ВЫПУСК № 11

Озоновый слой и миф об опасности из космоса - статья Н.Чугунова в №9 журнала "Наука и жизнь" за 2000 г.   

Ниже приводится текст статьи без картинок.

Гипотезы, предположения, факты

Озоновый слой и миф об опасности из космоса

В настоящее время общепринято мнение, что все живое на Земле от губительного воздействия жесткого, биологически опасного ультрафиолетового излучения защищает озоновый слой. Поэтому немалую тревогу во всем мире вызвало сообщение о том, что в этом слое обнаружены "дыры" - области, где толщина озонового слоя существенно уменьшена. После ряда исследований был сделан вывод, что разрушению озона способствуют фреоны - фторхлорпроизводные предельных углеводородов (CnH2n+2), имеющие химические формулы типа CFCl3, CHFCl2, C3H2F4Cl2 и другие. Фреоны к тому времени уже находили широчайшее применение: они служили рабочим веществом в домашних и промышленных холодильниках, ими в качестве пропеллента (выталкивающего газа) заряжались аэрозольные баллончики с парфюмерией и бытовой химией, их использовали для проявки некоторых технических фотоматериалов. И поскольку утечки фреонов при этом колоссальны, в 1985 году была принята Венская конвенция по защите озонового слоя, а 1 января 1989 года составлен Международный (Монреальский) протокол о запрещении производства фреонов. Тем не менее у старшего научного сотрудника одного из московских институтов Н. И. Чугунова, специалиста в области физической химии, участника советско-американских переговоров о запрещении химического оружия (Женева, 1976 год), возникли серьезные сомнения как в "заслугах" озона в защите от ультрафиолета, так и в "вине" фреонов в разрушении озонового слоя.

Суть предлагаемой гипотезы заключается в том, что все живое на Земле от биологически опасного ультрафиолета защищает не озон, а кислород атмосферы. Именно кислород, поглощая это коротковолновое излучение, преобразуется в озон. Рассмотрим гипотезу с точки зрения основного закона природы - закона сохранения энергии.

Если, как сейчас принято считать, озоновый слой задерживает ультрафиолетовое излучение, то он поглощает его энергию. Но энергия не может исчезнуть бесследно, и поэтому с озоновым слоем что-то должно произойти. Есть несколько вариантов.

Переход энергии излучения в тепловую. Следствием этого должно быть нагревание озонового слоя. Однако он расположен на высоте устойчиво холодной атмосферы. А первая область повышенной температуры (так называемый мезопик) находится в два с лишним раза выше озонового слоя.

Энергия ультрафиолета расходуется на разрушение озона. Если это так, рушится не только основной тезис о защитных свойствах озонового слоя, но и обвинения в адрес "коварных" промышленных выбросов, которые якобы разрушают его.

Накопление энергии излучения в озоновом слое. Оно не может происходить бесконечно. В какой-то момент будет достигнут предел насыщения озонового слоя энергией, и тогда, скорее всего, пойдет химическая реакция взрывного типа. Однако в природе никто и никогда не наблюдал взрывов озонового слоя.

Несоответствие закону сохранения энергии свидетельствует о том, что мнение о поглощении озоновым слоем жесткого ультрафиолета не обосновано.

Известно, что на высоте 20-25 километров над Землей озон образует слой повышенной концентрации. Возникает вопрос - откуда он там появился? Если рассматривать озон как дар природы, то на эту роль он не пригоден - слишком легко разлагается. Причем процесс разложения имеет ту особенность, что при малом содержании озона в атмосфере скорость разложения невелика, а с ростом концентрации она резко увеличивается, и при 20-40% содержания озона в кислороде разложение идет уже со взрывом. А чтобы в воздухе появился озон, необходимо воздействие какого-то источника энергии на атмосферный кислород. Им может быть электрический разряд (особая "свежесть" воздуха после грозы - следствие появления озона), а также коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Именно облучение воздуха ультрафиолетом длиной волны около 200 нанометров (нм) - один из способов получения озона в лабораторных и промышленных условиях.

