Озон и поглощение ультрафиолетового солнечного излучения в атмосфере

 

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ - АБИОГЕНЕЗ

 

 

Озон и поглощение ультрафиолетового солнечного излучения в атмосфере

 

Теперь мы можем заняться вопросом, какая часть солнечного излучения поглотилась бы атмосферами разного состава. Кривые, к которым мы обратимся, показывают количество интересующего нас атмосферного газа (выраженное или в длине пути при нормальных условиях, или в долях содержания в атмосфере, PAL, или обоими способами сразу), которое, присутствуя в атмосфере, могло бы поглотить излучение данной длины волны до некоторого определенного уровня.

 

Теоретически солнечное излучение никогда не поглощается полностью ни в атмосфере, ни в гидросфере. Всегда какая-то часть излучения проходит. Но поскольку поглощение - процесс "экспоненциальный", это количество быстро снижается до столь незначительной величины, что ею можно пренебречь. Поэтому надо условиться, какое поглощение излучения мы будем считать "полным". Беркнер и Маршалл во всех своих расчетах принимали пороговое значение потока энергии, соответствующее полному поглощению, равным 1 эрг/(см2с) для 5 нм (когда энергия в спектральном интервале шириной 5 нм поглощается в такой степени, что за 1 с через 1 см2 проходит всего 1 эрг). При таком поглощении (экстинкция) Солнце было бы всего лишь в 50 раз ярче полной Луны. Ниже этого уровня никакие неорганические фотохимические реакции практически не идут.

 

Если оставить в стороне довольно регулярное возрастание потока энергии с увеличением длины волны солнечного излучения (85), то кривые, указывающие количество газа, необходимое для поглощения определенной длины волны до принятого нами уровня, являются как бы зеркальным отражением кривых коэффициентов поглощения для разных длин волн. Ведь чем меньше коэффициент поглощения, тем более прозрачен газ для излучения данной длины волны и, следовательно, тем толще будет слой газа, необходимый для ослабления этого света до принятого уровня.

 

Изменения в количестве водяных паров и двуокиси углерода слабо влияют на поглощение ультрафиолетового излучения. Решающую роль играют здесь кислород и его производное - озон.

 

 

График показывает, что при современном содержании в атмосфере водяных паров они эффективно поглощают солнечный ультрафиолет с длиной волны менее 200 нм. Но даже при десятикратном увеличении их содержания они слабо поглощают излучение с большой длиной волны. Поскольку водяные пары находятся в равновесии с жидкой водой Мирового океана, а верхний предел их распространения ограничен "холодной ловушкой" в тропосфере, можно думать, что их содержание в атмосфере никогда не подвергалось значительным колебаниям. Водяные пары никогда не могли играть главной роли в экранировании солнечного ультрафиолета с длиной волны более 200 нм.

 

Примерно то же можно сказать и о двуокиси углерода. График, приведенный на 89, показывает, что при современном содержании СО2 в атмосфере этот газ задерживает только излучение с длиной волны менее 190 нм. При содержании в 30 раз выше современного двуокись углерода задерживала бы волны длиной до 205 нм. Однако крайне маловероятно, чтобы в земной атмосфере когда-либо имелось столько двуокиси углерода. В противоположность кислороду основной запас двуокиси углерода содержится не в атмосфере, а в океанских водах. Океан поэтому представляет собой прекрасный "буфер", регулирующий содержание СО2 в атмосфере. Процесс осаждения карбонатов служит "мусорщиком", удаляя из атмосферы лишнюю двуокись углерода.

 

Как уже говорилось, с кислородом и озоном дело обстоит совершенно иначе. Мы уже несколько раз подчеркивали важную роль такого фактора, как увеличение содержания кислорода в атмосфере для защиты от солнечного ультрафиолета, но мы ограничивались общим, чисто качественным подходом. Из работ Беркнера и Маршалла [1, 2], содержащих солидный фактический материал, мы можем извлечь и численные данные, позволяющие перевести наши умозаключения на количественную основу. Это настолько важно, что я считаю необходимым поговорить подробнее о физике явлений поглощения света в атмосфере.

 

График, приведенный на 90, показывает, что, не считая системы полос Шумана - Рунге вблизи 180 и 190 нм, обусловленной атомным резонансом, рост содержания кислорода в атмосфере сопровождается монотонным увеличением поглощения жесткого ультрафиолета. Этот эффект при современном содержании кислорода в атмосфере распространяется на область до 250 нм, а далее главную роль в поглощении начинает играть озон. Итак, кислород сильно влияет на состав солнечного излучения, которое доходит до поверхности Земли.

 

Действие озона дополняет действие кислорода (). Различие в кривых их коэффициентов поглощения отражает радикальное различие в кривых толщины слоя этих газов, необходимой для ослабления до порогового значения.

 

Напомним, что содержание озона прямо зависит от содержания кислорода. Таким образом, атмосфера, бедная кислородом, не может быть насыщена озоном. Хотя константы, определяющие образование озона, известны пока не слишком хорошо, можно оценить количество озона, которое будет присутствовать в атмосфере при разных уровнях содержания кислорода.

 

 

К содержанию: Руттен Происхождение жизни

 

Смотрите также:

 

Науки о Земле  Геология   Палеогеография   Палеонтология 

 

Точка Пастера. Состав атмосферы в древности  Происхождение атмосферы и гидросферы Земли

 

атмосфера Земли  Химический состав древней атмосферы докембрия  содержания кислорода в атмосфере и эволюция.

 

Изменения состава атмосферы  Развитие атмосферы Земли в Архей-протерозойское время