Ученые Томска и Франции раскрыли 20-летнюю тайну кислорода и озона

Более 20 лет физики пытались найти объяснения экспериментальным измерениям, не согласующимся с теоретическими моделями образования молекул озона

Фото с сайта pixabay.com

Доцент ФФ ТГУ Роман Кочанов и научный руководитель лаборатории КВАМЕР ТГУ, профессор Владимир Тютерев в кооперации с учеными Национального центра научных исследований Франции (CNRS) совершили прорыв в понимании квантовых механизмов превращений легких и тяжелых изотопов кислорода в процессе образования молекул озона при высоких энергиях.

Более 20 лет физики всего мира пытались найти объяснения экспериментальным измерениям, не согласующимся с теоретическими моделями образования молекул озона.

Результаты нового исследования дают возможность лучше прогнозировать процессы формирования озона, который в зависимости от высоты слоев в атмосфере может либо защищать биосферу Земли, либо создавать экологические проблемы.

Статья с итогами исследований опубликована в журнале The Journal Physical Chemistry Letters (IF=9.5). CNRS включил эту публикацию в число значительных научных достижений.

– Теория впервые позволила объяснить скорости реакций изотопического обмена в зависимости от температуры в полном согласии с экспериментом, – комментирует один из авторов Роман Кочанов. – Реакции обменов легких и тяжелых изотопов кислорода 16О и 18О играют ключевую роль в глобальном процессе формирования озона, но все попытки их теоретического моделирования приводили к качественным разногласиям с экспериментами – либо в температурной зависимости, либо в абсолютных значениях. Этот результат имеет фундаментальное значение в понимании процесса обогащения озона тяжелыми изотопами в стратосфере.

Полученный физиками результат основан на точном квантовом расчете молекулярной динамики процесса, в котором атомы проходят через метастабильные резонансные состояния озона с последующим его распадом.

Ключ к пониманию был найден благодаря новой поверхности потенциальной энергии молекулы озона, ранее построенной российскими авторами на основе оригинальных исследований молекулярной электронной структуры.

Ранее считалось, что поверхность потенциальной энергии озона имеет ярко выраженный барьер («рифовую структуру») на траектории распада (диссоциации) молекулы. Современные суперкомпьютерные расчеты выявили отсутствие этого барьера, что позволило получить точное согласование для скоростей реакции с экспериментом.

Измерения атмосферного распределения озона и его долгосрочных изменений является критически важным шагом в понимании взаимосвязи вариативности озона и изменения климата. Этот газ является интенсивным поглотителем излучения в микроволновом и инфракрасном диапазонах.

По сути, он третий по важности в списке потенциальных парниковых газов. Было обнаружено, что в некоторых географических областях тропосферный озон может иметь радиационный потенциал парникового эффекта локально выше, чем углекислый газ.

Озон является важной составляющей земной атмосферы и играет первостепенную роль в атмосферной физике. Несмотря на сравнительно малую концентрацию, он важен в процессах, оказывающих влияние на химический состав атмосферы, качество воздуха и климат.

В тропосфере – наиболее близком к земной поверхности атмосферном слое – озон является высокотоксичной компонентой смога, разрушительной для лёгочных тканей, сердечнососудистой системы и флоры. С другой стороны, озоновый слой вверху – в стратосфере – является единственным защитником биологической жизни и экологических систем на Земле от жесткого солнечного ультрафиолетового излучения.