Ультрафиолетовое излучение Солнца лежит в диапазоне длин волн от 10 до 400 нм. Чем короче длина волны, тем больше энергии несет излучение. Энергия излучения расходуется на возбуждение (переход на более высокий энергетический уровень), диссоциацию (разъединение) и ионизацию (превращение в ионы) молекул газов атмосферы. Расходуя энергию, излучение ослабевает, или, иначе, поглощается. Это явление количественно характеризуют коэффициентом поглощения. С уменьшением длины волны коэффициент поглощения увеличивается - излучение воздействует на вещество сильнее.

Принято подразделять ультрафиолетовое излучение на два диапазона - ближний ультрафиолет (длина волны 200-400 нм) и дальний, или вакуумный (10-200 нм). Судьба вакуумного ультрафиолета нас не волнует - он поглощается в высоких слоях атмосферы. Именно ему принадлежит заслуга в создании ионосферы. Следует обратить внимание на отсутствие логики при рассмотрении процессов поглощения энергии в атмосфере - дальний ультрафиолет создает ионосферу, а ближний ничего не создает, энергия исчезает без последствий. Так получается по гипотезе о его поглощении озоновым слоем. Предлагаемая гипотеза устраняет эту нелогичность.

Нас интересует ближний ультрафиолет, который пронизывает нижележащие слои атмосферы, в том числе - стратосферу, тропосферу, и облучает Землю. На своем пути излучение продолжает изменять спектральный состав за счет поглощения коротких волн. На высоте 34 километра излучений с длиной волн короче 280 нм не обнаружено. Наиболее же биологически опасным считается излучение с длинами волн от 255 до 266 нм. Из этого следует, что губительный ультрафиолет поглощается, не достигнув озонового слоя, то есть высот 20-25 километров. А до поверхности Земли доходит излучение с минимальной длиной волны 293 нм, опасности не представляющее. Таким образом озоновый слой не принимает участия в поглощении биологически опасного излучения.

Рассмотрим наиболее вероятный процесс образования озона в атмосфере. При поглощении энергии коротковолнового ультрафиолетового излучения часть молекул ионизуется, теряя электрон и приобретая положительный заряд, а часть диссоциирует на два нейтральных атома. Свободный электрон, образовавшийся при ионизации, соединяется с одним из атомов, образуя отрицательный ион кислорода. Разноименно заряженные ионы соединяются, образуя нейтральную молекулу озона. Одновременно атомы и молекулы, поглощая энергию, переходят на верхний энергетический уровень, в возбужденное состояние. Для молекулы кислорода величина энергии возбуждения равна 5,1 эВ. В возбужденном состоянии молекулы находятся около 10-8 секунды, после чего, испуская квант излучения, распадаются (диссоциируют) на атомы.

В процессе ионизации кислород имеет преимущество: он требует для этого наименьшей энергии среди всех составляющих атмосферу газов - 12,5 эВ (у водяного пара - 13,2; углекислого газа - 14,5; водорода - 15,4; азота - 15,8 эВ).

Таким образом, при поглощении ультрафиолета в атмосфере образуется своего рода смесь, в которой преобладают свободные электроны, нейтральные атомы кислорода, положительные ионы молекул кислорода, при их взимодействии образуется озон.

Взаимодействие ультрафиолетового излучения с кислородом происходит по всей высоте атмосферы - есть сведения, что в мезосфере, на высоте от 50 до 80 километров, уже наблюдается процесс образования озона, который продолжается в стратосфере (от 15 до 50 км) и в тропосфере (до 15 км). Вместе с тем верхние слои атмосферы, в частности мезосфера, подвержены такому сильному воздействию коротковолнового ультрафиолета, что ионизуются и распадаются молекулы всех составляющих атмосферу газов. Не может не разлагаться и только что образовавшийся там озон, тем более, что для этого требуется почти такая же энергия, как и для молекул кислорода. И тем не менее разрушается он не полностью - часть озона, который в 1,62 раза тяжелей воздуха, опускается в нижние слои атмосферы до высоты 20-25 километров, где плотность атмосферы (примерно 100 г/м3) позволяет ему находиться как бы в равновесном состоянии. Там молекулы озона создают слой повышенной концентрации. При нормальном атмосферном давлении толщина озонового слоя составляла бы 3-4 миллиметра. Практически невозможно представить, до каких сверхвысоких температур должен был разогреться столь маломощный слой, если бы он действительно поглощал почти всю энергию ультрафиолетового излучения.

