Способ производства озона преимущественно для восстановления озонового слоя земли

 

Использование: в экологии, в космических средствах регуляции процессов в биосфере. Сущность изобретения: путем облучения воздуха на освещенной Солнцем стороне атмосферы лазерным излучением, частота которого резонансна частоте электронно-колебательного перехода молекулярного кислорода из основного состояния в метастабильное, в атмосфере стимулируют нелинейные фотохимические процессы, приводящие к более эффективному использованию солнечной радиации для образования озона. При этом лазерные системы, установленные на борту космического летательного аппарата, действуя на освещенный Солнцем воздух, приводят молекулярный кислород в возбужденное метастабильное состояние. Возбужденный кислород под действием солнечных лучей диссоциирует на атомарный. Атомарный кислород, присоединяясь к невозбужденному, формирует молекулы озона. 3 ил.

Изобретение относится к экологии и касается производства озона, преимущественно для решения проблемы восстановления защитного озонового слоя в стратосфере Земли.

Наиболее близким техническим решением из числа известных является способ производства озона, включающий воздействие на воздух оптическим (ультрафиолетовым) излучением (с длиной волны λ= 193 нм) [1] В этом способе образование озона происходит вследствие протекания следующих процессов: 1) поглощения излучения с λ 193 нм (оно попадает в континуум Шумана-Рунге 175,4 нм < λ < 200 нм) молекулярным кислородом, которое приводит к его фотодиссоциации O₂+hν_уф __→ O(³P)+O(¹D) (1) 2) присоединения атомов О(³Р) и О(¹D) к О₂ в трехчастичной реакции рекомбинации, которое приводит к образованию озона О₂ + О + М _→ О₃ + М, (2) где М любая третья частица.

Следует отметить, что в атмосфере Земли образование озона происходит под влиянием солнечной радиации по аналогичной схеме с учетом того, что под воздействием ультрафиолетовой части спектра солнечной радиации молекулярный кислород О₂( ³ Σ_g^-) диссоциирует на атомарный при поглощении излучения не только в континууме Шумана-Рунге (175,4 нм < λ < 200 нм), но и в континууме Герцберга (200 нм < λ < 242,4 нм) с образованием двух атомов О(³Р).

Недостатком указанного способа является его низкая энергетическая эффективность. Выход озона при использовании этого способа составляет примерно 30 г/кВт˙ ч. Этот способ не позволяет осуществить производство озона в значительных масштабах и не пригоден для искусственного восстановления озонового слоя в атмосфере в связи с очень большими энергетическими затратами. Так, например, для наработки 15˙10⁶ т озона в год (считается, что именно такое количество озона безвозвратно исчезает в настоящее время из озонового слоя Земли в результате антропогенного воздействия) потребуется 5˙10¹³ кВт˙ч электрической энергии в год. Такие энергетические затраты находятся за пределами возможностей современной цивилизации. Кроме того, мощное ультрафиолетовое излучение разрушает (вследствие фотодиссоциации) озон, Н₂О и другие малые составляющие атмосферы, что может привести к вредным экологическим последствиям.

Задачей изобретения является достижение технического результата, состоящего в увеличении эффективности процесса наработки озона в стратосфере и снижении отрицательных экологических последствий этого процесса.

Это достигается тем, что в способе производства озона, преимущественно для восстановления озонового слоя Земли, включающем воздействие на воздух оптическим излучением, воздух на освещенной Солнцем стороне атмосферы на высоте 25-50 км от поверхности Земли облучают лазерным излучением с частотой (ν₁), резонансной частоте электронно-колебательного перехода молекулярного кислорода из основного электронного состояния O₂( ³ Σ_g^-) V') в метастабильное состояние O₂( α¹ Δg, V'') или O₂(b^{1 3} Σ_g⁺) V''), где V' и V'' колебательные квантовые числа основного и возбужденного электронного состояний O₂, и с интенсивностью (I_ν), определяемой из соотношения I_пр>I_ν> где h постоянная Планка; L длина трассы, по которой распространяется лазерный пучок в атмосфере от его источника до дальней границы области воздействия пучка на воздух; k_ν средний по трассе коэффициент поглощения излучения с частотой ν₁;
σ_mn сечение поглощения на переходе m(e',V') _→ n(e'', V''), где eʹ≡³Σ^-_д; eʺ≡α¹Δ_д или b¹ Σ_g⁺);
τ_R время релаксации при распаде возбужденного состояния е";
H(x, a) функция Фойгта, где x=2/b_Д; a=b/b_Д;
Δ ν ν₁ ν_mn;
ν_mn частота центра линии поглощения;
b_c и b_D столкновительная и допплеровская ширина спектральной линии поглощения на полувысоте этой линии;
I_пр минимальное значение интенсивности лазерного излучения, при которой происходит пробой воздуха вдоль трассы.

