Физики из Франции, США и РФ изучат формирование и спектры озона
20 Августа 2019

Команда физиков из Франции, США, и России (Томск, ТГУ) исследует механизмы формирования и распада озона (O3), его характеристики и свойства на молекулярном уровне при взаимодействии с радиацией. Полученные результаты помогут осуществлять контроль качества озонового слоя, который участвует в формировании атмосферы и климата Земли, влияет на качество воздуха, охраняет планету от жесткого ультрафиолетового излучения.

Проект поддержан грантом РНФ, научный руководитель – Владимир Тютерев, гл. научный сотрудник лаб. квантовой механики молекул и радиационных процессов ТГУ (Томск, Россия), эмерит-профессор Реймского университета (Франция), председатель программного комитета международной конференции OZONE.

— Излучение может поглощаться или излучаться материей на уровне атомов, молекул, их агрегатов. Солнце отправляет нам ультрафиолетовое излучение, которое в малых дозах при относительно низких частотах дает нам загар, но при повышении частоты — это смертельное излучение, которое убивает все живое. Единственная молекула, которая нас защищает — это озон, если бы её не было, то биологическая жизнь на Земле была бы невозможна, — отметил Владимир Тютерев. — Эта молекула обладает рядом парадоксальных свойств: озоновый слой вверху (в стратосфере) защищает нас и является климатообразующим, но когда озон образуется в нижних слоях атмосферы, он входит в состав городского смога, токсичного для легочной системы человека, активирует соединения в крови, провоцирующие проблемы атеросклероза, создаёт экологические проблемы и т.д.

Владимир Тютерев

По словам учёного, для наиболее эффективного контроля содержания и эволюции озона в атмосфере необходимо постоянное дистанционное зондирование со спутников методами спектрального анализа. У каждого объекта есть спектр поглощения излучения, если его разложить по частоте волн, то получится чередование пиков и провалов. Для каждой молекулы и атома эти результаты индивидуальны, как отпечатки пальцев. Если их опознать и расшифровать для озона (О3), то можно дистанционно определить наличие частиц, их количество, при каких условиях они существуют, при какой температуре, как взаимодействует. Проблема в том, что спектр озона трудно точно измерить в лабораторных условиях из-за его нестабильности, поскольку за время эксперимента он может частично распадется или вступать в реакции.

– Озоновый слой — это огромные динамически изменяющиеся массы, ежедневно в атмосфере формируется и разрушается сотни миллионов тонн озона, но свойство этих масс определяет взаимодействие излучения с молекулами на квантовом микро-уровне. Наша задача – увидеть, какие «отпечатки пальцев» [спектры] у озона и понять, что позволяет контролировать процесс его образования и распада, — рассказал Владимир Тютерев.

Проблемы образования, распада и эволюции озона приоритетны для многих ведущих научных центров. Об этом свидетельствуют подписание Монреальского протокола по его глобальному контролю и Нобелевские премии за исследования озонового слоя (П. Круцен, М. Молина, Ф. Шервуд Роланд). Гипотезы по динамике озона на квантовом уровне многие годы разрабатывали группы лауреата Нобелевской премии Р. Маркуса (Калифорнийский Технологический Институт) и лауреата премии Лавуазье Р. Шинке (Институт Макса Планка, Геттинген), но ключевые вопросы, связанные с вероятностями формирования молекул, изотопическими аномалиями до сих пор не решены. Возможности прорыва связаны с новыми методами квантовой теории спектров и математическим моделирование с использованием суперкомпьютерных кластеров.

— Озон состоит из 3х атомов кислорода. Когда солнце освещает внешнюю часть нашей атмосферы, где содержится более 20% кислорода (О2), солнечное излучение разбивает двухатомный кислород на атомарный (О). Энергия ультрафиолетового излучения высвобождается в кинетическую, что приводит к их интенсивным столкновениям. При этом возможно образование озона, — пояснил Владимир Тютерев. — Атомарный кислород агрессивен и сразу вступает в реакцию, когда он сталкивается с двухатомным, чтобы образовать озон, он имеет равный выбор к какому из двух атомов прицепиться, и законы квантовой механики не могут сказать однозначно к какому. Получается ситуация, эквивалентная «ménage à trois» [прим. ред. – фр. любовь втроем]. С точки зрения электронной структуры этот атомарный кислород образует в озоне гибридные связи. То есть электрон виртуально скачет с одной связи на другую, в результате получается очень нестабильное соединение.

В рамках гранта физики планируют измерить спектры озона, определить детали его квантовой структуры в различных энергетических состояниях, его радиационные свойства в микроволновом и инфракрасном излучении, объяснить процесс формирования этой молекулы и т.д. Получение и обработка экспериментальных спектров будет проводиться в коллаборации с лабораториями Национального Центра Научных Исследований (CNRS) Франции. Квантовые расчеты будут проводиться на европейских суперкомпьютерах и на томском СКИФе.