На высотах ниже 20-25 километров продолжается синтез озона, о чем свидетельствует изменение длины волн ультрафиолетового излучения с 280 нм на высоте 34 километра до 293 нм у поверхности Земли. Образовавшийся озон, будучи не в состоянии подняться вверх, остается в тропосфере. Это определяет постоянное содержание озона в воздухе приземного слоя зимой на уровне до 2.10-6 %. Летом концентрация озона в 3-4 раза выше, по-видимому, за счет дополнительного образования озона при грозовых разрядах.

Таким образом, от жесткого ультрафиолетового излучения все живое на Земле защищает кислород атмосферы, озон же оказывается всего лишь побочным продуктом этого процесса.

Когда было обнаружено появление "дыр" в озоновом слое над Антарктикой в сентябре-октябре и над Арктикой - ориентировочно в январе-марте, возникли сомнения в достоверности гипотезы о защитных свойствах озона и о разрушении его промышленными выбросами, так как ни в Антарктиде, ни на Северном полюсе никакого производства нет.

С позиции же предлагаемой гипотезы сезонность появления "дыр" в озоновом слое объясняется тем, что летом и осенью над Антарктидой и зимой и весной над Северным полюсом атмосфера Земли практически не подвергается воздействию ультрафиолета. Полюса Земли в эти периоды находятся в "тени", над ними нет источника энергии, необходимой для образования озона.

Кандидат технических наук Н. Чугунов.

ЛИТЕРАТУРА

Митра С. К. Верхняя атмосфера. - М., 1955.
Прокофьева И. А. Атмосферный озон. - М.; Л., 1951.
 
Комментарий: 

