Глава 4. Космологические модели Вселенной

Глава 4. КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ

Уровни организации мира

 

Исходя из научных достижения последних двух веков, современная естественнонаучная картина мира может быть представлена следующим набором уровней его организации и соответствующим им частями пространства:

- Вселенной, Галактикой, Звездными системами (Мегамир);

- Планетами, Биосферой, Сообществами, Популяциями, Видами (Макромир);

- Клетками, Молекулами, Атомами, Элементарными частицами, Кварками (Микромир).

Мегамир изучают и описывают космология, астрономия и геология, биосферу, сообщества, популяции – экология, виды, организмы, клетки – биология, молекулы – химия, атомы, элементарные частицы и кварки – физика.

 

Современная космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звёздных систем, общей теории относи-тельности, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физии-ческих теорий.

Космология берёт своё начало в представлениях древних, в частности, в древнегреческой мифологии, где очень подробно и достаточно систематизи-рованно рассказывается о сотворении мира и его устройстве.. С давних времён человек старался понять, как устроен этот мир, что такое в этом мире Солнце, звёзды, планеты, как они возникли. Это из разряда тех вопросов, которые принято называть “вечными”.

Галилей, Кеплер и Ньютон создали классическую модель Вселенной, по которой она считалась бесконечной в пространстве и времени, то есть веч-ной. Всем движением и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения Пространство не играет никакой роли и является лишь вместилищем небесных тел.

Мы уже говорили о началах термодинамики и некоторых выводах из них, главный из которых: при всех превращениях в изолированной системе (Вселенной) различные виды энергии в конечном счёте переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, то есть рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звёзды погаснут, все процессы в Природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замёрзшее кладбище. Наступит “тепловая смерть Вселенной”.

На опровержение второго начала термодинамики были брошены силы всех материалистически мыслящих учёных, но все попытки объяснить этот термодинамический парадокс не увенчались успехом.

Существовали и другие неразрешимиые парадоксы, в частности, фотометри-ческий парадокс Шезо-Ольберса, (1744, 1823 г.г.), суть которого состояла том, что если во Вселенной существует бесконечное множество звезд, то не-босвод имел бы такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном.

Эти парадоксы заставили А.Эйнштейна в 1917 г. выступить с гипотезой о конечной, но безграничной Вселенной. Он предположил, что если Вселенная однородна и изотропна, то есть во всех направлениях ее свойства одинаковы, и если средняя плотность вещества выше так называемой критической плот-ности, то мировое пространство замкнуто и представляет собой четырех-мерную сферу, включающую в качестве четвертой координаты время. Для этой сферы неверна привычная геометрия Евклида – должна применяться геометрия Римана, поэтому не применимы вышеуказанные парадоксы. В результате гипотезы Эйнштейна Вселенная безгранична, но конечна. Со-гласно теории Эйнштейна, Вселенная должна была начаться из такого состо-яния, при котором плотности вещества и энергии были бесконечно велики. При этом искривление пространства-времени должно было иметь бесконечно малый радиус. Но в этом случае все известные законы физики теряют силу, и их нельзя использовать для излучения начала Вселенной.

В тексте данной книги неоднократно упоминались пространство и время. Назрела необходимость более подробно остановиться на них.

Пространство и время

 

Существование материи связано с такими двумя субстанциями, как пространство и время. Пространство характеризует структурность и протяжённость материальных объектов, определяет вид их взаимодействия. Время характеризует длительность явлений, быстроту протекания процессов, определяет их последовательность. Можно найти много формулировок времени и пространства, одни из них удачные, другие – не очень, Однако стоит дать блестящую формулировку соотношения пространства и времени

Вернадского: смерть – это отделение пространства от времени.

Пространство и время имеют объективный характер. Они неотделимы от материи, неразрывно связаны с её движением, с одной стороны, и друг с другом - с другой, обладают количественной и качественной бесконечнос-тью. К свойствам пространства относятся протяжённость, единство пре-рывности и непрерывности. Свойствами времени являются длительность, неповторяемость, необратимость.

В своей повседневной жизни и деятельности человеку постоянно прихо-дится перемещать различные материальные объекты (включая самого себя и отдельные части своего тела) в пространстве и во времени. При этом, как правило, человек сталкивается проблемами управления этими перемещени-ями.

