Ozonul este o modificare alotropică a oxigenului cu o moleculă trihidrică de O3.
Ozonul este una dintre formele existenței unui element chimic de oxigen în atmosfera pământului. Acesta din urmă constă în principal din azot și oxigen. În aerul de suprafață, precum și în întreaga atmosferă, la o înălțime de aproximativ 150 km, atât azotul cât și oxigenul există practic doar sub formă de molecule de N2 și O2. Cu toate acestea, la toate altitudinile din atmosferă sunt procesul de disociere (adică, distrugerea moleculelor), ceea ce duce la apariția atomilor N și O. Aceste procese sunt compensate prin reacții rapide inverse ale lanurilor atomice din moleculă, astfel încât concentrația de atomi de O și N sub 100 km este foarte mic.
Pe măsură ce crește altitudinea, viteza de disociere crește, iar reacția inversă scade, astfel încât concentrația relativă a componentelor atomice crește. Dar doar aproximativ 100 km, oxigenul atomic devine unul dintre principalele componente ale atmosferei, iar la o altitudine de aproximativ 150 km se compară concentrațiile de atomi și molecule de oxigen. La altitudine mare, oxigenul există deja în principal sub formă de atomi. Cantitatea de oxigen atomic (deși foarte mică) crește odată cu creșterea altitudinii deasupra suprafeței Pământului. Aceasta explică creșterea cu înălțimea numărului de molecule de O3. Dar, cu un anumit nivel de degradare a moleculelor O3 crește radiației solare cu altitudine mai rapidă decât formarea atomilor O, cu toate acestea, pornind de la acest nivel (așa-numitul strat maxim de ozon), concentrația de ozon, cu înălțime începe să scadă.
Procesul de formare a ozonului poate fi scris în următoarea formă:
2O3 ® 3O2 +68 kcal (1)
Când se formează ozonul, căldura este absorbită și, atunci când este descompusă, este eliberată. La temperatură și presiune normale, reacția se desfășoară foarte încet. Acest lucru se datorează rolului important jucat de oxigenul atomic în reacția de formare a ozonului. Deci, totul începe cu disocierea moleculei de oxigen în două atomi:
Sursa de disociere este notată de hv. Cel mai adesea aceasta este radiația ultravioletă a Soarelui, dar pot exista și particule energetice care formează raze cosmice.
Atomii de oxigen formați se reconectează reciproc în prezența unei a treia molecula M:
Sau interacționează cu molecula O2 (și în prezența unui al treilea corp), formând o moleculă de ozon:
O2 + O + M3O3 + M, (4)
Unde M este orice particulă necesară pentru a devia energia din molecula de ozon formată. Pentru obținerea ozonului, temperaturile scăzute și prezența unei cantități suplimentare de oxigen atomic care nu sunt echilibrate sunt favorabile. Sursa acestuia din urmă poate fi disocierea moleculelor de oxigen sub influența unui flux de particule, iradierea ultravioletă.
Din punct de vedere fizic, molecula de ozon este stabilă, adică nu se descompune spontan. La concentrații scăzute și absența impurităților în gaz, ozonul se descompune destul de încet. Cu toate acestea, odată cu creșterea temperaturii, în creștere aditivi anumite gaze (de exemplu, NO, Cl2, Br2, I2, și colab.), Atunci când este expusă la radiație și viteza particulelor șiroaie de descompunere a ozonului gazos este mult crescută. Una dintre proprietățile principale - ozonul este o capacitate puternică de oxidare (a doua numai la F2).
Datorită proprietăților sale excepționale, ozonul atmosferic este un regulator al fluxului de radiații care atinge suprafața Pământului. Istoria apariției sale pe Pământ este după cum urmează.
Transformarea componentelor atmosferei primare a Pământului - metan
(CH4), apă (H2O), amoniac (NH3) - în "bulionul" compușilor organici, în care viața sa născut pentru prima dată, a avut loc în prezența iradierii ultraviolete intense. Cu toate acestea, radiația ultravioletă este foarte periculoasă pentru echilibrul sensibil al reacțiilor chimice din celulele vii și, aparent, primele organisme au supraviețuit numai pentru că s-au dezvoltat sub un strat suficient de puternic de apă. Pentru a le proteja de radiațiile ultraviolete. Ca urmare a descompunerii fotosintetice a moleculelor de apă, atmosfera pământului a obținut oxigen liber. Numai odată cu apariția oxigenului și apoi a ozonului, intensitatea radiațiilor ultraviolete de pe suprafața pământului a scăzut suficient pentru a permite organismelor vii să scape din apă și să înceapă stabilirea terenului. Existența continuă a vieții funciare a devenit posibilă datorită stratului de ozon - protecție, care în sine a fost produsul vieții.
Deoarece formarea ozonului se produce în principal ca urmare a reacțiilor fotochimice din stratosfera, aici se concentrează volumul său (aproximativ 85-89% din ozonul atmosferic).
Scutul magic al planetei.
În literatura populară, stratul de ozon este foarte des numit scutul magic al planetei. Această comparație este legată de proprietățile optice ale moleculei de ozon, care diferă de proprietățile ambelor atomi constituenți (atunci când există separat) și de moleculele diatomice de O2.
Una dintre cele mai importante caracteristici optice ale unei substanțe este spectrul său de absorbție - o schimbare de la lungimea de undă a coeficientului de absorbție, adică capacitatea de a absorbi radiația care trece prin această substanță.
Spectrul de absorbție a ozonului are câteva caracteristici importante, cea mai importantă fiind capacitatea de absorbție puternică a radiației în intervalul de lungime de undă de 200-320nm.
Regiunea spectrului solar (și atunci când vorbește despre scut, înseamnă protecție precisă față de radiația soarelui) de la 200 la 400 nm este numită ultravioleta biologic activă a BAU. În acest caz, intervalele sunt 320-400 nm (UV-A) și 200-320 nm (UV-B).
Radiația cu lungimea de undă l, mai mică de 200 nm, este bine absorbită de moleculele de oxigen, care sunt multe în atmosferă. Prin urmare, o astfel de radiație nu atinge nici măcar partea inferioară a stratosferei, "blocată" (adică absorbită de moleculele de O2) la altitudini mari. Cu o lungime de undă în creștere, coeficientul de absorbție al oxigenului molecular scade rapid. Moleculele de azot, care sunt cele mai multe în atmosferă, sunt în general pasive, iar în practică ele nu participă la absorbția acestei radiații.
Se pare că radiația solară cu o lungime de undă de 200-300 nm ar pătrunde prin atmosferă aproape la suprafața Pământului, dacă nu pentru ozon. Coeficientul său de absorbție, k, este foarte mare în această regiune a lungimii de undă și depășește cu mult valorile corespunzătoare lui k pentru O2 și N2. Ca urmare, radiația UV-B nu trece prin stratosfera, fiind aproape complet absorbită de moleculele de O3. Fără încărcarea expunerii cu detalii ale caracteristicilor spectrale ale ozonului, voi da doar un exemplu. Valoarea maximă a k pentru a ține cont de ozon l = 255nm și se ridică la aproximativ 130 de sm⁻ 1. Pentru a facilita introducerea scara de o asemenea magnitudine, spun că după ce trece prin stratul de ozon la presiune normală într-o 3 mm grosime (și acest lucru este modul în care am vorbit mai mare, echivalentul unui "scut"), radiații, cu această lungime de undă va scădea cu 10-17.
In general, efectul este că scutul magică și anume - o foarte subțire (! 2-3 mm) strat de molecule O3 absoarbe aproape complet radiația care vine de la soare în UV-B. De la aproximativ l = 320nm radiația solară a ajuns la suprafață, deși limita exactă din motive evidente, nu poate fi numit - tranziția este treptată, iar penetrarea radiațiilor depinde de mulți factori - cum ar fi înălțimea soarelui deasupra orizontului, puritatea sau atmosfera prăfuit, înălțimea spațiului de mai sus nivelul mării etc.