На фиг. 1 представлены конструктивные средства реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 схема электронных термов молекулярного кислорода; на фиг. 3 распределение энергии в спектре излучения фотосферы Солнца.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Источник лазерного излучения 1, движущийся вместе с космической станцией по орбите 2 вокруг Земли, облучает слой атмосферы 3 таким образом, чтобы минимальная высота лазерного луча 4 от поверхности Земли 5 составляла 25 км. При этом лазерный луч направляют на освещенную Солнцем сторону по касательной к земной поверхности.

Частота излучения, посылаемого источником, резонансна частоте электронно-колебательного перехода из основного электронного состояния молекулярного кислорода O₂( ³ Σ_g^-, V') в возбужденное метастабильное состояние O₂( α¹ Δ_g V'') либо в состояние O₂(b¹ Σ_g⁺ V''). Эти переходы m(e', V') _→ n(e'', V''), где e' отвечает состоянию ³ Σ_g^-, а e'' α¹ Δ_g или b¹ Σ_g⁺ а V' и V'' соответственно колебательные квантовые числа в состояниях e' и e'' показаны на энергетической диаграмме электронных термов фиг. 2 прямыми стрелками (энергия кванта h ν₁₁ и h ν₁₂ соответственно).

В зависимости от величины V' и V'' возбуждение молекулярного кислорода из состояния O₂( ³ Σ_g^- ) в состояние O₂( α¹ Δ_g) может происходить при воздействии излучения в достаточно широком спектральном диапазоне. Так, например, возбуждение O₂ в состояние α¹ Δ_g происходит при поглощении излучения лазера на Nd-УАГ c длиной волны λ₁ 1065 нм и при поглощении излучения кислородно-йодного лазера с λ₁1300 нм. Возбуждение O₂ в состояние b¹ Σ_g⁺возможно при поглощении излучения с λ₂ 762 нм, генерируемого лазерами на молекулах интергалогенов CII, FI BrI, Br₂. Следует отметить, что лазерное излучение оказывает исключительно селективное воздействие, т.е. частоту излучения можно подобрать таким образом, чтобы возбуждалось только состояние n(e'', V'') молекулы O₂, и никакие другие молекулы, в том числе и молекулы малых компонентов стратосферы (О₃, Н₂О и др.) не возбуждались и не фотодиссоциировали. Для определенности рассмотрим случай, когда частота воздействующего излучения резонансна частоте перехода O₂(³Σ^-_д, Vʹ) (λ¹Δ_д,Vʺ). При прохождении лазерного пучка через толщу стратосферы плотность мощности пучка уменьшается в соответствии с законом Ламберта-Берра:
I I_νexp (- k_ν L) где I_ν интенсивность генерируемого лазером излучения,
L длина трассы, по которой распространяется лазерный пучок в стратосфере от его источника до дальней границы области воздействия пучка на воздух; k_ν средний по трассе коэффициент поглощения излучения: k_ν= k_ν(ζ)dζ/L, где k_ν ( ζ ) локальный коэффициент поглощения в сечении трассы с координатой Z ζ Для обеспечения эффективного возбуждения состояния O₂( α¹ Δ_g ) по всей длине трассы необходимо, чтобы скорость индуцированных воздействующим излучением переходов была больше скорости распада данного возбужденного состояния. Это достигается на длине всей трассы при выполнении условия
I_ν > Отметим, что τ_R совокупное время релаксации состояния e''; оно характеризует интегральное уменьшение заселенности состояния e'' вследствие химических реакций фотодиссоциации, столкновительной дезактивации и спонтанных переходов (заселенность N_e'' при этом меняется по закону N_e'' N_e''^o e^-t/τR где N_e^o'' заселенность состояния e'' после воздействия лазерного излучения).

С другой стороны, интенсивность воздействующего излучения не должна превышать значения, при котором происходит электрический пробой воздуха.