Рассмотрим некоторые свойства пространства и времени. Опишем совре-менные представления о них

Пространство

 

Что касается пространства, в котором мы живём, то разработан целый ряд моделей Вселенной. Все они построены на основе космологического уравнения Эйнштейна, которое описывает взаимодействие составляющих материи и геометрию пространства. В него входят такие параметры, как средняя плотность вещества Вселенной, гравитационная постоянная, космологический коэффициент. От их значений существенно зависят структура мира и её изменение во времени. Некоторые из этих параметров (например, гравитационная постоянная) известны с достаточной точностью; другие (например, средняя плотность вещества Вселенной) определены пока лишь приближённо.

В 1922 году наш соотечественник А.А. Фридман показал, что мир должен либо расширяться, либо сжиматься, причём решающее значение для его поведения имеет средняя плотность вещества. Если она больше так называемой критической плотности, то мир сферичен, имеет положительную кривизну, а его геометрия не является евклидовой. Такой мир должен был быть когда-то сверхплотным и занимать очень малый объём. Затем он расширился и достиг некоторого объёма, после чего началось его убыстряющееся сжатие, сменившееся расширением. Такой мир называется пульсирующим: у него нет границ, его объём ограничен. Другими словами, он является закрытым.

Если же средняя плотность вещества Вселенной меньше критической, то от некоторого сверхплотного состояния с малым объёмом мир должен был неограниченно расшириться. Другими словами, он является открытым.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были полу-чены в 1926 году, когда американский астроном Эдвард Хаббл открыл при исследовании спектров далёких галактик (существование которых было до-казано в 1923 году тем же Хабблом) красное смещение спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра), что было истолковано как след-ствие эффекта Доплера (изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника излучения и наблюдателя по отношению друг к другу) - удаление этих галактик друг от друга со скоростью, которая возрастает с расстоянием.

По последним измерениям, это увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек^*). После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.

Для наглядности можно добавить, что световой год— расстояние, в 60 тысяч раз превышающее расстояние от Земли до Солнца. Поскольку свет

^*) парсек или 1 световой год — это расстояние, которое про-ходит свет за год при скорости 300 ты­сяч км/с, то есть это 9,4065-10¹² км (9,4 триллиона лет).

 

проходит от Солнца до Земли за 8 минут, то это значит, что когда нас будит утром первый солнечный луч, Солнце уже 8 ми­нут, как взошло.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения всего пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении про-странства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыль-ного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения.

Дальнейшее развитие модель расширяющейся Вселенной получила в послевоенные годы и особенно в последние десятилетия благодаря исследо-ваниям известных отечественных космологов Зельдовича и Новикова.

Какое же будущее ждёт нашу Вселенную? Расчёты Фридмана допускали три варианта развития событий.

1) Вселенная может существовать в течение бесконечно долгого времени в прошлом и будущем.

2) Вселенная может иметь начало и конец.

3) Вселенная может периодически меняться во времени.

 

По какому из них идёт эволюция Вселенной, зависит от отношения гравита-ционной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества. Если кинетическая энергия разлёта вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлёту, то силы тяготения не остановят раз-бегания галактик и расширение Вселенной носит необратмый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют “открытой Вселенной”. Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнётся сжатие

вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объём с бесконечно большой плотностью). Для наблюдателя сиг-

налом перехода от расширения к сжатию станет смена красного смещения линий химических элементов в спектрах удалённых галактик на фиолетовое смещение. Такой вариант модели назван “закрытой Вселенной”. В случае, когда силы гравитации точно равны кинетическим силам, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит

состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Возникает естественный вопрос: какой из трёх вариантов реализуется в нашей Вселенной? Ответ на него остаётся за наблюдательной астрономией, которая должна оценить современную среднюю плотность вещества во Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла (скорость расширения галактик). Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что она не мень-ше 10 миллиардов и не больше 19 миллиардов лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 миллиар-дов лет.

Элементарные частицы

В XX в. открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены закономерности их взаимодействия.

Элементарные частицы – это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. К ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, которые возникают при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения. К наиболее известным элементарным частицам относятся электрон, фотон, протон, нейтрон, нейтрино. В строгом смысле слова эле-ментарные частицы не должны содержать в себе какие-либо другие час-тицы.

