Доцент физического факультета Томского государственного университета Роман Кочанов и научный руководитель лаборатории КВАМЕР ТГУ, профессор Владимир Тютерев совместно с учеными Национального центра научных исследований Франции (CNRS) достигли прорыва в понимании квантовых механизмов превращения легких и тяжелых изотопов кислорода при образовании молекул озона в условиях высоких энергий.
Более двух десятилетий физики по всему миру искали объяснение экспериментальным данным, которые не соответствовали теоретическим моделям образования озона. Новые результаты открывают возможность для более точного прогнозирования процессов формирования озона. Этот газ, в зависимости от высоты расположения слоев в атмосфере, может как защищать земную биосферу, так и создавать экологические проблемы.
CNRS признал данную публикацию одним из значительных научных достижений.
Ключ к пониманию изотопов озона
"Теория впервые позволила объяснить скорости реакций изотопического обмена в зависимости от температуры, полностью согласуясь с экспериментом", — комментирует Роман Кочанов. "Реакции обмена легких и тяжелых изотопов кислорода 16О и 18О играют ключевую роль в глобальном процессе образования озона. Однако все предыдущие попытки их теоретического моделирования приводили к качественным расхождениям с экспериментами либо в температурной зависимости, либо в абсолютных значениях. Наш результат имеет фундаментальное значение для понимания процесса обогащения озона тяжелыми изотопами в стратосфере".
Точные расчеты и новая энергетическая поверхность
Полученный результат основан на точном квантовом расчете молекулярной динамики процесса. В нем атомы проходят через метастабильные резонансные состояния озона с последующим его распадом. Ключ к пониманию был найден благодаря новой поверхности потенциальной энергии молекулы озона. Эта поверхность была ранее построена российскими учеными на основе оригинальных исследований молекулярной электронной структуры.
Опровержение устоявшихся представлений
Ранее считалось, что поверхность потенциальной энергии озона имеет ярко выраженный барьер ("рифовую структуру") на пути распада (диссоциации) молекулы. Современные суперкомпьютерные расчеты доказали отсутствие этого барьера. Это открытие позволило достичь точного соответствия расчетных скоростей реакции экспериментальным данным.
Значение озона для климата и атмосферы
Измерения распределения озона в атмосфере и его долгосрочных изменений критически важны для понимания связи между колебаниями озона и изменением климата. Этот газ является мощным поглотителем излучения в микроволновом и инфракрасном диапазонах. Фактически, он занимает третье место по значимости среди потенциальных парниковых газов. Обнаружено, что в некоторых регионах тропосферный озон может локально обладать большим радиационным потенциалом парникового эффекта, чем углекислый газ.
Двойственная роль атмосферного озона
Озон — важнейший компонент земной атмосферы, играющий первостепенную роль в атмосферной физике. Несмотря на относительно низкую концентрацию, он критически важен для процессов, влияющих на химический состав атмосферы, качество воздуха и климат. В тропосфере, ближайшем к поверхности слое атмосферы, озон является высокотоксичной составляющей смога, разрушительной для легких, сердечнососудистой системы и растений. В то же время, озоновый слой в стратосфере служит единственным защитником биологической жизни и экосистем Земли от жесткого солнечного ультрафиолетового излучения.
Источник: scientificrussia.ru