Процессы образования и гибели озона. Понятие «нулевого цикла» озона

Лекция 9. Озон в атмосфере.

На высоте 30 – 50 км взаимодействие атомарного кислорода с 0₂ приводит к образованию озона:

Эта реакция происходит и на больших высотах. Однако образующаяся колебательно-возбужденная молекула озона с малым характеристическим временем мономолекулярно распадается на исходные частицы. Образование стабильной молекулы озона О₃ происходит лишь в результате реакции О₃ с "третьей" частицей М (0₂ или N₂) с тепловым рассеянием колебательного возбуждения:

С понижением высоты скорость образования 03 увеличивается пропорционально произведению [02]х([02] + [N2]) и уменьшается из-за поглощения света с λ < 240 нм, что определяет наличие максимума содержания озона на высоте около 25 км.

Тепловое рассеивание энергии на этой высоте происходит в результате реакции

- первой из значимых реакций, имеющей активационный барьер (13,6 кДж/моль).

Наряду с реакцией (21) к уменьшению концентрации озона (О₃) в стратосфере ведет наиболее существенная для сохранения жизни на суше реакция поглощения солнечного света с λ < 310 нм:

Особенно эффективно поглощается свет в диапазоне длин волн 200 – 310 нм. Другие атмосферные газы в этом диапазоне длин волн поглощают свет не столь эффективно.

Образующийся в реакции (22) синглетный кислород живет в стратосфере 64,6 мин. Наибольшие его концентрации наблюдаются на высотах 30 – 80 км с максимумом 4*10¹⁰ см^-3 на высоте 50 км. Молекула 0₂ (1Δ) не отличается высокой реакционной способностью. Наиболее эффективно она реагирует с озоном:

Реакция (22) протекает не только в мезо- и стратосфере, но и в верхних слоях тропосферы, в том числе когда фотохимическое образование 0₃ по реакциям (1), (19), (20) уже практически не происходит.

Процесс образования и разложения озона по реакциям (1), (19) – (22) называют циклом Чэмпена:

Нетрудно убедиться, что сумма этих реакций приводит к нулевому циклу:

В нулевом цикле не происходит изменения химического состава системы, в нем поддерживается лишь то или иное ее стационарное состояние, причем солнечный свет переходит в теплоту. Этот озоновый нулевой цикл и ответствен в стратосфере за повышение температуры на высоте 50 км.

Дата добавления: 2013-12-14