Характеристиками элементарных частиц являются, кроме массы покоя, электрического заряда, спина, также такие специфические характеристики (квантовые числа), как барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т.п. Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся по своим свойствам и характеру взаимодействия. Принято делить их на два больших класса:

Фермионы (в честь Э. Ферми) (спин равен ½) составляют вещество, бозоны (в честь Шатьендраната Бозе) (спин равен 1) переносят взаимодействие. В состав фермионов входят кварки, адроны (< греч. сильный), состоящие из кварков, л ептоны (< греч. легкий). А дроны – протоны, нейтроны, гипероны, мезоны (из них состоят ядра), Лептоны (электроны, нейтрино, мюоны) могут иметь электрический заряд, могут быть нейтральными. Заряженные лептоны могут, как и электроны вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда, могут проходить беспрепятственно через вещество (хоть через всю Землю) не взаимодействуя с ним. У каждой частицы есть античастица, отличающаяся только зарядом.

После установления сложной структуры многих элементарных частиц было введено понятие фундаментальных частиц, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц. К фундаментальным частицам относятся фермионы (кварки и лептоны) и бозоны.

Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов. Фотон, или квант света переносит электромагнитное взаимодействие. Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц.

Немецкий физик П. Дирак предсказал в 1936 г. существова­ние античастиц с той же массой, что и частицы, но зарядом про­тивоположного знака. На ускорителях высоких энергий уже по­лучены позитроны (античастицы электронов) и антипротоны. При столкновении частица и античастица аннигилируют с вы­делением фотонов — безмассовых частиц света (вещество пере­ходит в излучение). В результате взаимодействия фотонов могут рождаться пары «частица — античастица».

Открытие все большего количества элементарных частиц подтвердило взаимопревращение вещества и энергии. Понятия «химический элемент» и «элементарная частица» свидетельствуют, что и то, и другое когда-то предполагалось простым и бесструктурным. Затем ученые перестали употреб­лять для каждого нового уровня одно и то же слово «элемент» (неделимый) и для следующего уровня взяли ничего конкретно не значащее слово из романа Джойса — «кварк».

Теоретически предсказанные кварки, главной особенностью которых является дробный заряд, были затем экспериментально найдены. По сообщениям американских ученых, в 1994 г. обнару­жен последний из шести разновидностей, самый тяжелый кварк.

 

 

Сильное взаимодействие

 

Основная функция сильного взаимодействия - соединять кварки и антикварки в адроны.

Сильные взаимодействия происходят между адронами (от греч. «адрос» — сильный), к которым относятся барионы (греч.«барис» — тяжелый): нуклоны (протоны и нейтроны), ги­пероны и мезоны. Сильные взаимодействия возможны только на малых расстояниях (радиус примерно 10^-13 см.).

Одно из проявлений сильных взаимодействий — ядерные силы. Сильные взаимодействия открыты Э. Резерфордом в 1911г. одновременно с открытием атомного ядра (этими силами объясняется рассеяние а-частиц, проходящих сквозь вещество). Согласно гипотезе Юкавы (1935 г.) сильные взаимодействия со­стоят в испускании промежуточной частицы — переносчика ядер­ных сил. Это р-мезон, обнаруженный в 1947 г., с массой в 6 раз меньше массы нуклона, и найденные позже другие мезоны. Ну­клоны окружены «облаками» мезонов.

Нуклоны могут приходить в возбужденные состояния — барионные резонансы — и обмениваться при этом иными частица­ми. При столкновении барионов их облака перекрываются и «возбуждаются», испуская частицы в направлении разлетающих­ся облаков. Из центральной области столкновения могут испус­каться в различных направлениях более медленные вторичные частицы. Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.

 

Слабые взаимодействия

Слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравии-тационного. Радиус действия на два порядка ко­роче радиуса сильного взаимо-действия. За счет слабого взаимо­действия светит Солнце (протон превращается в нейтрон, пози­трон и нейтрино). Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью - оно проходит сквозь железную плиту толщиной миллиард км. При слабых взаимодействиях ме­няется заряд частиц. Слабое взаимодействие представляет собой неконтактное взаимодействие - оно осуществляется путем обмена промежу­точными тяжелыми частицами - бозонами, аналогичными фо­тону. Бозон виртуален и нестабилен.

