32. Озоновый слой земной атмосферы и водород.

32. Озоновый слой земной атмосферы и водород.

(Если статья не открывается, перейти на ссылку книги

https://disk.yandex.ru/i/FO0nulIgLdKNOQ   - Книга на Яндекс-диске   

 ( стр.366) 

или на навигатор-перечень статей,  ссылка на него в конце этой статьи)

Аннотация.

   Следует ли сохранять озоновый слой Земли? В статье рассмотрены базовые механизмы, обеспечивающие существование озонового слоя при решающей роли участия в этом процессе водорода.

***

    Одним из важнейших условий, обеспечивающих существование жизни на Земле, является наличие озонового слоя в земной атмосфере, который находится на высотах от 10 км до 50 км. Факторов, вносящих вклад в изменение толщины озонового слоя Земли много. Из всех возможных факторов выделим главные. На рис.1 приведена усредненная толщина озонового слоя в зависимости от географической широты его расположения в земной атмосфере.

   На рис.2 приведено изменение количества озона в северном полушарии Земли в зависимости от времени года и широты расположения озона в земной атмосфере:

• 1 - на широте 60 градусов,
• 2 - на широте 70 градусов.

ПРИМЕЧАНИЕ: для повышения наглядности принято, изменение толщины озонового слоя на обеих широтах происходит в одном и том же диапазоне величин.

     На рис.3 приведено изменение наклона северного направления оси вращения Земли относительно Солнца. За положительное направление принято изменение наклона земной оси по направлению к Солнцу.

На приведенных рисунках трудно не заметить:

- во-первых, как в северном, так и в южном полушариях максимальная толщина озонового слоя достигается вблизи полярных широтных окружностей;

- во-вторых, явную зависимость толщины озонового слоя от наклона земной оси относительно Солнца.

  Обратим также внимание, при приближении широты к полярным кругам возрастает совпадение фазы изменения толщины озонового слоя с фазой изменения наклона земной оси относительно Солнца.

   Каким же образом можно объяснить приведенные закономерности? Рассмотрим это.

Озон – это трехатомная самостоятельно стабильная молекула кислорода. Образование молекулы озона в атмосфере происходит следующим образом.

На первом этапе под действием ультрафиолетового излучения Солнца происходит разрушение молекулы кислорода на атомы кислорода. При этом необходимы затраты энергии, которые соответствуют энергии фотонов с длиной волны равной или меньшей 242 нм.

На втором этапе при тройном соударении атома кислорода, молекулы кислорода и какой-либо посторонней молекулы, которая не принимает участие в химической реакции, происходит образование озона с выделением энергии соответствующей энергии фотона с длиной волны равной 1100 нм. Таким образом, энергетическая прочность молекулы озона примерно в 5 раз ниже энергетической прочности молекулы кислорода.

  Огромная ценность озона заключается в его способности эффективно поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, особенно в диапазоне 200-300 нм, так как озон является практически единственным причем, весьма эффективным поглотителем солнечного излучения в этом диапазоне электромагнитных волн. Например, излучение с длинной волны в 250 нм ослабляется на 10 в степени нескольких десятков (!) порядков, т.е. практически до нуля. Для сравнения, видимые электромагнитные волны излучения находятся в диапазоне 380-760 нм. Важность поглотительной способности озона заключается в том, что ультрафиолетовое излучение являются, весьма губительным, для живых организмов Земли включая и человека. Вот почему очень важно наличие озонового слоя в земной атмосфере. Именно по этой причине этому слою, ученые и политики, уделяют весьма большое внимание. Но без четкого правильного понимания факторов, оказывающих влияние на существование озонового слоя политика, направленная на его сохранение, может привести к весьма плачевным результатам.

  Итак, механизм синтеза озона, обеспечивающий поддержание озонового слоя в усреднено-стабильном состоянии, был рассмотрен выше, это соответствующая солнечная фотонная радиация.