Опус Н.Чугунова переносит нас на 200 лет назад, когда в 1785 году существование озона было впервые обнаружено голландским физиком М. ван Марумом по характерному запаху и окислительным свойствам воздуха после
электрического пробоя. Больше ничего об озоне тогда не знали. И по Чугунову получается, что за 200 лет так ничего и не узнали, настолько одиозными выглядят его фантазии на фоне наших сегодняшних знаний в этой области. Чтобы не быть голословным, позволю себе коротко пересказать и процитировать избранные места из статьи Чугунова и прокомментировать их. Цитаты из Чугунова будут взяты в кавычки. 
Суть предлагаемой Чугуновым гипотезы заключается в том, что все живое на Земле от биологически опасного ультрафиолета защищает не озон, а кислород атмосферы. Этот вывод Чугунов сделал, рассуждая следующим образом: если бы УФ-излучение поглощалось озоном, то следствием этого было бы: 1. либо
“…нагревание озонового слоя. Однако он расположен на высоте устойчиво холодной атмосферы”; 2. либо “…разрушение озона”, но тогда он не мог бы выполнять свои защитные функции (и, добавлю от себя, на него вообще можно было бы наплевать); 3. либо неограниченное накопление энергии в озоновом слое вплоть до взрыва, “Однако в природе никто и никогда не наблюдал взрывов озонового слоя”. Отсюда и следует, “что мнение о поглощении озоновым слоем жесткого ультрафиолета не обосновано”. 
А как на самом деле? А на самом деле так:
1. Нагревание атмосферы в области озонового слоя происходит именно благодаря тому, что озон поглощает УФ-излучение Солнца в диапазоне 200 – 300 нм, проникающее в длинноволновом участке этого диапазона вплоть до верхней тропосферы, с высоты около 20 км (нижняя граница озонового слоя), начинается рост температуры, который продолжается до высот около 50 км (верхняя граница озонового слоя). Если бы не было озонового слоя, или если бы он был, но не поглощал солнечное УФ-излучение, то падение температуры с высотой, имеющее место в тропосфере, продолжалось бы вплоть до высот порядка 80 км. На этих высотах уже появляется жёсткое УФ-излучение, способное ионизовать молекулы воздуха, энергия которого в конце концов превращается в тепло, нагревающее воздух и вызывающее рост температуры с
высотой более 80 км. (Кстати, высказанную выше точку зрения по поводу роли озона в термической стратификации атмосферы разделяет и Прокофьева И.А., автор книги “Атмосферный озон”, М.; Л., 1951, которую Н.Чугунов указал в Литературе к своей статье). 
2. Поглощая солнечное УФ-излучение, молекулы озона действительно разрушаются, образуя атомы кислорода. Но озоновый слой при этом не исчезает. При определённом уровне УФ-излучения, поглощаемого озоном, устанавливается определённый уровень озона (и атомов кислорода), причём более высокому уровеню УФ-излучения соответствует более низкий уровень озона. Эта связь объясняет, в частности, широтное распределение общего содержания озона в атмосфере – в тропиках, где уровень УФ-излучения велик, озона мало, а в высоких широтах – где УФ-излучения мало, озона много. 
3. Что Чугунов имеет в виду, говоря о неограниченном накоплении энергии излучения в озоновом слое вплоть до взрыва, понять невозможно. Думаю, он и сам этого не понимает. Поэтому оставим этот аргумент без комментариев. 
Далее Чугунов делает попытку объяснить образование озонового слоя с помощью своей гипотезы, согласно которой этот слой ничего не поглощает. Начало звучит так: “Следует обратить внимание на отсутствие логики при рассмотрении процессов поглощения энергии в атмосфере - дальний ультрафиолет (10-200 нм) создает ионосферу, а ближний (200-400 нм) ничего не создает, энергия исчезает без последствий. Так получается по гипотезе о его поглощении озоновым слоем. Предлагаемая гипотеза устраняет эту нелогичность.” 
Это у Н.Чугунова энергия исчезает без последствий, на самом деле, как уже говорилось выше, излучение в диапазоне 200-300 нм поглощается озоном, образуются атомы кислорода и происходит нагрев окружающего воздуха, а излучение в диапазоне 300-400 нм поглощается в атмосфере слабо и почти без потерь доходит до земной поверхности. 
Посмотрим теперь, как гипотеза Н.Чугунова “устраняет эту нелогичность”. Логика Н.Чугунова такая: “На высоте 34 километра излучений с длиной волн короче 280 нм не обнаружено. Наиболее же биологически опасным считается излучение с длинами волн от 255 до 266 нм. Из этого следует, что губительный ультрафиолет поглощается, не достигнув озонового слоя, то есть высот 20-25 километров. А до поверхности Земли доходит излучение с минимальной длиной волны 293 нм, опасности не представляющее. Таким образом озоновый слой не принимает участия в поглощении биологически опасного излучения”. 
Это по Чугунову. А на самом деле так: 