 

 

РОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ

 

Вопрос о возникновении Вселенной для многих поколений учёных был предметом их научного поиска. В истории науки существовало множество гипотез, отвечающих на этот вопрос. Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва.

Примерно 15 миллиардов лет отделяет нашу эпоху от начала процесса расширения Вселенной, когда вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек, в миллиарды раз меньший булавочной головки. Если верить математическим расчётам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а её плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью - точечный объём с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Более того, нет уверенности, что наука когда-либо познает и объяснит такие состояния. Так что если сингулярность и является начальным простейшим состоянием нашей расширяющейся Вселенной, то наука не располагает о нём информацией. Однако такие неинформативные модели Вселенной не представляют интереса для нас. Лучше, пожалуй, воспользовавшись принципом "экономии", который называется принципом "бритвы Оккама", взять и вырезать все положения теории, которые не поддаются наблюдению ^х.

Если считать, что начальная стадия расширения Вселенной является областью, в которой господствуют квантовые процессы, то они должны подчиняться принципу неопределённости Гейзенберга, согласно которому вещество невозможно стянуть в одну точку. Тогда получается, что никакой сингулярности в прошлом не было и вещество в начальном состоянии имело определённую форму и размеры. По некоторым подсчётам, если всё вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 10⁶¹ г, сжать до плотности 10⁹⁴ г/м³, оно заняло бы объём около 10^-33 см³. Его нельзя было бы разглядеть и в электронный микроскоп.

Итак, очевидно, что исходное состояние перед “началом” не является точкой в математическом смысле, оно обладает свойствами, выходящими за рамки научных представлений сегодняшнего дня. Не вызывает сомнения, что исходное состояние было неустойчивым, породившим взрыв, скачко-образный переход к расширяющейся Вселенной. Это, очевидно, было самое простое состояние из всех, реализовавшихся позднее вплоть до наших дней. В нём было нарушено всё, что нам привычно: формы материи, законы, управляющие их поведением, пространственно-временной континуум. Такое состояние можно назвать хаосом, из которого в последующем развитии системы шаг за шагом формировался порядок.

Хаос оказался неустойчивым, это послужило исходным толчком для последующего развития Вселенной. В этом состоянии вещества в нём могут

возникать сильнейшие напряжения, отрицательное давление, которое равносильно гравитационному отталкиванию такой величины, которое и вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной - большой взрыв. Это и было первотолчком, “началом”.

С началом стремительного расширения Вселенной возникают время и пространство. По разным оценкам период “раздувания” занимает не-вообразимо малый промежуток времени - до 10^-33 с после “начала”. Он на-зывается инфляционным периодом. За это время Вселенная успевает раздуться до гигантского “пузыря”, радиус которого на несколько порядков превышает радиус современной нам Вселенной, но там практически отсутствуют частицы вещества. Это ещё не то расширение, о котором мы говорили, а предпосылка к нему. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключёнными в “ложном” вакууме. Когда это состояние вакуума распалось, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно

^х Суть этого принципа, выдвинутого английским философ У. Оккамом (1285-1349), заключается в том, что понятия, не поддающиеся проверке в опыте, должны быть удалены из науки.

нагрело Вселенную до 10²⁷ К. С этого момента Вселенная развивалась со-гласно стандартной теории горячего Большого взрыва.

 

Земной шар и геосферы

 

О шаровидности Земли первыми сделали вывод пифагорейцы - спод-вижники и последователи великого Пифагора (V век до н. э.), а доказатель-ство этому первым нашёл Аристотель (IV век до н. э.), обратив внимание на то, что тень от Земли, падающая на полную Луну, имеет круглую форму, хотя во время затмений Земля бывает повёрнута к Луне разными сторонами.

Размеры земного шара довольно точно первым установил древнегре-ческий математик, астроном и географ Эратосфен Киренский (III век до н. э). Он жил в Египте, в Александрии.

Средний радиус земного шара равен примерно 6278 км (по современным измерениям - 6371 км).