  Иными словами без наличия этой радиации образование озонового слоя в достаточном количестве в принципе не возможно. Космические лучи в образовании озонового слоя практически никакой роли не играют из-за их малой интенсивности по сравнению с солнечной радиацией.

   Помимо механизма образования озонового слоя существует и механизм его разрушения. Один механизм уже был приведен, это разрушение молекулы озона фотонной радиацией Солнца, но именно этот механизм и играет роль защитного щита для всех живых организмов от губительного излучения Солнца. Поскольку озоновый щит работает миллионы лет, следовательно, приведенный механизм не уничтожает озоновый слой Земли до нуля.

  Существуют и другие механизмы, приводящие к разрушению озонового слоя. Это различного типа химические реакции. Такой реакцией, в частности, является соединение молекулы озона с атомом кислорода. В результате образуются 2 молекулы кислорода.

   Помимо этой реакции есть еще реакции катализаторного типа, в которых участвуют:

- молекулы двуокиси и закиси азота,

- молекулы окисла хлора.

   Из реакций катализаторного типа, в которых происходит разрушение озона, наибольший интерес представляют реакции с аллотропными модификациями кислорода на базе соединения кислорода с водородом. В состав аллотропных молекул входят водород и несколько атомов кислорода. Сущность реакций катализаторного типа заключается в том, что количество молекул катализаторов, принимающих участие в химических реакциях с озоном, не изменяется, но в этих реакциях происходит разрушение молекул озона, которые могли бы играть роль щита, поглотителя фотонов ультрафиолетового излучения Солнца. Повышенное внимание к реакциям водородного типа возникает потому, что в них принимает участие именно водород, и даже не сам водород, а те источники, которые обеспечивают поступление водорода в земную атмосферу.

    Первым источником поступления водорода является водород, входящий в состав молекулы воды.

   Вторым источником являются реакции распада тяжелых ядер радиоактивных элементов (статья 12 «Концепция истории и строения Земли»). Эти реакции протекают в земных недрах, а появляющийся в результате реакций водород, просачивается сквозь породы поверхностного слоя Земли и попадает в атмосферу. Водород, как легкий газ, поднимается в ее верхние слои и попадает, в частности, в озоновый слой, где и принимает участие в катализаторных реакциях. Над теми районами Земли, где водород выделяется в максимальном количестве, возникают озоновые дыра, т.е. слои озона с пониженной толщиной озонового слоя.

   Третьим источником поступления водорода в земную атмосферу является солнечный ветер, который в наибольшей степени представлен протонами (статья 14 «Концепция грозовых разрядов в земной атмосфере»).

   Приведенные механизмы в главном, формирующие результирующий озоновый слой земной атмосферы, назовем:

- фотонный,

- водородный,

- протонный,

- водный.

   При фотонном механизме происходит синтез озона в земной атмосфере под действием фотонного излучения Солнца.

Действие водородного механизма происходит из-за синтеза водорода в глубинных объёмах Земли за счет протекания в них ядерных реакций распада тяжелых ядер химических элементов.

   Действие протонного механизма происходит из-за облучения земной атмосферы солнечным ветром, который преимущественно представлен протонами.

Действие водного механизма основано на испарении молекул воды с земной поверхности с последующим их перемешиванием с молекулами воздуха.

    Из перечисленных механизмов в сезонных изменениях толщины озонового слоя принимают участия: фотонный, протонный и водный механизмы. Фотонный оказывает позитивное воздействие на толщину озонового слоя, протонный и водный – негативное.

  Принципиальные различия в действиях фотонного и протонно-водного механизмов формирования результирующего озонового слоя земной атмосферы, если говорить кибернетическим языком, заключается в следующем. Если фотонный механизм работает практически в реальном масштабе времени, то протонно-водный механизм действует с большой задержкой во времени, т.к. для протонного механизма после первичного попадания протонов в земную атмосферу, они должны:

- затормозить свое движение,

- соединиться с электроном,

- перемешаться с атмосферным воздухом таким образом, чтобы водород попал в ту область атмосферы, где находиться озоновый слой.