Таким образом, в результате взаимодействия лазерного излучения с молекулярным кислородом значительная часть его молекул в зоне действия лазерного луча будет находиться в возбужденном состоянии. Скорость фотодиссоциации из этого состояния существенно выше, чем из основного электронного состояния. Обусловлено это тем, что фотодиссоциация
O₂(α¹Δ_д)+hν_солн __→ O(³P)+O(³P) происходит под воздействием солнечного излучения с длиной волны λ 300 нм (полоса Слэнжера), интенсивность которого в спектре солнечного излучения в несколько десятков раз выше, чем интенсивность излучения с λ 250 нм, которое приводит к фотодиссоциации невозбужденного кислорода O₂( ³ Σ_g^- ) в полосе Герцберга ( распределение энергии в спектре излучения фотосферы Солнца показано на фиг. 3).

Поскольку поглощение лазерного излучения приводит к значительному увеличению концентрации возбужденных молекул O₂(α¹ Δ_g ), ясно, что скорость образования атомарного кислорода O(³P) и их концентрация при этом резко увеличатся по сравнению со случаем обычной фотодиссоциации невозбужденного O₂ при поглощении солнечного излучения в полосе Герцберга, как это имеет место в невозмущенной атмосфере. Дополнительно наработанный таким образом кислород, рекомбинируя с молекулярным кислородом, образует озон
O(³P)+O₂+M __→ O₃+M
Отметим, что эта реакция идет весьма эффективно, поскольку на высоте Н ≥ 25 км количество O₂ в 10⁹ раз больше, чем озона. Облучение слоя стратосферы лазерным излучением желательно производить на высотах H ≥ 25 км, поскольку максимум в распределении концентрации озона в атмосфере Земли приходится на Н 22-24 км, поглощение озоном солнечного излучения с λ 300 нм на высотах Н ≥ 25 км слабо изменяет функцию пропускания атмосферы и, кроме того, позволяет эффективнее смещать химическое равновесие в сторону образования озона в результате наработки дополнительного количества атомов O(³P).

В итоге положительный эффект в предлагаемом способе производства озона в стратосфере достигается за счет того, что облучение лазерным излучением относительно малой мощности воздуха приводит к более эффективному использованию энергии солнечного излучения для смещения динамического равновесия в сторону более интенсивного образования озона.

При Н > 50 км эффективность предлагаемого способа существенно снижается вследствие того, что из-за уменьшения плотности молекул О₂снижается скорость рекомбинации в реакции (2), а следовательно, и скорость образования озона при одновременном увеличении скорости фотодиссоциации О₃. Поэтому высотный диапазон воздействия целесообразно ограничить высотами Н 25-50 км.

Расчеты показывают, что производительность предлагаемого способа может достигать 3,68 кг/кВт˙ ч, что значительно больше, чем в прототипе. Кроме того, предлагаемый способ не приводит к вредным экологическим последствиям. Этот способ является наиболее экологически чистым, поскольку использует в качестве основного механизма производства озона в стратосфере фотохимические процессы, имеющие место в атмосфере Земли под воздействием солнечной радиации.

Технико-экономический эффект изобретения состоит в том, что на основе предлагаемого способа могут быть реализованы космические генераторы озона, способные производить озон в больших количествах, ликвидировать образующийся дефицит озона и поддерживать его концентрацию в атмосфере на безопасном уровне.

Формула изобретения

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ОЗОНА ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ, включающий воздействие на воздух оптическим излучением, отличающийся тем, что воздух на освещенной Солнцем стороне атмосферы на высоте 25 50 км от поверхности Земли облучают лазерным излучением с частотой резонансной частоте электронно-колебательного перехода молекулярного кислорода из основного электронного состояния O₂(³Σ^-_д, Vʹ) в метастабильное состояние O₂(α¹Δ_д,Vʺ) или O₂(b¹Σ⁺_д,Vʺ), где Vʹ и Vʺ колебательные квантовые числа основного и возбужденного электронных состояний O₂, и с интенсивностью определяемой из соотношения

где h постоянная Планка;
L длина трассы, по которой распространяется лазерный пучок в атмосфере от его источника до дальней границы области воздействия пучка на воздух;
k_ν средний по трассе коэффициент поглощения излучения с частотой n₁
σ_mn сечение поглощения на переходе m(eʹ,Vʹ) _→ n(eʺ,Vʺ) где eʹ≡³Σ^-_д ; eʺ≡α¹Δ_д или b¹Σ⁺_д
τ_R время релаксации при распаде возбужденного состояния eʺ;
Η(x,a) функция Фойгта, где
Δν = ν₁-ν_mn;
ν_mn частота центра линии поглощения;
b_с и b_д столкновительная и допплеровская ширина спектральной линии поглощения на полувысоте этой линии;
I_пр минимальное значение интенсивности лазерного излучения, при которой происходит пробой воздуха вдоль трассы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3