Для решения геодезических и картографических задач в нашей стране и ряде других стран с 1946 года за математическую модель Земли принят так называемый эллипсоид относимости, или эллипсоид Красовского (по фамилии российского учёного, руководившего соответствующими изме-рительными работами). Эллипсоид как геометрическое тело представляет собой шар, сплюснутый (сжатый) у полюсов.

Экваториальный радиус Земли равен 6375,75 км, северный полярный ра-диус - 6355,39 км, южный полярный радиус - 6355,36 км.

Шарообразность Земли, расположение на ней основных масс твёрдого, жидкого и газообразного веществ, а также многие её физико-химические свойства позволили для удобства исследования выделить внутри Земли и вокруг неё ряд концентрических оболочек различной плотности и химического состава.

В настоящее время в направлении от периферии к центру Земли раз-личают магнитосферу, атмосферу, гидросферу, земную кору, мантию Зе-мли и её ядро. Нижнюю часть атмосферы (тропосферу) и верхнюю часть земной коры, населённые организмами, объединяют под названием би-осферы.

Земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера, а также биосфера описаны подробно. Что касается мантии и ядра, то они исследованы в настоящее время, по понятным причинам, недостаточно.

Атмосфера Земли. Атмосфера Земли представляет собой газовое образо-вание, которое окутывает нашу планету сплошной оболочкой. Верхняя граница атмосферы лежит на высоте более 2000 км. Граница эта выражена нечётко, так как с высотой газы разрежаются и переходят в мировое пространство постепенно.

Атмосфера сохраняет тепло солнечных лучей, защищает животный и растительный мир от вредного воздействия ультрафиолетовых солнечных и космических лучей. Космические частицы при прохождении через атмосферу рассеиваются, и лишь их ничтожная часть достигает поверхности Земли. Без атмосферы солнечные лучи раскаляли бы освещённую сторону Земли, на неосвещённой был бы ледяной холод, а наша планета была бы такой же безжизненной, как Луна.

Атмосфера Земли образована смесью газов, влаги и частиц пыли. Сухой воздух вблизи поверхности Земли содержит 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю всех остальных газов вместе взятых приходится всего лишь 0,01%. К этим газам относятся водород, гелий, криптон, ксенон, радон, закиси азота, йод, водяной пар, озон, метан и другие.

Влага попадает в атмосферу вследствие испарений с поверхности Земли. Около 90% её сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое.

Хотя атмосфера простирается вверх на многие сотни километров, ос-новная масса воздуха сосредоточена в довольно тонком слое. Половина массы атмосферы находится между уровнем моря и высотой 5-6 км Иначе говоря, плотность воздуха с высотой быстро уменьшается: на уровне моря она составляет 1,033 кг/куб.м, на высоте 12 км - 0,319 кг/куб.м, на высоте 40 км - всего 0,004 кг/куб.м.

Вследствие притяжения Земли частицы атмосферы оказывают на всё, что находится на поверхности Земли, соответствующее давление. В частности, тело взрослого человека испытывает давление в 12-15 тыс кг. Однако этого давления человек не ощущает: внешнее давление атмосферы уравно-вешивается внутренним давлением воздуха в теле человека. Жизнь на Земле приспособлена именно к этому давлению. Но при подъёме на большие высоты самочувствие человека ухудшается как из-за недостатка кислорода, так и из-за пониженного атмосферного давления.

В атмосфере выделяют несколько сфер с различными физическими свой-ствами. К числу этих сфер относятся: тропосфера, стратофера, мезосфера, термосфера (или ионосфера), экзосфера.

Тропосфера простирается от поверхности Земли до высоты 8-12 км в умеренных и высоких широтах и до 16-17 км- в тропической и экватори-альной зонах.

В тропосфере находится почти весь водяной пар. Поэтому только в тропосфере возникают облака и выпадают дожди, снег, крупа и град, наблюдаются грозы, ливни, метели, гололёд и т. д.

Характерная особенность тропосферы - понижение температуры в среднем на 6 ⁰С по Цельсию на каждый километр высоты.

Над тропосферой находится стратосфера. Её нижняя граница распо-ложена на высотах 8-17 км, а верхняя - 50-55 км. Выше стратосферы до высот порядка 80 км находится мезосфера. В ней температура с высотой падает и у верхней границы достигает -80 ⁰С. Здесь иногда (чаще летом) возникают тонкие облака. Так как при освещении Солнцем из-за горизонта эти облака блестят, их называют серебристыми.