    Аналогичная ситуация и с водным механизмом. Здесь необходимо время для перемешивания молекул воды с атмосферным воздухом.

    Что значит в реальном масштабе времени? Это означает, что образование озона под действием солнечных фотонов по космическим меркам происходит практически мгновенно. Иными словами, если отключить солнечное излучение, то постепенно озоновый слой в земной атмосфере исчезнет. Теперь включим солнечное излучение. В течение нескольких суток озоновый слой полностью восстановится. Время воздействия протонно-водного механизма на толщину озонового слоя Земли во много раз больше времени действия фотонного механизма (недели и месяцы).

  Рассмотрим сезонное воздействие водного механизма на толщину озонового слоя земной атмосферы.

  Действие этого механизма основано:

- на испарении воды с земной поверхности,

- при систематическом перемешивании воздуха в земной атмосфере по вертикали.

  Таким образом, при рассмотрении действия этого механизма решающую роль играет влажность того воздуха атмосферы, в котором размещается его озоновый слой.

Сезонное изменение влажности воздуха от экватора до полюсов приведено на рис.4.

Рис.4

Где:

1 - в зимнее время.

2 - в летнее время.

   Как видно из рисунка, как над тропическим поясом, так и над полярными областями в течение года влажность воздуха в усредненном плане изменяется мало. Влажность воздуха заметно изменяется в средних широтах, начиная от тропического пояса до полярных кругов.

   Отсюда следует:

1. Максимальная величина соответствует влажности воздуха, находящегося над тропическим поясом Земли.
2. Минимальная величина влажности воздуха наблюдается над полярными кругами.

    Из приведенного результата следует: как над экваториальным так и над полярными районами Земли водный механизм оказывает весьма слабое сезонное воздействие на толщину озонового слоя земной атмосферы. Тем не менее, над экваториальным районом Земли этот механизм вносит максимальный негативный вклад в толщину озонового слоя, т.е. уменьшает его. Над полярными районами вклад влажности воздуха в уменьшении толщины озонового слоя минимален и практически не зависит от сезонного состояния земной поверхности.

   Сезонные воздействия влажности атмосферного воздуха заметны только на средних широтах, находящихся между экваториальным и полярными районами земной поверхности. В зимние периоды водный механизм способствует повышению толщины озонового слоя, а в летние наоборот стремиться снизить эту толщину. Отметим, этот механизм действует с существенной задержкой во времени, а именно на несколько месяцев, т.к. вертикальные перемешивания воздуха в земной атмосфере являются весьма медленными процессами. Как видно из приведенного описания, водный механизм не отражает в полной мере то распределение озона в земной атмосфере, которое приведено на рис.1, 2, 3.

   Как происходит действие протонного механизма? При рассмотрении этого фактора необходимо обязательно учитывать вклад в действие этого механизма магнитного поля Земли. Почему? Потому, что протоны солнечного ветра несут на себе положительный электрический заряд и при приближении к Земле в первую очередь они начинают взаимодействовать с ее магнитным полем, которое осуществляет частичную сепарацию этих частиц. Таким образом, магнитное поле вносит свой вклад в распределение результирующего озонового слоя, а точнее, толщину этого слоя. Рассмотрим этот вопрос.

