Кислород является одним из основных компонентов атмосферы, его содержится 20,95% в атмосфере. Основным производителем кислорода являются зеленые растения, осуществляющие фотосинтез, т.е. процесс превращения воды и СО2 (из воздуха) в сахара (глюкозу) с выделением в качестве побочного продукта кислорода, для чего необходима световая энергия. Таким улавливающим веществом является хлорофилл (зеленый пигмент). Из атмосферы кислород расходуется, прежде всего, на дыхание человека и животных, а также на промышленные и бытовые нужды. Таким образом, для поддержания экологического равновесия в атмосфере необходимы зеленые насаждения. Это касается всех широт. Кислород существует в виде двух аллотропных модификаций - кислород (О2) и озон (О3). О2 во всех состояниях (газообразном, жидком, твердом) парамагнитен и имеет очень высокую энергию диссоциации - 496 кДж\моль. В газообразном состоянии О2 бесцветный, в жидком и твердом имеет светло голубую окраску. Как химический элемент кислород очень активен, образует химические соединения практически со всеми элементами, кроме инертных газов. Одним из наиболее важных процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы, является фотодиссоциация молекул кислорода в результате поглощения лучистой энергии (фотонов): О2 hv→ 2О Зная энергию диссоциации связи в молекуле кислорода (495 кДж\моль), можно определить максимальную длину волны фотона, вызывающего это превращение: l£242 нм. Пары воды, оказавшиеся в верхних слоях атмосферы, также подвергаются фотодиссоциации: Н2О hv→ Н + ОН ОН- hv→ Н + О Некоторые ученые считают, что фотодиссоциация воды на ранних стадиях развития Земли сыграла существенную роль для формирования кислородной атмосферы. Химические процессы, происходящие в слоях атмосферы ниже 90 км, кроме фотодиссоциации кислорода, значительно отличаются от процессов, наблюдаемых на больших высотах. В стратосфере и мезосфере концентрация О2 увеличивается, поэтому очень часты столкновения О2 с О, приводящие к образованию озона: O2 hv→ O + O O2 + O → O3* O3* + M → O3 + M* где, М – вещества атмосферы О2, N2 и другие молекулы газа. Звездочка (*) означает, что молекула содержит избыточную энергию. Скорость образования озона зависит от двух противоположно действующих факторов. С одной стороны, она увеличивается с уменьшением высоты атмосферных слоев, т.к. увеличивается концентрация вещества атмосферы (O2, N2), а значит и частота стабилизирующих столкновений. С другой стороны, с уменьшением высоты скорость уменьшается, т.к. уменьшается количество атомарного кислорода из-за уменьшения проникновения высокочастотного излучения. Поэтому максимальная концентрация озона наблюдается на высоте 25-40 км. Это так называемый озоновый экран, который способен поглощать УФ-излучение (до 99%). Без такой защиты УФ-лучи практически полностью уничтожили бы жизнь на Земле за счет поглощения тканями живых организмов УФ-излучения (l£200-310 нм), следовательно, разрушения белков и ДНК (что происходит во время загара). К сожалению, озон сильно химически активен и вступает во взаимодействие не только с УФ-излучением Солнца. Важную роль в озоновом цикле играют оксиды азота, повышающие скорость разложения озона: O3 + NO → NO2 + O2 NO2 + O → NO + O2 Обсуждается вопрос о влиянии сверхзвуковых транспортных самолетов на озоновый слой атмосферы. В горячем пламени их двигателей из атмосферных O2 и N2 образуется NO: O2 + N2 → 2 NO. Широкое использование таких самолетов может привести к повышению концентрации оксида азота (NO), способной существенно понизить содержание озона в стратосфере, особенно над районами с оживленными маршрутами движения самолетов. В результате в этих районах повышается интенсивность УФ-излучения высокой энергии у поверхности Земли. Сравнительно недавно выяснилось, что хлорфторметаны (например, фреон-11 CF2Cl2 и фреон-12 CFCl3) также оказывают неблагоприятное воздействие на озоновый слой. Эти инертные вещества широко используются в качестве хладоагентов и распыляющих газов в аэрозольных баллончиках. Они летучи и не растворимы в воде. Следовательно, они не вымываются из атмосферы и, продолжая распространяться, достигают стратосферы. В верхних слоях атмосферы они подвергаются воздействию коротковолнового УФ-излучения (l=190-225 нм) с образованием атомарного хлора:
CFxCl4-x hv→ CFxCl3-x + Cl hv ↓ CFxCl2-x + Cl и т.д. Скорость образования атомарного хлора максимальна на высоте 30 км. Далее хлор реагирует с озоном: Cl + O3 → ClO + O2 ClO + O3 → ClO2 + O2 ClO2+O → ClO+O2 ClO + O → Cl+O2 ClO + O3 → Cl+2O2 Эти реакции приводят к исчезновению озона и атомарного кислорода, в то время как атомарный хлор, а также NO все время возобновляется. Источники поступления хлора в атмосферу: хлоруглеводороды; перхлораты из твердого топлива ракет; производство полимеров (пенопластов). Осенью 1985 г. спутниковые наблюдения обнаружили «дыру» в озоновом экране над Антарктидой. Над этой территорией, равной площади США, содержание озона сократилось на 50%. Во время холодной антарктической зимы накапливается большое количество хлорфторуглеводородов, а весеннее солнце приводит к разрушению озона атомарным хлором. В марте 1986 г. принята Венская конвенция об охране озонового слоя, а с 01.01.1989 г. вступил в силу Монреальский протокол, предусматривающий обязательства государств по замораживанию производства и последующему сокращению выпуска разрушающих озон веществ. В США в 70-х годах было запрещено использовать хлорфторуглеводороды для аэрозольных баллончиков. В Антарктиде, если будет открыта озоновая «дыра», может быть уничтожен фитопланктон, а это приведет к гибели животных, питающихся им, от китов до пингвинов.
