Atmosfera ziemska. Własności fizyczne i skład. Reakcje fotochemiczne. Jonosfera i ozonosfera
 
Atmosfera ziemska. Własności fizyczne i skład. Reakcje fotochemiczne. Jonosfera i ozonosfera
Wszystkie składniki gazowe atmosfery odznaczają się charakterystycznymi dla nich widmami optycznymi, tj. pochłaniają i emitują promieniowanie elektromagnetyczne o pewnych, ściśle określonych długościach fali. Na przykład w atmosferze Ziemi ozon (O3) i tlen cząsteczkowy (O2) pochłaniają z promieniowania słonecznego szkodliwe dla organizmów żywych promieniowanie nadfioletowe. Dwutlenek węgla, para wodna i metan CH4 pochłaniają natomiast część promieniowania podczerwonego emitowanego przez Ziemię (efekt cieplarniany). Pochłanianie promieniowania słonecznego powoduje także zmiany w składzie atmosfery wskutek procesów fotochemicznych i jonizacji. W wyniku fotojonizacji gazów atmosferycznych pod wpływem promieniowania nadfioletowego następuje wzrost koncentracji jonów w warstwie powyżej 50–60 km, zwanej jonosferą. Koncentracja jonów zależy od szybkości ich powstawania (wskutek pochłaniania wysokoenergetycznych kwantów energii przez cząsteczki i atomy gazów atmosferycznych) oraz szybkości rekombinacji jonów. Ponieważ powstawanie jonów zachodzi tylko podczas dnia, zmiany ich koncentracji mają przebieg dobowy (w ciągu dnia koncentracja może być nawet 10 razy większa niż w nocy). Koncentracja jonów rośnie z wysokością. Kolejne jej maksima wyznaczają kolejne warstwy jonosfery: D (60–90 km), E (90–140 km), F (powyżej 140 km z absolutnym maksimum koncentracji na wysokości 250–500 km). W stratosferze, na wysokości 10–50 km, znajduje się ozonosfera. Ozon powstaje tam w wyniku reakcji: O2+ O + M → O3 + M, gdzie M jest molekułą, która odbiera energię wydzielającą się w tej reakcji. Tlen atomowy O pojawia się w górnych warstwach atmosfery wskutek rozpadu tlenu cząsteczkowego O2 pod wpływem promieniowania nadfioletowego o długości fali mniejszej niż 0,2 mm. Powyżej 50 km reakcja powstawania ozonu zachodzi rzadko z powodu małej koncentracji molekuł. Stratosferyczna warstwa ozonowa zawiera około 97% ozonu atmosferycznego. Ilość ozonu zależy od bilansu jego produkcji (w przedstawionej wyżej reakcji) i rozpadu. Podstawowa, wywołana czynnikami naturalnymi reakcja rozpadu: O3 + hν → O2+ O, gdzie hν oznacza kwant promieniowania nadfioletowego o długości fali 0,2–0,3 mm, chroni powierzchnię Ziemi przed dopływem szkodliwego dla żywych organizmów promieniowania. Inne naturalne reakcje rozpadu ozonu to: rekombinacja tlenu atomowego i ozonu: O3 + O → 2O2; katalityczna reakcja rozkładu ozonu, np. z udziałem tlenków azotu (wytwarzanych m.in. w procesach organicznych na powierzchni Ziemi): NO + O3 → NO2 + O2, NO2 + O → NO + O2. Procesy wytwarzania i rozpadu ozonu zależą od różnych zjawisk występujących w przyrodzie. Na przykład11-letni cykl aktywności słonecznej prowadzi do fluktuacji całkowitej zawartości ozonu stratosferycznego w granicach 12%. W ostatnich dziesięcioleciach zauważono, że bilans produkcji i rozpadu ozonu zmienia się wskutek działalności gospodarczej człowieka. Jedną z przyczyn spadku zawartości ozonu jest nawożenie gleby związkami azotu, które przedostają się do atmosfery w postaci tlenków azotu, migrują dalej do stratosfery i niszczą warstwę ozonową. Innym antropogennym źródłem tlenków azotu są procesy spalania paliw, m.in. w silnikach spalinowych, nie tylko samochodów, ale i samolotów latających na coraz większych wysokościach. Jednak za podstawową substancję niszczącą ozon uznano chlor, który do stratosfery dostaje się głównie w postaci związków — gazów zwanych freonami, używanych do niedawna powszechnie w urządzeniach chłodniczych i aerozolach. Freony, bardzo stabilne w normalnych warunkach, w stratosferze rozkładają się pod wpływem promieniowania nadfioletowego uwalniając chlor, który bierze udział w reakcjach katalitycznych: Cl + O3 → ClO + O2, ClO + O → Cl + O2, prowadzących do rozpadu ozonu. Reakcje te zachodzą szczególnie intensywnie w okresie wiosennym w strefach okołobiegunowych (po okresie braku dopływu światła słonecznego — nocy polarnej), powodując gwałtowny spadek zawartości ozonu nawet o kilkadziesiąt procent w stosunku do średniej wieloletniej. Zjawisko to znane jest pod nazwą dziury ozonowej. Charakterystyczny czas przebywania chloru w stratosferze wynosi 5–10 lat, a przeciętny czas migracji freonów z dolnych warstw atmosfery do troposfery wynosi kilkanaście lat; można się więc spodziewać, że w ciągu najbliższych lat, mimo znacznej redukcji emisji freonów, powiększy się „głębokość” i obszar występowania dziury ozonowej.
 
 
Szymon Malinowski
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia