Химия озонового слоя. Часть 5. Водородсодержащие радикалы.

Другим, после оксидов азота, важным семейством веществ разрушающих озон являются радикалы OH и HO₂, объединяемые общей формулой HO_x. Их можно рассматривать как окисиды водорода. Однако в отличие от обычных оксидов они очень реакционноспособны и не могут существовать как вещество, так как обладают неподелённой электронной парой, то есть являются радикалами. И даже если два таких радикала встретятся вместе, то они прореагируют друг с другом, рекомбинируют, образуя совсем другое вещество, например два HO радикала дадут перекись водорода H₂O₂.

Основным источником образования HO_x является реакция водных паров с синглетным атомом кислорода:
Н₂O + O(¹D) → OH + OH
Эта реакция очень похожа на реакцию из предыдущей части, в которой закись азота N₂O реагируя тоже с синглетным кислородом даёт две молекулы NO. Также важна реакция с метаном:
СН₄ + O(¹D) → СН₃ + OH

Далее следуют аналогичные реакции:
ОН + О₃ → НО₂ + О₂
НО₂ + О → ОН + О₂
НО₂ + О₃ → ОН + 2О₂
в которых погибают две молекулы озона и регенерирется OH радикал, то есть цикл замыкается. OH дальше опять вступает в реакцию с озоном и пошло поехало по новой.

Хотел бы отметить, что я не привожу все реакции происходящие в стратосфере, так как их очень много, а только основные, чтоб схематично проиллюстрировать как происходит разрушение озона. Более-менее полный химический механизм состоит из десятков и сотен реакции, например мы используем в работе набор из 200 реакций. Его можно посмотреть по ссылке.

Химия озонового слоя. Часть 1. Механизм Чэпмана.

В далёком 1930 году британский учёный Сидней Чэпман, математик, астроном и геофизик предложил механизм образования озона в атмосфере названный его именем. В соответствии с ним озон образуется в две стадии, сначала жёсткий ультрафиолет с длинами волн меньше 240 нм фотолизует, то есть разрушает, молекулу кислорода на два атома кислорода:
О₂ + hν → 2О
Затем образовавшиеся атомы кислорода реагируют с молекулами кислорода:
O + О₂ + М → О₃ + М
и получается молекула озона. М означает так называемое третье тело, то есть нейтральную молекулу, которая нужна, чтоб отвести избыток энергии образовавшийся в реакции, обычно это молекулы N₂ или О₂.
Сам озон тоже может фотолизоваться в свою очередь. Так как он менее стоек, чем молекулярный кислород, то и ультрафиолет нужен меньших энергий, с длинами волн от 240 до 310 нм:
О₃ + hν → О₂ + О
Также он может разрушаться в реакции с атомами кислорода:
О₃ + O → 2О₂
Образовавшийся атомарный кислород опять реагирует по второй реакции и мы получаем цикл. Есть и другие реакции, в которых озон разрушается, мы о них поговорим в следующих частях. Это в основном реакции с OH, NO, Cl и Br радикалами.
Таким образом, ультрафиолетовые лучи самых высоких энергий, а значит и самые опасные, поглощаются в этих реакциях. Причём если озона недостаточно, например его быстро "съедают" радикалы, то УФ лучи UV-b и частично UV-c диапазона будут с лёгкостью проникать до самой Земли, так как больше ничто в атмосфере эти лучи задержать не в состоянии. Это происходит, например, в так называемых озоновых дырах. Многие удивляются, неужели озон не смотря на свою ничтожную по сравнению с другими атмосферными газами концентрацию может практически полностью поглощать этот ультрафиолет? Да, тем не менее, это так. По аналогии с повседневной жизнью мы знаем, что есть прозрачные вещи, а есть слабопрозрачные или совсем непрозрачные. Например очень тонкий слой чернил будет пропускать столько же света, сколько многометровая толща воды. Точно также тонкий слой озона задерживает больше УФ, чем способна многокилометровая толща других газов. Или, говоря научным языком, коэффициент экстинкции озона в этом диапазоне ЭМ спектра превышает таковой для кислорода и азота на многие порядки. Желающие могут найти спектры для этих газов и сравнить их.