Озон є алотропна видозміною кисню з трехатомного молекулою O3.
Озон - одна з форм існування хімічного елемента кисню в земній атмосфері. Остання складається в основному з азоту і кисню. У приземному повітрі, так само як і у всій атмосфері до висоти близько 150 км, і азот, і кисень існують практично тільки в формі молекул N2 і O2. Однак на всіх висотах в атмосфері йдуть процеси дисоціації (тобто руйнування молекул), що призводять до появи атомів N і O. Ці процеси компенсуються швидкими реакціями зворотного з'єднання атомів в молекули, тому концентрації атомів O і N нижче 100 км дуже малі.
Зі збільшенням висоти швидкість процесів дисоціації зростає, а зворотних реакцій падає, тому відносна концентрація атомарних компонентів збільшується. Але лише приблизно з 100 км атомарний кисень стає одним з основних компонентів атмосфери, а на висоті близько 150 км концентрації атомів і молекул кисню порівнюються. На великій висоті кисень існує вже головним чином у вигляді атомів. Кількість атомарного кисню (хоча і дуже мале) зі збільшенням висоти над поверхнею Землі зростає. Це пояснює і зростання з висотою кількості молекул O3. Але з деякого рівня руйнування молекул O3 сонячним випромінюванням зростає з висотою швидше, ніж їх утворення з атомів O, тому, починаючи з цього рівня (так званого максимуму шару озону) концентрація озону з висотою починає зменшуватися.
Процес утворення озону можна записати в наступному вигляді:
2О3 ® 3О2 +68 ккал (1)
При утворенні озону тепло поглинається, а при розкладанні - виділяється. При нормальній температурі і тиску реакція протікає вкрай повільно. Пов'язано це з тією важливою роллю, яку відіграє атомарний кисень в реакції утворення озону. Отже, все починається з дисоціації молекули кисню на два атоми:
Через hv тут позначений джерело дисоціації. Найчастіше це ультрафіолетове випромінювання Сонця, але можуть бути і енергітічние частки, що входять до складу космічних променів.
Утворилися атоми кисню або з'єднуються знову між собою в присутності третьої молекули М:
Або взаємодіють з молекулою O2 (також в присутності третьої тіла), утворюючи молекулу озону:
О2 + О + М ® О3 + М, (4)
Де М - будь-яка частка, необхідна для відводу енергії від утворюється молекули озону. Для отримання озону сприятливими є невисокі температури і наявність додаткового неравновесного кількості атомарного кисню. Джерелом останнього може служити дисоціація молекул кисню під впливом потоку частинок, ультрафіолетового опромінення.
Фізично молекула озону є стабільною, т. Е. Вона мимоволі не розкладається. При невеликих концентраціях і відсутності в газі домішок озон розкладається досить повільно. Однак при підвищенні температури, збільшення добавок деяких газів (наприклад, NO, Cl2, Br2, I2, і ін.), При впливі випромінювань і потоків частинок швидкість розкладання газоподібного озону значно збільшується. Одне з основних властивостей - озону сильна окислювальна здатність (поступається тільки F2).
Завдяки своїм винятковим властивостям атмосферне озон є регулятором потоку радіації, що досягає поверхні Землі. Історія його появи на Землі виглядає наступним чином.
Перетворення компонентів земної первинної атмосфери - метану
(CH4), води (H2 O), аміаку (NH3) - в "бульйон" з органічних сполук, де вперше зародилося життя, відбувалося в присутності інтенсивного ультрафіолетового опромінення. Однак ультрафіолетова радіація дуже небезпечна для чутливого рівноваги хімічних реакцій в живих клітинах, і, мабуть, перші організми вижили тільки тому, що розвивалися під шаром води досить потужним. Щоб захистити їх від ультрафіолету. В результаті фотосинтетичного розкладання молекул води земна атмосфера придбала вільний кисень. Лише з появою кисню, а потім і озону інтенсивність ультрафіолетової радіації на земній поверхні знизилася досить для того, щоб живі організми змогли вийти з-під води і почати заселення суші. Тривале існування сухопутного життя стало можливим завдяки озоновому шару - захист, яка сама стала продуктом життя.
Оскільки утворення озону відбувається головним чином в результаті фотохімічних реакцій в стратосфері, тут зосереджена його основна маса (близько 85 - 89% атмосферного озону).
Чарівний щит планети.
У популярній літературі шар озону дуже часто називають чарівним щитом планети. Це порівняння пов'язано з оптичними властивостями молекули озону, які відрізняються від властивостей як складових його атомів (коли вони існують окремо), так і двоатомних молекул O2.
Однією з найбільш важливих оптичних характеристик, будь-якого речовини є його спектр поглинання - зміна з довжиною хвилі коефіцієнта поглинання, тобто здатності поглинати проходять через цю речовину випромінювання.
Спектр поглинання озону володіє декількома важливими особливостями, головною з них є здатність сильно поглинати випромінювання в інтервалі довжин хвиль 200-320нм.
Область сонячного спектра (а коли говорять про щит, то мають на увазі саме захист від випромінювання Сонця) від 200 до 400 нм називають біологічно активним ультрафіолетом БАУ. При цьому виділяються інтервали 320-400нм (УФ-А) і 200-320нм (УФ-Б).
Випромінювання з довжиною хвилі l, менше 200Нм, добре поглинається молекулами кисню, яких в атмосферному газі багато. Тому таке випромінювання не доходить навіть до нижньої частини стратосфери, "застряє" (тобто поглощаясь молекулами O2) на великих висотах. Зі збільшенням довжини хвилі коефіцієнт поглинання молекулярним киснем швидко падає. Молекули ж азоту, яких в атмосфері найбільше, взагалі пасивні і в поглинанні цього випромінювання практично участі не приймають.
Ось і виходить, що сонячне випромінювання з довжиною хвилі від 200 - 300нм проникало б крізь атмосферу практично до поверхні Землі, якби не озон. Його коефіцієнт поглинання k саме в цій області довжин хвиль дуже великий і набагато перевершує відповідні значення k для O2 і N2. В результаті - випромінювання УФ-Б не проходить крізь стратосферу, практично повністю поглинаючись молекулами O3. Чи не завантажуючи виклад деталями спектральних характеристик озону, наведу лише один приклад. Максимальне значення k для озону припадає на l = 255нм і становить близько 130 см⁻ 1. Щоб легше було уявити масштаб цієї величини, скажу, що, пройшовши через шар озону товщиною в 3 мм при нормальному тиску (а це і є, як я говорила вище, еквівалент "щита"), випромінювання, з цією довжиною хвилі зменшиться в 10⁻ 17.
В цілому ж ефект чарівного щита саме такий - дуже тонкий (всього 2-3 мм!) Шар молекул O3 практично повністю поглинає йде від сонця випромінювання в області УФ-Б. Починаючи приблизно з l = 320Нм сонячне випромінювання вже доходить до поверхні, хоча точну межу з очевидних причин назвати неможливо - перехід відбувається поступово, а проникнення випромінювання залежить від багатьох чинників - таких, як висота Сонця над горизонтом, чистота або запиленість атмосфери, висота місця над рівнем моря і т.д.