Озоновий шар

ОЗОН ТА ЖИТТЯ

Надзвичайну важливість не тільки для історичної геології, а й для сучасної людини має питання про співвдношення життя та озона, що є в атмосфері. Можна вважати, що життя — рослинний та тваринний світ — зміг розвинутися на Землі тільки тогді, коли виник достатньо потужний «озоновий щит», що захищає її від ультрафіолетової радіації Солнця. Зрозуміло, що процей щит ми маємо піклуватися і зараз.

Хоча вік Землі оцінено зараз доволі точно - біля 4,5-10 9 років,про первинну атмосферу Землі нам відомо дуже мало. Якщо Земля виникла з космічного протопланстної хмари, у складі якої знаходився у великій пропорції во­день, то цей водень було досить рано загублено Землею. Геологи вважають, що відома нам атмосфера Землі вторинна та утворилася з вулканічних газів або вивільнена з геоло­гічних порід. В цих газах не було вільного кисню (так його майже немає в атмосферах інших планет). Така вулканічна атмосфера Землі складалася тоді, біля 109 років тому, мабуть, тільки з Н2, НОH, N2 та СО2. Тоді на Землі майже не було життя. Ультрафіолетова радіація з довжи­ною хвилі меньш ніж 307 нм могла знищити ДНК живих клітин (краще сказати, зашкоджувати їх розмноженню, якщо б вони виникли). Тільки потужній шар води міг захис­тити живу речовину від радіації. Поздніше в атмосфері зявився кисень, а з нього виник захисний шар озону.

Можна вважати, що водяна пара почала розкладатися під дією ультрафіолетової радіації з h = 134 . 237 нм по реакції OНО + hv ОН + Н. При цьому атоми водню Н могли уникнути з верхньої гарячої атмосфери — такий процесс вивчено зараз добре — со скоростью 107 . . . 108 атомів з 1 см2 в секунду. Далі при реакції ОН + ОН НО + О утворювався вільний кисень.

Э. Хестведт та С. Хенриксен в праці, що була опублікована в університеті в Осло в 1973 г., вважають, що саме таким було годоине джерело кисню в атмосфері давніх геологічних эпох. Спеціалісти геологи вважають, що утаорений О2 майже весь швидко використовувався на окислення порід земної по­верхні.

Джерелом вільного озону міг також бути процес фотосинтезу.

При цьому є осить важливою більш точна оцінка небезпечної радіації, що первоначально тормозила виникнення живої речовини. Так, в работі Беркнера и Маршалла було прийнято, що для життя — для ДНК — небезпечною є спектральна область с а = 240 . . . 285 нм при энергетичній освітленості в цій області більш ніж 10 ^Вт-м"2. Поздніше М. Ратнер та Дж. Уокер вибрали інший критерій. Хоча у більш довгих хвиль эфект, що знищує ДНК, понижується, энергія променів Сонця в цих хвилях набагато більша, а захисна властивість інших органічних речовин, що оточують клітинне ядро, мала. При цьому небезпечною ультрафіолетовой радіацією є 10~1 Вт-м~2 для всієї області спектра с h < 302 нм.

Так виникло унікальне явище в геологічній історії —до так званого еволюційного вибуху. Після того як в архейскій ері сотні мільйонів років існували тільки примітивні організми — бактерії та водорості, частково навіть анаеробні організми в мілководных морях та озерах, в палеозойскій ері розвиток життя швтдко піднявся на високий рівень. В силурійскій період проходив розвиток багатого життя в морі, де зявились роды риб, а в кінці його, біля 440 млн. років тому, зявилась рослинністть на суші — предки сучасних папоротнепдібних та плаунів. В девоні, приблизно 370 млн. років тому, розквітло тваринне життя в багатих лісах. Так почався період підсиленного фотосинтезу та швидкого накопичення кисню в атмосфері.

Безсумнівно, що в кисневій атмосфері виник шар озону тобто озоннй екран, спочатку, біля поверхні Землі. При вмісті кисню біля 0,1 сучасної його кількості (РАL — present stmospheric level) шар озону піднявся вже в стратосферу.

