І. К. Ларін, доктор фізико-математичних наук
(Інститут енергетичних проблем хімічної фізики РАН)
Чотириста мільйонів років тому в атмосфері з'явився шар озону, досить щільний, щоб життя з океану змогла зробити крок на сушу. Це дало початок унікальної, бути може єдиною у Всесвіті, еволюційної ланцюга, породила величезну різноманітність живих форм, включаючи людину. А в наші дні (іронія долі!) Людина трохи не погубив те, завдяки чому він з'явився на Землі. Однак у людства вистачило розуму та здорового глузду, щоб вчасно зупинитися. Озоновий шар став предметом загальної уваги. До його вивчення залучили сотні тисяч фахівців у всьому світі, витратили величезні матеріальні кошти. У результаті стало значно ясніше, які процеси відбуваються як у озоносфері, так і у всій атмосфері.
Озон поглинає сонячний ультрафіолет в діапазоні 200-300 нм, що проникає в довгохвильовому ділянці цього діапазону аж до верхньої тропосфери. З висоти близько 20 км (нижня межа озонового шару) починається ріст температури, який триває до висот близько 50 км (верхня межа озонового шару). Якщо б не було озонового шару або якщо він не поглинав би ультрафіолет, падіння температури, що має місце в тропосфері, тривало б аж до висоти близько 80 км. Там вже з'являється жорстке ультрафіолетове випромінювання, здатне ионизованного молекули повітря. Його енергія врешті-решт перетворюється в тепло, нагревающее повітря і що викликає зростання температури вище 80 км. (До речі, цю точку зору на роль озону в термічної стратифікації атмосфери поділяє і Прокоф'єва І.А., автор книги "Атмосферне озон" (М.; Л., 1951), яку М. Чугунов вказав у списку літератури.)
Поглинаючи сонячний ультрафіолет, молекули озону руйнуються, утворюючи атоми кисню. Але озоновий шар при цьому не зникає - встановлюється рівновага між кількістю озону і атомами кисню, причому більш високому рівню ультрафіолету відповідає більш низька концентрація озону. Це, зокрема, пояснює, чому в тропіках, де інтенсивність ультрафіолету велика, озону мало, а у високих широтах, де сонячне випромінювання слабо, - багато.
Теоретично і практично доведено, що в діапазоні довжин хвиль 200-300 нм визначальну роль у розподілі сонячного випромінювання по висоті земної атмосфери грає його поглинання молекулами озону, шар якого простягається від 10-15 км до висоти понад 50 км з найбільшою концентрацією на висоті 20 - 25 км. Озон надзвичайно сильно поглинає ультрафіолет довжиною хвилі близько 250 нм, і вже до висоти 40 км від цього випромінювання залишається тільки 10%, а все інше поглинається вищерозміщеним шаром. А до висот 20-25 км випромінювання в діапазоні довжин хвиль 255-266 нм, надзвичайно небезпечне в біологічному відношенні, практично не доходить. Тому про нього можна спокійно забути: його інтенсивність не зміниться, навіть якщо озону стане в десять разів менше.
Різноманітні і численні експерименти показали, що випромінювання в діапазоні довжин хвиль 280-320 нм також небезпечно. Саме це випромінювання при виснаженні озонового шару буде посилюватися, приводячи до різноманітних негативних наслідків.
Таким чином (повторимо ще раз), інтенсивність проходить сонячного випромінювання в діапазоні довжин хвиль 200-300 нм на різних висотах повністю визначається тільки розподілом озону в атмосфері.
Розподіл стабільних молекул в атмосфері до висот близько 100 км визначається виключно барометричним законом, згідно з яким тиск падає з висотою по експоненті. А оскільки молекули озону народжуються в самій атмосфері, їх висотне розподіл прагне стати таким же, як у повітря (просто кажучи, багато внизу і мало вгорі). І в залежності від часу життя частинок воно буде в тій чи іншій мірі наближатися до барометричному.
Озон в атмосфері утворюється за механізмом, запропонованим видатним англійським геофізиком С. Чепменом сімдесят років тому. Суть цього механізму полягає в тому, що на висотах 20-45 км молекулярний кисень розпадається на атоми під дією сонячного ультрафіолету. Утворилися атоми швидко прилипають до молекул кисню, даючи молекули озону. Розпадаються вони в результаті реакції з атомами кисню (виникаючими головним чином при фоторозпаду озону), утворюючи дві молекули кисню. Схема Чепмена проіснувала без змін до середини 60-х років, коли була створена теорія ланцюгових процесів руйнування озону з участю водневих, азотно-окисних і галоїдних (хлор-бром-йод) з'єднань, що потрапляють в атмосферу в основному з промислових викидів. Однак основа цих нових механізмів залишилася "чепменовской".
З механізму Чепмена випливає, що відсутність ультрафіолетового випромінювання сприяє збереження та накопичення озону - вночі його вміст в атмосфері практично не змінюється. Саме цим і пояснюється накопичення озону в стратосфері Антарктики і Арктики протягом полярної зими.
Вплив сонячного світла проявляється й у механізмі утворення "озонной дірки", який полягає в наступному.
Протягом холодної антарктичної зими, коли температура нижньої стратосфери падає до 80 градусів нижче нуля, холодне повітря починає опускатися вниз, в результаті чого під дією сил Коріоліса на висотах 10-20 км утвориться полярний вихор, що ізолює повітря всередині свого об'єму від іншого простору. У цьому повітрі утворюються стратосферні полярні хмари, що містять молекули води і азотної кислоти (вона в невеликих кількостях постійно утворюється з оксидів азоту природного походження). На поверхні часток хмар протікають реакції, що призводять до утворення з слабоактивних, досить стійких сполук хлору малостійкі молекул Cl2 і HOCl. Процеси йдуть протягом усієї зими, в результаті чого до її кінця в полярному вихрі накопичується значна кількість цих слабосвязанних компонент. Зі сходом сонця на початку весни, тобто на початку вересня, вони легко розпадаються, і утворюються активні хлорні частинки, початківці руйнувати озон ланцюговим шляхом.