1. На высоте 34 км (как и на любой другой высоте) интенсивность излучения с длиной волны 280 нм (как и с любой другой длиной волны) строго (подчёркиваю) определяется законом Ламберта-Берра, включающего линейную зависимость от интенсивности падающего на границу атмосферы солнечного излучения и экспоненциальную зависимость от оптической толщины поглощающего слоя атмосферы над выбранной высотой (произведение общего количества поглощающих молекул над данной высотой
на сечение поглощения). В диапазоне длин волн 200-300 нм определяющую роль в высотном распределении солнечного излучения в земной атмосфере играет поглощение молекулами озона. Доказано теоретически и практически и никакому пересмотру (как и любимый Чугуновым закон сохранения энергии) не подлежит. 
2. Озоновый слой простирается от 10-15 км до высот 60 и более км, имея максимум концентрации на высоте 20-25 км. Сечение поглощения УФ-излучения озоном имеет максимум вблизи 250 нм. По закону
Ламберта-Берра уже на высоте 40 км вышележащим слоем озона поглощается 90% приходящего от Солнца излучения с длиной волны вблизи 250 нм. Ниже 40 км поглощение озоном усиливается в связи с ростом его концентрации. По этой (и больше ни по какой!) причине до высот 20-25 км в диапазоне длин
волн 255-266 нм почти ничего не доходит. 
3. В результате разнообразных и многочисленных биологических экспериментах доказано, что биологически активным является так называемое УФ-В излучение в диапазоне длин волн 280-320 нм. Именно это излучение и будет увеличиваться на поверхности Земли при истощении озонового слоя, приводя к разнообразным негативным биологическим последствиям. Излучение же в диапазоне длин волн 255-266 нм (безусловно ещё более опасное) практически не изменится, даже если озона станет в десять раз меньше. Поэтому о нём можно спокойно забыть. 
Таким образом (повторим ещё раз) высотное распределение интенсивности солнечного излучения в атмосфере в диапазоне длин волн 200-300 нм полностью определяется высотным распределением озона. И больше ничем. 
Далее Н.Чугунов описывает изобретённый им, как он выражается, “наиболее вероятный процесс образования озона в атмосфере”. Механизм такой: “При поглощении энергии коротковолнового ультрафиолетового излучения
часть молекул ионизуется, теряя электрон и приобретая положительный заряд, а часть диссоциирует на два нейтральных атома. Свободный электрон, образовавшийся при ионизации, соединяется с одним из атомов, образуя отрицательный ион кислорода. Разноименно заряженные ионы соединяются, образуя нейтральную молекулу озона”. Далее Н.Чугунов поясняет, что по описанному механизму озон образуется главным образом в мезосфере, хотя механизм “работает” и в стратосфере, и в тропосфере. Из мезосферы озон (будучи тяжелее воздуха в 1,62 раза) опускается вниз, где на высоте 20-25 км приходит в некое равновесное состояние (по-видимому, просто от усталости), образуя наиболее плотный озоновый слой. Решающий аргумент Чугунова в пользу антиозоновой гипотезы заключается в том, что если иметь в виду, что при нормальном атмосферном давлении толщина озонового слоя составляла бы 3-4 миллиметра, то “Практически невозможно представить, до
каких сверхвысоких температур должен был разогреться столь маломощный слой, если бы он действительно поглощал почти всю энергию ультрафиолетового излучения”. А чего Чугунов не может себе представить, того и быть не может. Теорема о ненужности озона и важности кислорода доказана. 
А как на самом деле? А на самом деле так:
1. Механизм Чугунова в принципе не работает не только в тропосфере и стратосфере, но даже и в мезосфере. По той простой причине, что ионизующее молекулярный кислород коротковолновое излучение Солнца не проникает в атмосферу глубже 100 км (в соответствии всё с тем же законом
Ламберта-Берра). Добавим к этому, что при рекомбинации отрицательно заряженного атома кислорода и положительно заряженной молекулы выделяется энергия 10,6 Эв, которая распределяется между тремя атомами кислорода, разлетающимися в разные стороны со скоростью 6,5 км/с (а не молекула озона, как полагает Чугунов). 
2. “Тяжесть” молекул не играет никакой роли при установлении их высотного распределения в средней атмосфере (т.е. до высот 100 км). Для стабильных молекул оно определяется исключительно барометрическим законом, в соответствии с которым давление воздуха падает в 2,7 раза через 8 км (в
нижней атмосфере). А в том случае, когда молекулы рождаются на некоторой высоте в самой атмосфере (как в случае озона), их высотное распределение будет стремиться стать таким же, как у воздуха (по-просту говоря, много внизу и мало наверху). И в зависимости от времени жизни частиц оно будет в
той или иной мере приближаться к барометрическому. 
3. Выше уже неоднократно говорилось (в том числе и Чугуновым), что озон распределён в атмосфере на десятки км по высоте. На одну молекулу озона приходится (грубо) миллион молекул воздуха. Поэтому никаких сверхвысоких температур в результате поглощения УФ-излучения озоновым слоем не
возникает. Неужели тут что-то надо объяснять? 
