинация кислорода, при этом большая часть молекул кислорода диссоциирует на атомы кислорода. При спуске в нижнюю термосферу (например, на высоту 100 км и ниже), поток фотонов в диапазоне длин волн менее 170 нм резко падает из-за поглощения кислородом в реакции фотодиссоциации кислорода (реакция 1). Этот диапазон длин волн характеризуется наибольшим сечением для данной реакции (10<sup>17</sup> см<sup>2</sup> на молекулу кислорода), поэтому скорость фотодиссоциации кислорода на одну молекулу кислорода значительно уменьшается с высотой: с более чем 10<sup>7</sup> в секунду (примерно раз в месяц) на высоте 100 км до 10<sup>8</sup> в секунду (примерно раз в несколько лет) на высоте 80 км. В результате концентрация атомарного кислорода (как относительная, так и абсолютная) резко снижается, а образование озона (реакция 2) продолжается, обеспечивая небольшое, но заметное присутствие озона. Следует отметить, что температура также снижается с уменьшением высоты, поскольку более низкие скорости фотодиссоциации фотонов приводят к меньшему выделению тепла на молекулу воздуха.
Стратосфера
Поглощение кислородом в мезосфере и термосфере (в реакции фотодиссоциации кислорода) уменьшает поток фотонов на длинах волн ниже 200 нанометров, где фотодиссоциации кислорода доминируют полосы и континуум Шумана — Рунге, с поперечным сечением до 10¹⁷ см². Из-за этого поглощения поток фотонов в этих длинах волн настолько низок в стратосфере, что фотодиссоциация кислорода становится доминирующей в полосе Герцберга при длине волны фотона 200–240 нм, даже если поперечное сечение этого процесса составляет всего 10⁻²⁴–10⁻²³ см². Скорость фотодиссоциации озона на молекулу озона имеет поперечное сечение на 6 порядков больше в диапазоне длин волн 220–300 нм. При концентрациях озона в порядке 10⁶–10⁵ относительно молекулярного кислорода фотодиссоциация озона становится доминирующей реакцией фотодиссоциации, и большая часть тепла стратосферы генерируется посредством этого процесса, с наибольшей скоростью генерации тепла на молекулу на верхней границе стратосферы (стратопаузе), где концентрация озона уже относительно высока, а УФ-поток все еще высок в этих длинах волн, прежде чем он уменьшается под действием того же процесса фотодиссоциации. Помимо того, что фотодиссоциация озона становится более доминирующей реакцией удаления, каталитическое разрушение озона свободными радикалами (в основном атомарным водородом, гидроксилом, оксидом азота, хлором и бромидом) увеличивает эффективную скорость реакции преобразования озона. Оба процесса способствуют увеличению удаления озона, что приводит к более умеренному увеличению относительной концентрации озона с уменьшением высоты, даже несмотря на то, что плотность воздуха продолжает возрастать. Вследствие увеличения плотности озона и кислорода при спуске на более низкие высоты, поток ультрафиолетовых фотонов на длинах волн ниже 300 нм существенно уменьшается, а скорость фотодиссоциации кислорода падает ниже 10⁹ в секунду на молекулу на высоте 30 км. При снижении скорости фотодиссоциации кислорода, активные формы кислорода (атомарный кислород и молекулы озона) практически не образуются de novo (а не преобразуются друг в друга в других реакциях), и большая часть атомарного кислорода, необходимого для образования озона, получается почти исключительно в результате удаления озона посредством фотодиссоциации озона. Таким образом, озон истощается при спуске ниже 30 км и достигает очень низких концентраций в тропопаузе.
Тропосфера
В тропосфере образование и разрушение озона больше не регулируется озонокислородным циклом. Вместо этого, химия тропосферного озона в настоящее время определяется промышленными загрязнителями и другими газами вулканического происхождения.