Н.В. Гусакова, А.И. Забалуева, В.В. Румянцева
Экология: конспект лекций
Под редакцией А.Н. Королева. — Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006. — 176с.

Лекция 4. Учение В.И. Вернадского о биосфере

4.1. Озоновый защитный слой

Как известно, в атмосфере на высоте около 15–25 км (в зависимости от широты) расположен озоновый защитный слой Земли, определяющий верхний предел жизни в биосфере. Озоновый слой появился вместе с появлением в земной атмосфере кислорода. Озона в атмосфере очень мало. Если собрать весь озон атмосферы в один слой, то при нормальных условиях, т. е. при давлении в 1 атм. и температуре 273 °С, он будет иметь толщину всего лишь 0,3 см. Однако этого количества вполне достаточно, чтобы говорить о защитных свойствах озонового слоя, поскольку озон обладает очень сильным поглощением. Он полностью поглощает всю энергию ультрафиолетовой радиации Солнца в полосе от 290 до 220 нм, что совершенно исключает попадание на поверхность Земли губительных для всего живого солнечных лучей короче 290 нм. Кроме того, озон поглощает также инфракрасное излучение Земли, препятствуя ее охлаждению. Определяя верхний предел жизни в биосфере, озоновый защитный слой привлекает к себе особое внимание.

Синтез и разложение озона в атмосфере представляют собой сложный процесс, поскольку поведение самой атмосферы переменчиво. Так, облучение ее Солнцем периодически изменяется по суткам и по временам года.

Рассмотрим механизм образования озона в стратосфере. Расчеты по термодинамическим данным реакции

                           3О₂ ↔ 2О₃                                                (5)

показывают, что при низких температурах газ в основном состоит из молекулярного кислорода, а при высоких – из атомарного, и при давлении в 1 атм. нет никакой области температур, где равновесное парциальное давление озона было бы сколько-нибудь существенным. Поэтому правомочен вопрос: каковы же причины наблюдаемых на опыте сравнительно больших концентраций озона? В установлении равновесия (5) большую роль играют реакция образования озона из атомарного и молекулярного кислорода и обратная ей реакция бимолекулярного разложения продукта:

                       О₂ + О + М ↔ O₃ + M.                                (6)

Здесь М означает любую частицу, присутствующую в системе и необходимую для отвода энергии от образующейся молекулы озона.

При высоких температурах, когда содержание атомарного кислорода велико, равновесие реакции (5) сильно сдвинуто влево и образования озона не происходит. При низких же температурах, когда равновесие по реакции (5) сдвинуто вправо, парциальное давление атомарного кислорода слишком низкое, что также препятствует образованию озона. Для получения значительных концентраций озона необходимо сочетание двух условий: сравнительно низкой температуры, обеспечивающей достаточный сдвиг равновесия в сторону образования озона, и больших концентраций атомарного кислорода. Выполнение этих условий возможно, когда диссоциация молекул кислорода обеспечивается в результате нетермического воздействия на систему, например за счет облучения или потока быстрых частиц.

В атмосфере существует распределение озона по времени, широте и высоте. В соответствии с суточными колебаниями послеобеденное содержание озона больше утреннего. Максимального значения содержание озона достигает весной, а осенью падает до минимума. В полярных широтах озона содержится в два раза больше, чем у экватора. Наибольшего внимания заслуживает вертикальное распределение озона. На рис. 4 видно, что концентрация озона проходит через максимум на высоте 25 км. С повышением широты высота озонового слоя падает с 25 до 13 км.

Рис. 4. Схема вертикального распределения озона

Постоянно возникающий и разрушающийся слой озона обусловливает явление, названное «озоновым дождем». Атомарный кислород образуется на больших высотах благодаря коротковолновому излучению. Процесс его образования распространяется вниз до 25 километровой высоты. На этой высоте атмосферное давление обеспечивает достаточное парциальное давление молекулярного кислорода для начала реакции образования сравнительно тяжелых молекул озона:

О₂ + О + М = Оз + М

На более низких высотах благодаря уменьшению высокочастотного облучения и сохранению длинноволнового начинается обратный процесс – все большее разложение озона. Образующийся при этом молекулярный и атомарный кислород, будучи легче озона, поднимается вверх. Таким образом, существует постоянный поток озона вниз, как бы «дождь» озона. Можно считать, что от этого потока из стратосферы в тропосферу зависит годовое изменение содержания озона. Так как за период с октября по апрель солнечная радиация слабее, чем с апреля по октябрь, содержание озона в весенне-летний период заметно уменьшается. Так же можно объяснить и сезонное содержание озона в зависимости от широты. В тропосфере, в приземном слое содержится лишь 10% от общего атмосферного озона. Повышенное содержание озона отмечается на берегах морей и над лесами.

По своему биологическому действию солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, обычно делится на более активное, с λ = 280 – 315 нм, называемое УФ – А, и менее активное, с λ = 315 – 400 нм, называемое УФ – В. Количество ультрафиолетового излучения зависит от многих физико-химических, метеорологических, геофизических и других условий. В частности, оно зависит от широты местности, высоты над уровнем моря, прозрачности атмосферы и т. д. Годовая доза УФ – А изменяется на порядок при переходе от Арктики (360 Вт ∙ ч/м²) к тропикам (3600 Вт ∙ ч/м²). В небольших дозах ультрафиолетовое облучение сказывается благоприятно на человеке, животных и растительности, в частности способствует выработке в организме человека, животных и птиц витамина Dз, регулирующего процесс кальциевого обмена. Совершенно противоположно действие повышенных или больших доз УФ. Под их влиянием происходит распад важнейших частей клетки. В ней возникают вещества, блокирующие процессы воспроизводства ДНК и синтеза РНК. У человека высокие дозы УФ-облучения вызывают сильные ожоги и раковые заболевания. Отмечается также отрицательное влияние повышенных доз УФ на растительный мир.

Поглощение озоном коротковолнового ультрафиолетового излучения, корреляция его с поглощением белка и нуклеиновых кислот предопределяют защитные функции озонового слоя для всего живого на Земле.