Озоновый слой находится в стратосфере на высотах примерно 15–35 км над поверхностью Земли и представляет собой регион с повышенной концентрацией молекул озона (O₃). Концентрация озона в этом слое колеблется от 2 до 8 ppm, что достаточно для значительного поглощения ультрафиолетового (УФ) излучения Солнечного спектра. Основная масса озона сосредоточена в так называемом озоновом слое Хартли–Хёфмана, где обеспечивается эффективная защита биосферы от жесткого УФ-В и частично УФ-С излучения.
Озон образуется и разрушается в результате фотохимических процессов, в которых ключевую роль играют молекулы кислорода (O₂), атомарный кислород (O) и ультрафиолетовое излучение.
1. Образование озона (O₃): Фотодиссоциация кислорода под действием УФ-С излучения приводит к образованию атомарного кислорода:
[ O_2 + h(< 240 ) 2O]
Затем атомарный кислород реагирует с молекулой кислорода в присутствии третьего тела (M), обычно N₂ или O₂, стабилизируя образующееся озонное соединение:
[ O + O_2 + M O_3 + M]
Эта последовательность реакций образует озоновый цикл, который является основой фотохимической динамики стратосферы.
2. Разрушение озона (озонолитическая цепь): Озон поглощает УФ-Б излучение, диссоциируя обратно на молекулу кислорода и атомарный кислород:
[ O_3 + h(= 200–320 ) O_2 + O]
Атомарный кислород, образованный в этом процессе, может либо участвовать в повторном синтезе озона, либо реагировать с другими соединениями, включая активные радикалы (OH, NO, Cl), приводя к цепным реакциям разрушения озона.
Галогенсодержащие радикалы — основная причина ускоренного разрушения озона в стратосфере. Хлор (Cl) и бром (Br), высвобождающиеся из хлорфторуглеродов (CFC) и галоидорганических соединений, катализируют цепные реакции:
[ Cl + O_3 ClO + O_2] [ ClO + O Cl + O_2]
В сумме эти реакции приводят к эффективному разложению озона на молекулы кислорода без расхода галогена, что делает его циклическим катализатором разрушения.
Аналогичные механизмы работают с бромсодержащими радикалами, причем эффективность Br выше, чем у Cl, несмотря на меньшую концентрацию.
Концентрация озона зависит от широты, сезона и динамики стратосферного воздуха. На полярных регионах наблюдается так называемое озоновое «дырение», вызванное сочетанием низких температур, образования полярных стратосферных облаков и каталитической активности галогенов. В тропических широтах озоновый слой более стабильный, но также подвержен суточным и сезонным колебаниям из-за интенсивного фотохимического синтеза и разрушения озона.
Поглощение УФ-В и УФ-С излучения озоном защищает живые организмы от генетических повреждений, фотохимического старения и фототоксических процессов. Нарушение баланса фотохимических реакций, приводящее к истощению озонового слоя, ведет к увеличению дозы ультрафиолетового излучения на поверхности Земли, с соответствующими экологическими и медицинскими последствиями.
Современные модели учитывают:
Комплексное моделирование позволяет прогнозировать изменения озонового слоя под влиянием антропогенных выбросов и природных факторов, а также оценивать эффективность международных соглашений по сокращению выбросов CFC.
Фотохимия озонового слоя является фундаментальной областью исследований, объединяющей атмосферную химию, физику ультрафиолетового излучения и глобальные экологические процессы.