4. Озон в атмосфере образуется по механизму, предложенному выдающимся английским геофизиком С.Чепменом 70 лет тому назад. Суть этого механизма состоит в том, что на высотах 35-45 км молекулярный кислород распадается на атомы под действием солнечного УФ-излучения. Образовавшиеся атомы быстро прилипают к молекулам кислорода, давая молекулы озона. Гибель озона происходит в результате реакции атомов кислорода (образующихся главным образом при фотораспаде озона) с молекулами озона. При этом образуются две молекулы кислорода. Несовпадение высот образования озона и высот его наибольшей концентрации объясняется несовпадением максимумов скорости образования и скорости гибели озона, а также влиянием процессов переноса. Схема Чепмена просуществовала без изменений до середины 60-х годов. Затем появились так называемые циклы (цепные процессы) гибели озона с участием водородных, азотно-окисных и галоидных соединений. Но и в новых механизмах образование озона (как и у Чепмена) было обязано фотодиссоциации молекулярного кислорода, а гибель – ускорению Чепменовской реакции между атомарным кислородом и молекулами озона. 
В заключение Чугунов предлагает новый механизм образования озоновых дыр. Механизм такой: “…сезонность появления "дыр" в озоновом слое объясняется тем, что летом и осенью над Антарктидой и зимой и весной над Северным полюсом атмосфера Земли практически не подвергается воздействию ультрафиолета. Полюса Земли в эти периоды находятся в "тени", над ними нет источника энергии, необходимой для образования озона”. 
А как на самом деле? А на самом деле так:
1. Ультрафиолетовая “тень” способствует сохранению и накоплению озона, а не его разрушению. Именно этим объясняется тот факт, что ночью содержание озона в атмосфере практически не меняется, а также накопление озона в стратосфере Антарктики и Арктики в течение полярной зимы. Дыра же появляется как раз тогда, когда в полярной стратосфере появляется солнечный свет.
2. Её механизм (на примере Антарктики) заключается в следующем. В течение холодной антарктической зимы, когда температура нижней стратосферы опускается до -80 градусов Цельсия, холодный воздух начинает опускаться вниз, в результате чего под действием сил Корриолиса на высотах 15-20 км образуется полярный вихрь, изолирующий воздух внутри вихря от остального пространства. В этих условиях образуются стратосферные полярные облака, частицы которых включают молекулы воды и азотной кислоты. На поверхности этих частиц протекают реакции, следствием которых является образование из малоактивных, достаточно устойчивых соединений хлора малоустойчивых молекул Cl2 и HOCl. Эти процессы идут в течение всей зимы, в результате чего к её концу в полярном вихре накапливается значительное количество этих слабосвязанных хлорных компонент.
С восходом солнца в начале весны, т.е. в начале сентября, эти молекулы легко разрушаются солнечным светом, в результате чего образуются активные хлорные частицы, начинающие разрушать озон цепным путём.
Поскольку вихрь ещё существует и никакого обмена с соседними, богатыми озоном областями стратосферы нет, содержание озона быстро уменьшается и внутри вихря, на высотах 10-15 км, озон полностью уничтожается. 
Далее происходит разогрев воздуха, распад вихря и расползание остатков дыры по Южному полушарию. 
И последнее. В статье Н.Чугунова есть вставка “Подробности для любознательных”, объясняющая причины термической стратификации атмосферы. Здесь также много нелепостей и ошибок. Укажу основные. 
1. Падение температуры с высотой в тропосфере в “Подробностях…” объясняется тем, что при поглощении энергии молекулами воздуха происходит его охлаждение. Это неверно, поскольку поглощённая энергия неизбежно превращается в тепло. В действительности падение температуры происходит потому, что с высотой уменьшается “греющий” тропосферу поток инфракрасного излучения, идущий с поверхности Земли и поглощающийся по мере продвижения вверх парами воды и другими парниковыми газами. 
2. Образование в стратосфере молекул озона в результате реакции возбуждённой и невозбуждённой молекул кислорода (как это утверждается в “Подробностях…”) невозможно по энергетическим причинам. Так же, как невозможно образование озона на высотах 20-25 км и ионизация молекул
кислорода на высоте 50 км – на этих высотах нет излучения, способного вызвать такие процессы.
3. В противоположность тому, что утверждается в “Подробностях…”, отметим, что излучение с длиной волны 200-250 нм “неспособно” ионизовать молекулы воздуха. Поэтому на высотах 50-55 км нет никаких  ионов. 
4. Понижение температуры с высотой на высотах 60-80 км происходит не в результате поглощения “фотонов излучения”, как это утверждается в “Подробностях…”, а как раз наоборот – потому, что здесь никакое излучение не поглощается – ни идущее сверху (и неспособное ионизовать воздух) УФ-излучение - из-за малой плотности поглощающих компонент, ни идущее снизу инфракрасное излучение - по той же причине. 

Комментарий направлен в журнал "Наука и жизнь".

Hosted by uCoz