Оскільки вихор ще існує і ніякого обміну з сусідніми, багатими озоном областями стратосфери немає, вміст озону швидко зменшується, і всередині вихору, на висоті 10-15 км, озон повністю зникає. Далі відбувається розігрів повітря, розпад вихору та розповзання залишків дірки по Південному півкулі.
Такі в загальних рисах механізми утворення і руйнування озону. Їх справедливість підтверджена численними вимірюваннями і теорією. Незважаючи на це, Н. Чугунов вважає їх помилковими. Міркував він таким чином: якщо б ультрафіолетове випромінювання поглиналося озоном, то наслідком цього було б або "... нагрівання озонового шару. Однак він розташований на висоті стійко холодної атмосфери"; або "... руйнування озону", але тоді він не міг б виконувати свої захисні функції; либо необмежене накопичення енергії в озоновому шарі аж до вибуху. Звідси і випливає, "що думка про поглинання озоновим шаром жорсткого ультрафіолету не обгрунтоване".
Розвиваючи цю думку, Чугунов пише: "На висоті 34 км випромінювань з довжиною хвиль коротше 280 нм не виявлено. Найбільш ж біологічно небезпечним вважається випромінювання з довжинами хвиль від 255 до 266 нм. З цього випливає, що згубний ультрафіолет поглинається, не досягнувши озонового шару , тобто висот 20-25 км. А до поверхні Землі доходить випромінювання з мінімальною довжиною хвилі 293 нм, небезпеки не представляє. Таким чином, озоновий шар не бере участі в поглинанні біологічно небезпечного випромінювання ".
Насправді ж, як уже говорилося вище, випромінювання в діапазоні 200-300 нм поглинається озоном, утворюються атоми кисню, і відбувається нагрівання навколишнього повітря, а випромінювання в діапазоні 300-400 нм дійсно майже без втрат доходить до земної поверхні.
Намагаючись пояснити утворення озонового шару за допомогою своєї гіпотези, згідно з якою цей шар нічого не поглинає, Чугунов пише: "При поглинанні енергії короткохвильового ультрафіолетового випромінювання частина молекул ионизуется, втрачаючи електрон і набуваючи позитивний заряд, а частина дисоціює на два нейтральних атома. Вільний електрон, утворився при іонізації, з'єднується з одним з атомів, утворюючи від'ємний іон кисню. різнойменно заряджені іони з'єднуються, утворюючи нейтральну молекулу озону ". За описаного механізму озон утворюється головним чином у мезосфері, хоча механізм "працює" і в стратосфері, і в тропосфері. З мезосфери озон (будучи важчий за повітря в 1,62 рази) опускається вниз, де на висоті 20-25 км приходить в рівноважний стан, утворюючи найбільш щільний шар. А згідно з його версією утворення озонових дір, "... влітку і восени над Антарктидою і взимку і навесні над Північним полюсом атмосфера Землі практично не піддається дії ультрафіолету. Полюси Землі в ці періоди знаходяться в" тіні ", над ними немає джерела енергії, необхідної для утворення озону ...". Насправді ж механізм, запропонований Чугунова, в принципі не працює не тільки в тропосфері і стратосфері, але навіть і в мезосфері з тієї простої причини, що ионизующее молекулярний кисень короткохвильове випромінювання Сонця не проникає в атмосферу глибше 90 км.
Що ж стосується механізму утворення антарктичної озонной дірки, то ми обговорили його вище. Тут додамо лише, що на противагу гіпотезі Чугунова вона виникає навесні, з появою в Антарктиді сонячного світла.
Вирішальний аргумент на користь антіозоновой гіпотези полягає в наступному. Якщо мати на увазі, що при нормальному атмосферному тиску товщина озонового шару становила б 3-4 мм, то "практично неможливо уявити, до яких надвисоких температур повинен був розігрітися настільки малопотужний шар, якщо б він дійсно поглинав майже всю енергію ультрафіолетового випромінювання". Вище, проте, уже неодноразово говорилося, що озон розподілений в атмосфері на десятки кілометрів по висоті. На одну молекулу озону припадає близько мільйона молекул повітря. Тому ніяких надвисоких температур в результаті поглинання ультрафіолету озоновим шаром не виникає.
Падіння температури з висотою в тропосфері Чугунов пояснює тим, що при поглинанні енергії молекулами повітря відбувається його охолодження. Це невірно, оскільки поглинена енергія неминуче перетворюється в тепло. У дійсності падіння температури відбувається тому, що з висотою зменшується "гріючий" тропосферу потік інфрачервоного випромінювання, який йде з поверхні Землі і поглинається в міру просування вгору парами води і іншими парниковими газами.
Освіта в стратосфері молекул озону в результаті реакції збудженої і збудженому молекул кисню (як це стверджується в "Подробицях ..." статті Чугунова) неможливо з енергетичних причин. Так само, як неможлива іонізація молекул кисню на висоті 50 км, - на цих висотах немає випромінювання, здатного викликати такі процеси. Зниження температури з висотою на висотах 60-80 км відбувається не в результаті поглинання "фотонів випромінювання", а як раз навпаки: тут ніяке випромінювання не поглинається - ні що йде згори (і нездатний ионизованного повітря) ультрафіолет з-за малої щільності поглинаючих компонент, ні тим більше що йде знизу інфрачервоне випромінювання.