Озон (газ)

Токсичный, голубоватого цвета, пахучий газ с сильной окислительной способностью, образованный из трех атомов кислорода (O₃).

Озон возникает естественным образом в верхних слоях атмосферы, где он образуется в результате фотохимической реакции. Он также образуется в результате электрических разрядов и химических реакций, в результате которых кислород выделяется при охлаждении. В нижних слоях атмосферы он является токсичным загрязнителем для животных и растений. Однако в стратосфере он образует защитный слой для жизни на Земле, поглощая ультрафиолетовое излучение Солнца.

1. Физические и химические свойства

Озон - это голубой газ с сильным, проникающим запахом, опасный для дыхания и более окисляющий, чем кислород. Он имеет плотность 1,66 и сжижается при температуре -112°C, образуя крайне нестабильную жидкость цвета индиго. Он в холодном состоянии окисляет йод и почти все металлы, особенно ртуть и серебро; он вытесняет хлор, бром и йод из их соединений с водородом или металлами; он максимально окисляет серную, фосфорную и мышьяковую кислоты; он также разрушает органические материалы (пробку, резину) путем окисления. С другой стороны, с различными ненасыщенными органическими соединениями он дает нестабильные аддитивные соединения, озониды.

2. Используется

Озон используется благодаря своим окислительным и бактерицидным свойствам для дезинфекции воздуха в замкнутых пространствах, стерилизации воды, отбеливания текстиля и выдержки вина и древесины. При лечении ран (озонотерапия) он применяется в виде струи или в водном растворе, в одной или нескольких дозах в зависимости от полученного результата. Он используется в приготовлении высыхающих масел и в синтезе некоторых растительных эссенций.

3. Атмосферный озон

3.1. Стратосферный озон и преимущества озонового слоя

Озон играет фундаментальную роль в балансе окружающей среды Земли. 90% атмосферного озона находится на высоте от 20 до 50 км. Этот "озоновый слой" объясняет существование на этих же высотах области большой стабильности в отношении вертикальных обменов - стратосферы. Хотя он является незначительным компонентом атмосферы (его максимальная относительная концентрация, наблюдаемая на высоте 25 км, не превышает 5-6 миллионных долей по объему), озон является единственным поглотителем ультрафиолетового солнечного излучения с длиной волны от 240 до 300 нанометров. Это поглощение позволяет поддерживать жизнь животных и растений на Земле, устраняя коротковолновое излучение, которое может разрушать клетки живой материи и подавлять фотосинтез. По этой причине с 1980-х годов существует большая озабоченность по поводу ущерба, нанесенного стратосферному озоновому слою в результате деятельности человека.

3.2. Тропосферный озон и его влияние на живые организмы

На высоте ниже 10 км уровни озона очень низкие, порядка 0,03 миллионных долей. Однако, в отличие от своей полезной роли в стратосфере, озон действует у земли как окислитель, который нарушает фотосинтез и может вызвать повреждение растений (коричневые пятна на листьях, соответствующие некрозу). В районах с высоким уровнем загрязнения, где его уровень может быть намного выше, озон непосредственно влияет на здоровье человека, особенно на дыхательную систему и слизистые оболочки. Озон раздражает легкие, вызывая кашель, респираторный дискомфорт, а иногда даже отек легких. Лечение после тяжелых ингаляций заключается в строгом покое под наблюдением врача.

Количество озона в атмосфере выражается как "уменьшенная толщина", т.е. вертикальная толщина столба, в котором был бы собран весь газ, при нормальной температуре и давлении. В среднем эта толщина составляет 2,5 мм.

4. Озоновая дыра

4.1. Открытие озоновой дыры

В 1985 году британские исследователи впервые сообщили о существовании озоновой дыры, а точнее, о значительном уменьшении толщины озонового слоя над Южным полюсом. Верхние слои атмосферы этого региона являются ареной бешеного цикла разрушения озона. Во время полярной зимы образование стратосферного воздушного вихря изолирует атмосферу Антарктики от остальной части Южного полушария. Затем температура стратосферы может опуститься до -85°C, что приведет к образованию ледяных облаков. Эти полярные облака фиксируют хлор в стратосфере в виде соляной кислоты (HCl) и нитрата хлора (ClONO2). В южную весну, когда Солнце вновь появляется в сентябре и октябре, его излучение вызывает диссоциацию хлора в результате фотохимической реакции. После этого запускается настоящая цепная реакция: каждый атом высвобожденного хлора может разрушить до 100 000 молекул озона. Этот процесс продолжается до ноября и уменьшает толщину слоя почти наполовину. К этому времени Солнце достаточно прогрело атмосферу, чтобы рассеять стратосферные облака. Полярный вихрь, ограничивавший озоновую дыру, исчезает, и богатый озоном воздух из средних широт просачивается обратно в стратосферу Антарктики. На Северном полюсе такая "дыра" в слое не образуется, а локальные дефициты озона наблюдаются с 1991 года. Это связано с циркуляцией воздуха, который сильно отличается от антарктического, и более мягкими зимними температурами.

4.2 Происхождение и последствия

Если некоторые природные факторы, такие как выброс сернистых газов при извержениях вулканов, всегда способствовали частичному и временному разрушению озонового слоя, то опасность, которую представляют промышленные выбросы хлора, ученые осуждают с 1980 года. Хлорфторуглероды (ХФУ), используемые в качестве аэрозольных пропеллентов, хладагентов или пенообразователей в некоторых жестких пенопластах, являются основной причиной разрушения озонового слоя. Многие другие химические вещества, такие как галоны (галогенизированные производные углеводородов), используемые в огнетушителях, а также некоторые растворители, такие как четыреххлористый углерод или бромистый метил, также способствуют образованию озоновой дыры. Все эти соединения чрезвычайно стабильны и могут оставаться в атмосфере в течение 50-100 лет. Они попадают на полюса и высвобождают свои атомы хлора (или брома), которые разрушают озон.

Истощая озоновый слой, человеческая деятельность поставила под угрозу нашу естественную защиту от солнца. Истощение стратосферного озона приводит к увеличению количества ультрафиолетового излучения, достигающего земли. Эти лучи могут повреждать ДНК человека, вызывать рак кожи и катаракту, а также другие заболевания. Они также оказывают вредное воздействие на растения и фитопланктон.

4.3. Международная осведомленность

С 1985 года (Венская конвенция) несколько международных конференций ознаменовали собой глобальное осознание необходимости защиты стратосферного озонового слоя и обеспечения ограничения воздействия человеческой деятельности на климат. Основные страны-производители ХФУ отказались от производства и использования этих озоноразрушающих газов. Сегодня гидрофторуглероды (ГФУ) и перфторуглероды (ПФУ), второе поколение заменителей ХФУ, безопасны для озонового слоя (хотя для его восстановления потребуются годы), но они являются мощными парниковыми газами, способствующими глобальному потеплению.