Рисунок 1 показує, як шар озону, що зародилася ще при концентрации кисню біля 3*10-4 РАL скоро досяг на рівні максимуму озону, концентрації N3 = 1013 молекул в 1 см3 та поступоио розповсюдився в більш високі шари атмосфери при накопиченні О2 от 3-10-4 РАL до 1 РАL.

На рис. 2 показано, як пропускала така озоносфера радіацію Сонця до поверхні Землі. Майже вся радіация з h=280 нм відфільтровувалась вже при 2-*10-2 РАL. Цей момент відмітив собою появу развинутого життя на суші. Ще трохи раніше при (2 . 3)*10-3 РАL такому відфільтровуванню допомагав шар води товщиною приблизно 2 м, також зменьшуючий дію уль-трафіолетової радіації. Тоді ,мабуть, життя могло почати розвиватись інтенсивно у воді, в теплих прибережних водах, озерах.

Якщо врахувати, що джерелом кисню була фотоднсоціація водяної пари, то эволюційний вибух міг відбутися тільки при дуже швидкому насиченні — за геологічою шкалою часу — атмосфери водяною парою, що почачла енергійно розкладатися на сонячному світлі.

Якщо ж допустити, что жття поступово утворювало фотосинтетичне джерело кисню, після того як розклад пари або життя в морі утворили первинне підвищення рівня кисню до (2 . 3)- 10-3 РАL, то швидкість еволюційного вибуху добре пояснюється таким механізмом з сильним додатнім звязком. Пояснюється й послідовність розвитку життя у воді й на суші

Питання про озоновий шар дуже гостро постало в наші дні.

Міжнародна метеорологічна організація виступила в 1976 р. з проектом «Глобального вивчення й моніторингу озону». Проект энергійно подтримала й Межнародна комісія з атмосферного озону. В березні 1977 г. Це питання буо розглянуто у «Программі Організации Обєднанних Націй з оточуючого середовища «UNEP». В травні того ж року в Женеві зібрались спеціалісти,що вивчали новітні прибори й можлиаості координованних спостереженнь найбільш біологічно активної частини сонячного спектру — між 290 _ 320 нм. Вже у 1978 р. спеціальний циркуляр ММО вже рекомендував країнам організацию спостереженнь уль-трафіолетової радіації .

Ідея небезпеки знищення шару озону та його наслідках призвела до створення в США спеціальної «Програми визначення кліматичних впливів» (СIАР) (під загальним керівництвом Департаменту транспорту США), маючи на увазі викиди стратосферної авіації. З цією ціллю в 1972 . . . 1975 рр. було зроблено 4 конференції спеціалістів з проблем авіації, фізиці атмосфери, та забруднення й озону. Аналогична програма (СОVOS) було утварено у Франції.

В наш час головною рисою розподілення радіаці по земній куліє її широтна залежність. Розрахунки показують, що тропічний пояс має отримувати до 360 . . . 420 Вт-ч-м-2 на місяць. Таким чином, знищення шару озону має по різному вплинути на тропичній та помірнній зоні на населенні.

ОЗОНОВИЙ ЩИТ ЗЕМЛІ

Історія вивчення озону не дуже тривала. Заслуга вікриття його шару належить фізикам із Франції: Ш. Фабрі та А. Б'юіссону, які в 1913 р. довели, що випромінювання Сонця з довжиною хвилі від 200 до 300 нм ін­тенсивно поглинається атмосферою Землі. Це було істотне досягнення, бо частина вчених тоді вважала, що ультрафіолетове випромінювання поверхні Сонця поглинається його власною атмосферою—протяжною газовою оболонкою, що оточує Сонце.

Який же дійсний вплив сонячного випромінювання на планету Земля?

Графік (спектр) випромінювання Сонця наведений на малюнку 3, де на горизонтальній осі в нанометрах (Ю"9 м) указані довжини електромагнітних хвиль, випромінюваних фотосферою Сонця. По вертикалі відкладена потужність, що припадає на одиницю перпендикулярної до сонячних променів поверхні, розташованої поза атмосферою нашої планети.