   Географическая ось Земли наклонена относительно плоскости эклиптики на 23,5 градуса. Магнитная ось отклонена от географической оси на 11,5 градусов. Поскольку магнитная ось вращается вокруг географической, поэтому относительно плоскости эклиптики наклон магнитной оси изменяется от 12 до 35 градусов, но полное изменение этого наклона происходит в течение суток. В связи с этим, без ущерба точности анализа необходимо принять, усредненная магнитная ось Земли практически совпадает с наклоном географической оси Земли относительно плоскости эклиптики. Тем не менее, необходимо отметить, из-за несовпадения направления географической и магнитной осей солнечный ветер способен вносить изменение в толщину озонового слоя в течении:

- суток,

- года (эффекты формирования озонового слоя происходят преимущественно в дневное время, а ориентация оси магнитного поля относительно географической оси практически не изменяется, отсюда следует, для конкретного меридиана возникает эффект годового периодического смещения оси магнитного поля относительно плоскости эклиптики).

   Ультрафиолетовая часть солнечной радиации задействована в механизме образования озона, а протонная и водная части наоборот стремятся уничтожить молекулы озона. Соотношение между этими процессами и обеспечивает ту концентрацию озона, которая наблюдается в земной атмосфере.

   Изобразим последовательное положение наклона земной оси относительно Солнца в течение года:

- в июне рис.5;

- в марте и сентябре рис.6;

- в декабре рис.7.

   Обратим внимание, на экваториальной широте солнечный ветер пресекает магнитные линии магнитного поля Земли по нормали вне зависимости от наклона земной оси.

   В летнее время площадь магнитного поля обдуваемого солнечным ветром, в северном полушарии заметно меньше, чем площадь магнитного поля в южном полушарии.

В марте и сентябре эти площади оказываются равными.

  В зимнее время площадь магнитного поля, обдуваемая солнечным ветром в северном полушарии, больше, чем площадь этого же поля в южном полушарии.

Сформулируем следующее утверждение: действие магнитного поля Земли на солнечный ветер заключается в частности, в частичной экранировке земной атмосферы от протонов солнечного ветра, причем, чем дальше от экватора находиться поток солнечного ветра, тем сильней на протоны действует эффект экранировки. Над экваториальными широтами солнечный ветер пересекает магнитно-силовые линии магнитного поля по нормали или близко к нормали, поэтому эффект экранировки здесь минимален (рис.5,6,7; точки а,б,в). Из-за этого над экватором максимальное количество протонов солнечного ветра попадает в земную атмосферу. Это и приводит к соответствующему уменьшению толщины озонового слоя в экваториальной области Земли (рис.1).

   Теперь ответим на вопрос, каким образом действует механизм экранировки атмосферы Земли от солнечного ветра? Существует циклотронный эффект, действующий, если электрически заряженные частицы движутся в магнитном поле, а именно, если частица движется вдоль магнитной силовой линии, то она стремиться перемещаться по винтовой траектории вдоль магнитно-силовой линии соответствующего магнитного поля, огибая эту линию. Именно действие этого эффекта и приводит к частичной сепарации протонов солнечного ветра при их взаимодействии с магнитным полем Земли.

   По мере перехода от экваториальной области к полярным протоны солнечного ветра начинают взаимодействовать под все меньшим углом с магнитно-силовыми линиями магнитного поля, и поэтому на них начинает оказывать все большее воздействие циклотронный эффект. Это приводит к уменьшению количества протонов, попадающих в те слои атмосферы, которые представлены озоновым слоем. Максимальное действие этого эффекта достигается вблизи полярных кругов. Здесь при росте толщины озонового слоя происходит максимальная экранировка земной атмосферы от протонов солнечного ветра магнитным полем Земли. Именно поэтому в этих районах происходит минимальное отставание фазы изменений толщины озонового слоя от фазы изменения наклона земной оси относительно Солнца, а толщина озонового слоя достигает своего максимального значения (рис.1,2,3).

   Замеры толщины озонового слоя за полярными кругами Земли показывают существенное снижение этой толщины в данных районах Земли. В чем тут дело?

   Здесь срабатывает релаксационный эффект, который заключается в следующем. После начала снижения мощности фотонного излучения Солнца при переходе от лета к зиме процесс разрушения озонового слоя происходит не мгновенно, а запаздывает во времени относительно снижения мощности фотонного потока. За зиму даже на полюсах толщина озонового слоя хотя и снижается, но не до нуля. В атмосфере остается некоторая остаточная величина озона.

Теперь рассмотрим, какую роль в релаксационных процессах при образовании полярных озоновых дыр играет протонный механизм?

   Как было сказано выше, магнитное поле осуществляет частичную экранировку земной атмосферы от потоков солнечного ветра. В экваториальных областях она минимальна, а вблизи полярных округов – максимальна. Экранировка означает, что часть протонов солнечного ветра в приполярных областях просто не попадает в земную атмосферу. Протоны бесследно не могут исчезнуть. Куда же они деваются? Циклотронное движение протонов солнечного ветра над полярными кругами не заканчивается. Они продолжают свое движение вдоль магнитных силовых линий магнитного поля Земли в направлении магнитного полюса и за полярным кругом в северном полушарии попадают в его атмосферу. Эти протоны и обеспечивают в данном регионе Земли накопление избыточного количества водорода, который способствует разрушению молекул озона. Этот процесс происходит потому, что магнитный полюс Земли в северном полушарии всегда находится внутри полярного круга (рис.5,6,7).

   Несколько иначе обстоит дело в Антарктиде. Здесь южный магнитный полюс находится за пределами южного полярного круга на 2 градуса южной широты (рис.5,6,7). Поэтому максимальная экранировка протонов солнечного ветра магнитным полем Земли происходит уже на 55-м градусе южной широты, а за 55-м градусом еще до южного полярного круга происходит попадание протонов в атмосферу воздуха, находящегося над Антарктидой. Это способствует образованию над Антарктидой весьма обширной атмосферной зоны с пониженной толщиной озонового слоя.

  Вот почему над арктическим и антарктическим районами Земли наблюдается весьма заметное снижение толщины озонового слоя Земли. Тем не менее, если снижение толщины озонового слоя над Антарктическим районом Земли носит весьма устойчивый характер, то над Арктическим – снижение толщины озонового слоя носит фрагментарный неустойчивый характер. Почему?

  Это во-первых, связано с близостью континентальных районов Земли к Арктике и удаленностью Антарктиды от этих районов. Над Арктикой в процесс формирования озонового слоя вмешиваются климатические процессы. Близость континентальных районов Земли к Арктике приводит к заметному перемешиванию воздушных масс, расположенных над Арктикой и земными континентами. Это и приводит к фрагментации озоновой дыры, возникающей над Арктическим районом Земли.
   Во-вторых, существенно меньшим размером  озоновой дыры.

  Иное дело Антарктида. Удаленность этого района от континентальных областей приводит к формированию над Антарктидой устойчивых циклонов, которые существенно затрудняют перемешивание Антарктического атмосферного воздуха с атмосферным воздухом, находящимся над другими районами Земли. Плюс обширность размера самой озоновой дыры. Это и создает возникновение весьма устойчивой озоновой дыры над Антарктидой. Этим также объясняется достижение максимальной толщины озонового слоя на более низких широтах в южном полушарии Земли по сравнению с северным (рис.1).

    ВЫВОД: озоновые дыры над полярными районами Земли существуют столько же времени, сколько существует у Земли ее магнитное поле.

   Плотность потока солнечного ветра зависит от тепловой активности Солнца. При росте активности растет и плотность потока солнечного ветра, но одновременно растёт и мощность фотонной радиации Солнца. Если фотонная радиация воздействует на синтез озонового слоя практически мгновенно, то солнечный ветер оказывает воздействие на атмосферу Земли с существенной задержкой во времени. Поэтому изменение солнечной активности, хотя и изменяет толщину озонового слоя Земли, но это изменение носит весьма сложный характер.

Валерий Гребенников

8-928-160-05-81

http://gvaleriy.blogspot.ru/2016/03/blog-post.html Перечень статей в навигаторе блога.