Высоко в стратосфере, примерно в 32 километрах (20 миль) над поверхностью Земли, условия как раз подходят для поддержания концентрации 8 частей на миллион озона. Это хорошо, потому что озон сильно поглощает ультрафиолетовое излучение, которое в противном случае создало бы условия, неблагоприятные для жизни на Земле. Первый шаг к пониманию важности озонового слоя - понять, насколько хорошо озон поглощает ультрафиолетовое излучение.
Озоновый слой
Озон образуется при столкновении свободного атома кислорода с молекулой кислорода. Это немного сложнее, потому что другая молекула должна быть по соседству, чтобы как бы подтолкнуть реакцию образования озона. Молекула кислорода состоит из двух атомов кислорода, а молекула озона состоит из трех атомов кислорода.
Молекулы озона поглощают ультрафиолетовое излучение, и когда они это делают, они расщепляются на двухатомную молекулу кислорода и свободный атом кислорода. Когда давление воздуха подходящее, свободный кислород быстро находит другую молекулу кислорода и образует другую молекулу озона.
На высоте, где скорость образования озона совпадает со скоростью поглощения ультрафиолета, имеется стабильный озоновый слой.
Ультрафиолетовое излучение
Ультрафиолетовое или УФ-излучение часто называют УФ-светом, потому что это форма электромагнитного излучения, лишь немного отличающаяся от видимого света. Это небольшое различие очень важно, потому что пучки ультрафиолетового света содержат больше энергии, чем видимый свет. УФ-спектр начинается там, где заканчивается видимый спектр, с длинами волн около 400 нанометров (менее 400 миллиардных долей ярда). УФ-спектр охватывает диапазон длин волн до 100 нанометров. Чем короче длина волны, тем выше энергия излучения. УФ-спектр разбит на три области: УФ-А, УФ-В и УФ-С. UV-A охватывает от 400 до 320 нм; УФ-В продолжает снижаться до 280 нанометров; UV-C содержит остаток от 280 до 100 нанометров.
УФ и материя
Взаимодействие света и материи - это обмен энергией. Например, электрон в атоме может иметь лишнюю энергию, от которой нужно избавляться. Один из способов сбросить эту дополнительную энергию - испустить крошечный пучок света, называемый фотоном. Энергия фотона соответствует дополнительной энергии, от которой избавляется электрон. Это работает и наоборот. Если энергия фотона точно соответствует энергии, необходимой электрону, фотон может передать эту энергию электрону. Если у фотона слишком много или слишком мало энергии, он не будет поглощен.
Ультрафиолетовый свет обладает большей энергией, чем радио, инфракрасный или видимый свет. Это означает, что некоторые ультрафиолетовые лучи - особенно более короткие длины волн - обладают такой большой энергией, что могут оторвать электроны от своих домашних атомов или молекул. Это процесс, называемый ионизацией, и поэтому ультрафиолетовые волны опасны: они ионизируют электроны и повреждают молекулы. Волны УФ-С являются наиболее опасными, затем идут УФ-В и, наконец, УФ-А.
Поглощение озона
Оказывается, уровни энергии электронов в молекуле озона соответствуют ультрафиолетовому спектру. Озон поглощает более 99 процентов УФ-С-лучей - наиболее опасную часть спектра. Озон поглощает около 90 процентов УФ-В-лучей, но 10 процентов, которые проходят через него, являются большим фактором, вызывающим солнечные ожоги и провоцирующим рак кожи. Озон поглощает около 50 процентов УФ-А лучей.
Эти числа зависят от плотности озона в атмосфере. Выбросы хлорфторуглеродов изменяют баланс образования и разрушения озона, склоняя его к разрушению и уменьшая плотность озона в стратосфере. НАСА объясняет, насколько серьезными были бы последствия, если бы эта тенденция сохранялась бесконечно долго: «Без озона интенсивное ультрафиолетовое излучение Солнца стерилизует поверхность Земли».