Между высотами 80 км и 800 км располагается термосфера. На высоте около 100 км температура переходит через 0 ⁰С, в слое 150-200 км она доходит до 500 ⁰С, а на высотах 500-600 км превышает 1500 ⁰С. По данным, полученным с космических летальных аппаратов, в верхней термосфере температура достигает почти 2000⁰С и в течение суток значительно колеблется. Эти колебания достигают +100 ⁰С. В термосфере на температуру существенное влияние оказывает радиация Солнца.

В термосфере газы находятся большей частью в атомарном состоянии. Учитывая способность газов термосферы ионизироваться, её называют также ионосферой.

При большой концентрации ионов газы становятся электропроводными. Заряженные частицы солнечного излучения - корпускулы - под влиянием магнитного поля Земли отклоняются в сторону высоких широт. Войдя в атмосферу, корпускулы усиливают ионизацию газов настолько, что начинается свечение газов. Так возникают полярные сияния - красивые многокрасочные полосы, дуги, занавеси, загорающиеся в ночном небе, преимущественно в высоких широтах Земли.

Экзосфера - самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы. Предположительно температура газов в ней достигает 2000 ⁰С.

В конце 1950 годов внимание учёных привлёк к себе слой атмосферы, содержащий одну из модификаций кислорода – озон О₃. Этот газ имеет синий цвет и резкий запах. Он образуется из обычного кислорода при электрических разрядах (например, во время грозы) или под действием ультрафиолетового излучения (например, в стратосфере под действием ультрафиолетового излучения Солнца).

УФ излучение Солнца по-разному влияет на живые организмы. В диапазоне длин волн от 0,4 до 0,32 мкм его негативное влияние на живые организмы незначительно. УФ излучение с длиной волны в диапазоне 0,32-0,28 мкм вызывает загар и оказывает тонизирующее действие на организм человека при малых дозах облучения; ожоги и разрушение нуклеиновых кислот – при больших дозах. УФ излучение < 0,28 мкм обладает сильным бактерицидным воздействием и может привести к злокачественным новообразованиям на участках кожи человека, заболеваниям глаз и ослаблению иммунной системы. Такое УФ излучение нарушает фотосинтез растений, поражает планктон, губительно влияет на животных.

Разрушение молекул кислорода О₂ фотонами УФ излучения сопровож-дается образованием атомарного кислорода О, который, взаимодействуя с О₂, образует О₃:

О₂ → 2 О^•

О₂ + О^• →О₃

Одновременно с образованием озона идёт его непрерывное разрушение как под действием фотонов УФ и видимого излучения Солнца, так и по реакции

О₃ + О^• → 2О₂

 

Б о льшая часть озона, находящегося в атмосфере, расположена на высотах от 10 км до 50 км с максимумом концентрации на высотах 20-25 км.

Наиболее устойчив озоновый слой в зоне тропиков, где Солнце обеспечивает постоянное и интенсивное УФ излучение, а наименее устойчив - у полюсов.

Молекулы О₃ интенсивно поглощают УФ излучение Солнца в диапазоне длин волн около 0,25 мкм, слабо при 0,4 мкм и вновь интенсивно при 0,6 мкм. Поэтому озоновый слой можно рассматривать как защитный экран для живых организмов на Земле от потоков УФ излучения Солнца. Наибольший защит-ный эффект достигается в диапазоне длин волн менее 0,32 мкм.

Таким образом, озоносфера практически полностью принимает на себя, то есть поглощает, опасное для всего живого жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря этому слою оно не доходит до поверхности Земли, и поэтому на нашей планете вот уже сотни миллионов лет существуют условия, благоприятные для развития жизни.

Было установлено, что местами озоновый слой уменьшается и его толщина приближается к предельной величине, при которой защитные функции озоносферы могут перестать выполняться. В научный обиход были введены такие термины, как озоновые “дыры” и мини-”дыры”.

Например, озоновая “дыра”, сравнимая по своим размерам с территорией США, возникла над Антарктидой в 1980-х годах.

Имеются две гипотезы истощения озонового слоя Земли. Первая связывает убыль озона в атмосфере с естественными процессами, вторая - с антропогенным воздействием на земную атмосферу.

Гипотеза естественного разрушения озона основывается на том, что динамические процессы, существующие в атмосфере, вызывают перера-спределение озона: восходящие потоки воздуха вытесняют озон из нижних слоёв вверх, а затем горизонтальными меридиональными движениями он распространяется по всей атмосфере. При этом над районами с интеенсивными восходящими движениями общее содержание озона заметно падает.

Гипотеза антропогенного разрушения озонового слоя базируется на химическом воздействии на него.

В 1971 году профессор Г. Джонстон (США) прогнозировал существенное поступление оксидов азота в озоновый слой от двигателей сверхзвуковых самолётов. При значительном числе полётов (около 500 полётов в сутки) выбросы оксидов азота NO и NO₂ из двигателей самолётов могли бы ускорить разрушение озона и существенно снизить его концентрацию. Исследования показали, что воздействие выбросов высотной авиации, даже при 500 полетах в сутки в течение 4-6 часов, на озоновый слой будут незначительными, а уменьшение содержания озона составит лишь доли процента.

Однако ещё до завершения исследовательской программы, в 1974 году, химики М. Молина и Ф. Роуленд (США) указали на иной путь разрушительного воздействия на озоновый слой – поступление в него газов – фреонов, содержащих галогены (хлор, фтор, бром и йод). Производство и использование этих газов в период с 1956 по 1975 год резко возросло (фреона-11 – в 5 раз, фреона-12 – в 20 раз) и, соответственно, увеличился их выброс в атмосферу.

В тропосфере фреоны, переходящие из жидкого состояния в газообразное при комнатной температуре, практически инертны. Однако, попадая в озоновый слой, они разлагаются под действием фотонов УФ излучения Солнца с длиной волны менее 0,25 мкм.. При разложении фреонов (фреон-11 – CFCl₃, фреон-12 – CF₂Cl₂) и других газов, например, четырёххлористого углерода – CCl₄, выделяются радикалы Cl• и СlO•, которые разрушают озоновый слой. Реакции разрушения озона в этом случае имеют вид:

О₃ + Cl• = ClО,

О + ClО = Cl• + О₂.

Эти реакции реализуются не только в озоновом слое, но и в тропосфере. Они носят цепной характер, приводя к разрушению 10 молекул озона одной молекулой NО_x и к разрушению 100000 молекул озона при воздействии хлора или его соединений.

Источниками поступления фреонов в атмосферу являются технологии, основанные на их применении (обезжиривание, получение пористых сред и т. п.); свалки холодильников, кондиционеров, автомобилей; применение баллончиков для распыления различных веществ.

Значительные массы озоноразрушающих веществ в озоновый слой поступают с выхлопными газами ракет, работающих на твёрдом топливе. Так при работе I ступени ракетной системы корабля «Шаттл» в атмосферу выбрасывается около 187 тонн соединений хлора и около 7 тонн соединений азота, что может привести к разрушению 10 миллионов тонн озона (0,3% от общего запаса озона в атмосфере).

 

Защита озонового слоя. В 1978 году США и Скандинавские страны под давлением общественности запретили использование фреонов в аэрозольных баллонах.

Весной 1985 года была принята Венская конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 г. Монреальский Протокол к Конвенции, в которых провозгла-шалась общая цель: сохранение озонового слоя и консультации по пред-отвращению действий, наносящих ему ущерб. Страны, подписавшие Протокол, обязались в 2000 году полностью прекратить производство фреонов. Лондонский Протокол ввёл также ограничения на производство и использование таких газов, как метилхлороформ CH₃CCl₃ и CCl₄.

В России продолжают выпускать фреоны 111, 112 и 113 на 7 предприя-тиях, в том числе в Кирово-Чепецке, на Пермском и Алтайском комбинатах. В США выпуск таких фреонов прекращён.

 

Современное состояние озонового слоя. В настоящее время ограничения Монреальского и Лондонского Протоколов вступили в полную силу, воздействие фреонов на озоновый слой должно было резко уменьшиться, однако общая оценка техногенного влияния на озоновый слой показывает, что в ближайшие годы будет продолжаться его непрерывное истощение:

 

Год 1973 2000 2050

Потери концентрации озона в атмосфере, % 0,5-1 3-4 10