Озон та життя

Енергію молекули можно представити як суму трьох частин - електронної, коливальної та обертальної енергій. Енергетичні стани, змінюються дискретним чином. Набори енергетичних станів індивідуальні для кожної молекули. Переходи молекули з одного енергетичного стану в інший супроводжуються поглинанням або випромінюванням кванта електромагнітної енергії. Спектри, що виникають при таких переходах, залежать від молеку¬лярних сталих, молекули, що поглинає або випромінює та є своєрідною візитною карткою даної молекули. Для озону переходи між різноманітними електронними станами відбуваються при випромінюванні або поглинанні світла в видимій, ультрафіолетовій та так званій вакуумній ультрафіолетовій (нижче 2000 А) області спектра. Кожний електронний перехід супроводжується порівняно невеликими за енергіями змінами коливальних та вращательных станів молекули, через що електронно-коливально-обертальний спектр молекули представляє собю систему близько розташованих одна до одної смуг. Якщо при поглинанні світла молекула досягне збудженого стану, що має достатню енергію для того, щоб розірвати слабкий звязок в молекулі, то остання дисоціює. Для молекули озону енергія звязку (О-О2), розрив якої приводить до розпаду озону на молекулярний та атомарний кисень, складає 1,05 эВ.Наибільш важливі смуги поглинання озону лежать в діапазоні довжин хвиль 2000-3000 А (рис. ). Здатність газу поглинати випромінювання кількістно характеризується коефіцієнтом поглинання k в законі, який називають законом Беєра-Ламберта:

I(v, х)=I(v,0)10-k(v)x

де I(v, 0) - інтенсивність пучка монохроматичного світла частотою v, що приходить на вхідне вікно пристрою довжиною х, заповненого газом при даному тиску; I(v, х) - інтенсивність світла, що пройшов крізь пристрій..) Виміряна в см"' величина коефіцієнту поглинання k(v) в смугах поглинання Хартлі молекули озону розрахована за формулою та представлена на рис. 2 в вигляді залежності від довжини хвилі випромінювання, що надходить. Як і більшість інших смуг поглинання в молекулярній спектроскопії, ці смуги носять імя науковця, що відкрив їх. В максимумі поглинання k =135 см""', при товщині шару озону 0,3 см з формули (1) виходить, що відношення I(v, 0): I(v, х) буде рівно 1040! Це значить, що земний шар озону послабить сонячне випромінювання цієї довжини хвилі в 1040 разів, тобто практично поглине його повністю.

При довжинах хвиль більше 3000 А біля смуг Хартлі зявляються більш слабкі смуги Хаггінса та Шалона- Лефевра (рис. 2). Коефіцієнт поглинання в цих смугах на декілька порядків менше, ніж у смуг Хартлі. Окремі близько розташовані в цих системах смуги мають добре видимі різкі максимуми та мінімуми. В видимій частині спектру розташована на широка смуга Шаппюї, з якою повязаний синій колір озону. Сильне поглинання озону спостерігається в області вакуумного ультрафіолета (1000-2000 А). Разом з поглинанням в смугах Хартлі це поглинання приводить до обриву сонячного спектру на поверхні Землі при довжинах хвиль менше 2900 А, що дуже важливо для захисту життя на нашій планеті від короткохвильових випромінюваннь. Треб відмітити ,що величини коефіцієнтів поглинання суттєво змінюються з температурою.

Смуги, що відповідають коливально - обертальним переходам в молекулі озону, розташовані в інфрачервоній області спектру (3-15 мкм). Коефіцієнти поглинання в цих смугах змінюються в широких рамках.

Первісним процесом фотохімічної реакції є дисоціація молекули. При цьому в залежності від того в яких смугах поглинання відбулася фотодисоціація, кінцеві продукти фотореакції можуть відрізнятися між собою. При розкладенні світлом озону на молекулярний та атомарний кисень в залежності від енергії кванта, який було поглинуто (довжини хвилі поглинутого світла) атом та молекула кисню можуть бути як в основних, так і в збуджених станах.

Реакційна здатність електронно - збуджених атомів та молекул сильно відрізняється від їх реакційної здатності в основному стані Для прикладу можна розглянути як проходить фотодиссоціація при збудженні в смугах Шаппюї. При поглинанні червоного світла (~6000 А) первісний процесо завершується розкладанням озону на атом та молекулу кисню в основних станах:

Оз hv = O(3P) + O2(3E)

за яким 'йде другорядний процес взаємодії атомарного кисню з озоном.

O(3P) + O3 = 2O2

Таким чином, в результаті поглинання одного кванта света було зруйновано дві молекули озона. Одним з продуктів фоторозкладення при збудженні в смугах Хаггінса є збуджена молекула кисню: