Стратосфера представляет собой слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высотах примерно от 10–15 км до 50 км. Основной особенностью стратосферы является вертикальная температурная структура: температура в нижней части стабильно растет с высотой, что обусловлено поглощением ультрафиолетового (УФ) излучения кислородом и озоном. Именно стратосфера содержит основной запас озона (O₃), который формирует озоновый слой, играющий критическую роль в защите биосферы от вредного УФ-излучения.
Концентрация озона в стратосфере неравномерна. Максимальные значения наблюдаются на высотах 20–30 км. Толщина озонового слоя измеряется в Добсоновских единицах (ДЕ), где среднее значение составляет около 300 ДЕ. Озоновый слой характеризуется высокой химической активностью, поскольку озон легко участвует в фотохимических и радикальных реакциях.
Ключевые особенности распределения:
Основным источником озона является фотодиссоциация молекул кислорода (O₂) под действием УФ-C излучения с длиной волны λ < 242 нм:
[ ]
Атомарный кислород, образованный в результате фотолиза, вступает в реакцию с молекулой кислорода в присутствии третьего тела M (азот или кислород), образуя озон:
[ ]
Разрушение озона происходит как в результате естественных радикальных циклов, так и под воздействием антропогенных веществ. Основные радикалы, участвующие в разрушении, включают:
Пример катализируемого цикла хлора:
[ ] [ ]
Совокупный эффект этих реакций приводит к разложению озона на кислород:
[ ]
Основными химическими веществами, разрушающими озоновый слой, являются хлорфторуглероды (CFC), гидрохлорфторуглероды (HCFC) и бромсодержащие соединения. После выхода в стратосферу эти соединения подвергаются фотолизу, высвобождая атомы Cl и Br, которые катализируют разрушение озона по радикальным механизмам.
Особенности влияния:
Стратосферные реакции озона тесно связаны с окислительно-восстановительными циклами кислорода. Фотолиз O₂ и O₃ приводит к формированию активных атомарных кислородных радикалов, участвующих в циклах восстановления и разрушения:
[ ]
Каталитические циклы с участием OH, NOₓ и галогенов поддерживают динамическое равновесие концентрации озона, определяя его пространственное распределение и сезонные колебания.
Фотохимические процессы в стратосфере сопровождаются поглощением коротковолнового УФ-излучения, что ведет к локальному повышению температуры. Энергия поглощения УФ используется для разрыва химических связей в O₂ и O₃, инициируя цепные радикальные реакции. В результате формируется высокодинамичная система фотохимического равновесия, которая напрямую влияет на химическое состояние всей стратосферы.
Нарушение озонового слоя приводит к увеличению уровня УФ-В излучения на поверхности Земли. Это вызывает:
Деструкция озона также влияет на термодинамику стратосферы, вызывая локальное охлаждение в полярных регионах и изменяя циркуляцию воздуха, что может приводить к климатическим аномалиям.
Современные методы включают:
Моделирование стратосферной химии с учетом динамических процессов позволяет прогнозировать изменения озонового слоя под воздействием природных и антропогенных факторов, а также оценивать эффективность международных соглашений, таких как Монреальский протокол.