-сократить до 15 %, начиная с 1997 г.;
-прекратить полностью к 2000 г.;
2)производство тетрахлорметана (четыреххлористого углерода, используемого в качестве растворителя):
- сократить до 15 %, начиная с 1995 г.; - прекратить полностью к 2000 г.;
3)производство 1,1,1-трихлорэтана (используемого в качестве растворителя): - сократить до 70 %, начиная с 1995 г.; - сократить до 30 %, начиная с 1997 г.; - прекратить полностью к 2005 г.
Необходимо отметить, что Монреальский протокол, являющийся первым
примером коллективного мирового сотрудничества в решении глобальных проблем, в настоящее время успешно выполняется.
3. Строение ионосферы
Ионосфера — ионизированная часть верхней атмосферы, представляет собой природное образование разреженной слабоионизированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и обладающей специфическими свойствами, связанными с высокой электропроводностью. Ионосфера имеет слоистое строение. Число слоев — 6. Обозначаются буквами латинского алфавита A, B, C, D, E, F. Нижняя граница — 85 км (50 км), верхняя граница — внешняя часть магнитосферы (несколько земных радиусов).
Ионосфера была открыта в результате изучения явления распространения коротковолновых радиоволн, которые отражались от нее, как от экрана.
Ионосфера Земли создается:
•корпускулярным и УФ-излучением Солнца;
•космическими лучами;
•радиоактивными веществами Земли и космоса.
4. Фотохимические процессы в ионосфере
Солнечное излучение действует в верхних слоях атмосферы, космические лучи пронизывают и действуют по всей толще атмосферы. Радионуклиды воздуха ионизируют атмосферу до высоты несколько километров. Радиоактивные вещества Земли ионизируют только приземные слои. На высотах от 85 до 200 км наибольшее значение имеет УФ-излучение, вызывающее фотохимические процессы:
О2 + hν = О+2 + e,
где ν < 102,6 нм.
Следует отметить, что может происходить и фотодиссоциация молекулы О2:
О2 + hν = Oт + Ос при ν < 240 нм.
Атомарный кислород далее может превратиться в положительно заряженный ион О+ в результате отрыва свободного электрона под действием УФ-излучения с ν < 91 нм. Ионизация имеет место на всех высотах, т. е. во всех областях ионосфе-
41
ры. В табл. 6 приведены граничные значения длин волн, энергии которых достаточно для ионизации компонентов верхних слоев атмосферы.
Таблица 6. Верхний предел ν ионизации молекул и радикалов
Молекула или радикал |
ν, нм |
Молекула или радикал |
ν, нм |
О2 |
102,6 |
О |
91,0 |
НО2 |
98,5 |
СО2 |
89,9 |
О3 |
96,9 |
СО |
88,5 |
СН4 |
95,4 |
N2 |
79,6 |
ОН |
94,0 |
|
|
Концентрация заряженных частиц в ионосфере определяется скоростью ионизации, скоростью рекомбинации и диффузионными процессами. Образовавшиеся в результате ионизации свободные электроны в ионосфере исчезают в целом ряде реакций с участием атомных и молекулярных ионов. Ионы могут иметь как положительный заряд, т. е. катионы, так и отрицательный заряд.
Ниже 100 км из-за относительно большой плотности нейтральной атмосферы электроны при соударениях с нейтральными молекулами «прилипают» к ним, образуя отрицательно заряженные частицы. Поэтому ионно-молекулярные реакции в этой области протекают между нейтральными атомами или молекулами, отрицательными и положительными ионами, а также электронами.
Рассмотрим основные химические реакции, в которых участвуют положительные ионы. В условиях фотохимического равновесия на высотах 85–200 км
основными первичными ионами являются ионы О+, О+2 , N+2 .
Однако ионный состав может сильно измениться, если появляются какиелибо факторы, нарушающие фотохимическое равновесие, например электрические или магнитные поля (бури). Например, на высотах 300 км основным ионом может стать ион NО+:
1)O+ + N2 = NO+ + N.
2)O+ + O2 = О+2 + O.
3)N+2 + O = O+ + N2.
4)О+2 + N2 = NO+ + NO.
Первые три реакции — основные, происходят на высотах выше 120– 140 км, последняя — на малых высотах от 85 до 120 км.
Рекомбинация — процесс гибели свободных электронов и других заряженных частиц в результате столкновений. Скорость рекомбинации с высотой уменьшается (это связано с уменьшением концентрации электронов). Кинетика гибели свободных электронов на малых высотах (до 180 км) описывается уравнением второго порядка относительно концентрации электронов. На больших высотах — уравнением первого порядка.
Скорость реакций превращения ионов зависит от концентрации ионов и температуры. При изменении температуры в 10 раз скорости рекомбинации
электрона и положительных ионов N+2 , O+2 изменяются в 10–100 раз. В обычных химических реакциях скорость изменяется, согласно Аррениусу, в 2–4 раза.
42
Диффузионные процессы. Вклад диффузии в изменение концентрации ионов на разных высотах и на разных широтах различен, поскольку этот процесс конкурирует с процессами образования ионов и их рекомбинации и зависит от магнитного поля. Заряженные частицы беспрепятственно движутся вдоль магнитных силовых линий, тогда как перемещение поперек магнитного поля затруднено. Если рассматривать процессы в вертикальном столбе ионосферы, то на экваторе, где силовые линии магнитного поля направлены горизонтально, роль диффузии мала. В высоких широтах, где силовые линии геомагнитного поля почти вертикальны, амбиполярная диффузия в вертикальном направлении протекает эффективно.
Выводы
•Причина образования озоновой дыры над Антарктидой является комплексной: увеличение поступления хлорфторуглеводородов в атмосферу (антропогенный фактор) и специфика движения воздушных масс в стратосфере высоких широт (полярный вихрь). Протекание гетерогенных реакций и димерный цикл резко интенсифицируют процесс разрушения озона над Антарктидой
ввесенний период и приводят к образованию озоновой дыры.
•Реабилитация озоновой дыры происходит в результате ряда последовательных процессов: таяния кристалликов льда, что приводит к прекращению гетерогенных процессов, поступления озона из других областей атмосферы, уменьшения концентрации оксида хлора, синтеза определенного количества озона над Антарктидой.
•Ионосфера — ионизированная часть верхней атмосферы, представляет собой природное образование разреженной слабоионизированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и обладающей специфическими свойствами, связанными с высокой электропроводностью. Нижняя граница — 85 км (50 км), верхняя граница — внешняя часть магнитосферы.
•Ионосфера формируется в верхних слоях атмосферы — выше стратосферы (до 1 000 км) под действием солнечной радиации (УФ-излучения).
•В ионосфере происходят сложные физико-химические процессы трех типов: ионизация, ионно-молекулярные химические реакции и рекомбинация. Скорости этих процессов в разных слоях ионосферы различны, что приводит к отличиям ионного состава по высоте.
•Ионосфера находится в состоянии непрерывного изменения, что связано с влиянием солнечной активности, магнитного поля Земли, суточными, сезонными, солнечными и космическими циклами.
Контрольные вопросы
1.Назвать основные причины образования озоновых дыр.
2.Перечислить основные процессы, способствующие реабилитации озоновой дыры.
3.Из каких слоев состоит ионосфера?
4.Назовите основные частицы, присутствующие в ионосфере.
5.Какие метеоявления возникают в результате химических процессов, протекающих в ионосфере?
6.Как влияет солнечная активность на состояние ионосферы и качество радиосвязи?
43