Новости науки16.09.01. Космические лучи и озоновые дыры.

В последнее десятилетие XX века внимание не только ученых, но и широкой общественности, и правительств было привлечено к появлению так называемых "озоновых дыр". Дело в том, что падение содержания озона в стратосфере приводит к увеличению интенсивности жесткого ультафиолетового излучения у поверхности Земли, что губительно сказывается на живых организмах. Образование озоновых дыр связано с выбросом в атмосферу фреонов, поэтому было принято решение о постепенном отказе от использования фреонов в быту и в промышленности. Однако, как выясняется, наши представления о механизме формирования озоновых дыр были неполными. В работе канадских ученых показано, что это явление связано с воздействием на атмосферные процессы космических лучей.

Ранее считалось, что появление озоновых дыр связано с фотохимической диссоциацией молекул фреонов (в основном CF₂Cl₂ и CFCl₃) солнечным светом, приводящей к появлению в атмосфере атомов хлора, которые взаимодействуют с молекулами озона (O₃), разрушая их. Однако ученые из Канады обратили внимание на иную возможную причину диссоциации молекул фреонов - космические лучи, поток высокоэнергетичных (10⁶ - 10²⁰ эВ) заряженных частиц.

Интенсивность космических лучей изменяется в зависимости от широты (над полюсами она на несколько десятков процентов больше, чем на экваторе), что связано с влиянием магнитного поля Земли на заряженные частицы. Также известно, что интенсивность космических лучей меняется в пределах 11-летнего цикла солнечной активности, причем интенсивность космических лучей изменяется в противофазе с солнечной активностью. Проанализировав данные многолетних наблюдений за интенсивностью космических лучей и содержанием озона в стратосфере (в зависимости от географической широты, высоты, времени года), канадские исследователи показали [1], что существует четкая корреляция между образованием областей с пониженным содержанием озона и интенсивностью космических лучей.

В чем причина такой корреляции? При попадании в атмосферу высокоэнергетичные частицы испытывают столкновения с ядрами атомов азота и кислорода. Одним из результатов многоступенчатых процессов распада образующихся при этих взаимодействиях частиц является появление большого числа низкоэнергетичных электронов. Взаимодействие электронов с фреонами ведет к диссоциации молекул фреонов, например, по следующей схеме e^- + CF₂Cl₂ -> Cl^- + CF₂Cl, причем сечение этого процесса на 3 - 4 порядка больше, чем для фотохимической диссоциации. Ученые показали, что при низких температурах (менее 200 K) такие процессы должны достаточно интенсивно протекать для молекул фреонов, адсорбированных на поверхность частичек льда. Именно такие условия существуют в огромных приполярных массивах стратосферных (существующих на высоте 15 - 20 км) облаков в зимний период (заметим, что недавно было показано, что увеличение интенсивности космических лучей приводит к увеличению площади поверхности Земли, закрытой облаками).

Рис.1. Cхематичное изображение последовательности процессов, приводящих к образованию озоновой дыры.

Предполагаемая последовательность процессов, ведущих к обеднению озонового слоя, изображена на рис. 1. Космические лучи создают в частичках льда, содержащихся в плотных приполярных облаках (PCS), электроны, которые взаимодействуют с молекулами фреонов (CFCs), приводя к их диссоциации. В результате создается значительная концентрация ионов (и молекул) хлора. Действие солнечного света приводит к их превращению в атомы хлора, которые взаимодействуют с молекулами озона, разрушая их. Как показывают данные наблюдений, минимальная концентрация озона действительно наблюдается в приполярных областях в начале весны, когда заканчивается полярная ночь.

1. Q.-B.Lu and L.Sanche. Phys.Rev.Lett. v.87, 078501 (2001).

перейти к началу страницы