|
|
|
|
|
|
|
|
|
Stratosfera
Wiadomości podstawowe |
Chlorofluorowęglowodory (CFC) i dziura ozonowa
Historia powstawania dziury ozonowej jest dobrym przykładem na to jak pozornie nieszkodliwa grupa związków chemicznych może stać się prawdziwym zagrożeniem dla życia na Ziemi, a także na to jak rządy państw, przedstawiciele sektora przemysłowego i obywatele mogą współpracować aby zbadać i rozwiązać ten problem.
|
|
|
|
|
|
Każda zmiana wywołana przez człowieka w systemie klimatycznym może zakłócić naturalną równowagę ziemskiego ekosystemu w sposób trudny do przewidzenia. Jeśli jednak społeczność międzynarodowa będzie umiała odpowiednio pokierować swoimi działaniami to globalne problemy środowiskowe będzie można rozwiązać. Freony (CFC) to tylko jedna z grup substancji, które niszczą warstwę ozonową, ale za to najważniejsza.
|
Wykorzystanie i właściwości CFC
Chlorofluorowęglowodory to związki takie jak np. CFCl3 lub CF2Cl2 (potocznie nazywane są freonami, choć to nazwa handlowa, nie chemiczna). CFC są używane w wielu procesach przemysłowych i w wielu produktach, jako substancja chłodząca, rozpuszczalnik w przemyśle elektronicznym, środek pieniący, rozpylający. Freony można znaleźć w gaśnicach, środkach do czyszczenia na sucho, środkach do usuwania tłuszczu, materiałach izolacyjnych (w tym budowlanych) i styropianie. Powodem takiej ich popularności jest to, że nie wpływają one w żaden sposób na ludzkie zdrowie. Gazy te nie wchodzą w żadne reakcje ani ze składnikami atmosfery, ani z substancjami budującymi nasze ciało. Z tego powodu czas ich trwania w atmosferze jest bardzo długi i mogą się w niej gromadzić. Szkodliwą właściwością tych gazów, której nie wzięto pod uwagę, jest to, że ulegają one fotolizie pod wpływem promieni UV dochodzących ze Słońca.
|
|
|
|
1. Wykorzystanie CFC Objaśnienia: auto air conditioners – klimatyzacja w samochodach, air conditioners and refrigerators- klimatyzacja pomieszczeń i lodówki, insulation and foam – materiały izolacyjne i styropian, industrial cleaning agents – przemysłowe środki czyszczące, other - inne Źródło: US Environmental Protection Agency (EPA)
|
|
|
|
2. Rozwój dziury ozonowej w 2001 r. Lewa część animacji pokazuje na jakiej wysokości ozon nad Antarktydą jest niszczony i jak się odradza w ciągu roku. Prawa część pokazuje towarzyszące temu zmiany temperatury z wysokością. Objaśnienia: zielona linia na lewym rysunku - zmiany zawartości ozonu (wrażonej jako ciśnienie cząstkowe ozonu w mPa) wraz z wysokością (w km) w dniu 1 stycznia 2001, zielona linia na prawym rysunku - zmiany temperatury wraz z wysokością dla poszczególnych dni, czerwona linia na prawym rysunku - zmiany temperatury wraz z wysokością w dniu 1 stycznia 2001, niebieska linia na prawym rysunku - najniższa temperatura jaka wystąpiła na poszczególnych wysokościach od 1 stycznia 2001 do danego dnia, ukazanego na animacji, total ozone (Dobson units) - całkowita zawartość ozonu w całym profilu (w dobsonach), current minimum temp. - aktualna najniższa temperatura, South Pole - biegun południowy. Proszę kliknąć aby zobaczyć rycinę w powiększeniu oraz przebieg zjawiska co 5 dni (270 K)! Animacja: NOAA Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, Boulder, Colorado
|
|
|
Przemiany CFC w stratosferze
Silne promieniowanie ultrafioletowe UV-B docierające ze Słońca jest zatrzymywane przez warstwę ozonową w stratosferze, dlatego też ta część UV, która dociera do powierzchni ziemi jest zbyt słaba aby w istotny sposób powodować niszczenie CFC. Proces ten jednak rozpoczął się z chwilą, gdy CFC stopniowo dostały się do stratosfery. Rozpad CFC prowadzi do powstawania rodników chloru i fluoru. Nie oznacza to jednak, że natychmiast następuje silne niszczenie warstwy ozonowej, gdyż związki chloru, które są główną przyczyną niszczenia warstwy ozonowej, wchodzą także w inne reakcje, zależnie od warunków pogodowych. Chociaż ozon stratosferyczny jest niszczony w różnych szerokościach geograficznych, to dziura ozonowa tworzy się tylko nad obszarami polarnymi, w szczególności nad Antarktydą i tylko wiosną. Co jest tego przyczyną?
|
Reakcje chemiczne
Ozon tworzący warstwę ozonową jest w stanie równowagi; tworzy się i jest niszczony pod wpływem promieniowania UV. Rodniki chloru (Cl) są katalizatorami, które biorąc udział w całym łańcuchu reakcji chemicznych doprowadzają do niszczenia ozonu. Są w tym bardzo wydajne ponieważ podczas tych reakcji nie ulegają zużyciu, lecz cyklicznie powracają.
|
|
|
|
3. Reakcje chloru i ozonu. Kropki oznaczają rodniki. Objaśnienia: sunlight - światło słoneczne Proszę kliknąć na rycinę aby zobaczyć ją w powiększeniu! (35 K)
|
|
Warunki pogodowe
Rozpad CFC prowadzi w kolejnych reakcjach do powstania rodników ClO , które reagują z dwutlenkiem azotu (NO2) i tworzą ClONO2. W przypadku reakcji z tlenkiem azotu (NO) i metanem tworzy się HCl, a z reakcji ClONO2 z HCl powstaje także kwas azotowy (HNO3). Nie będziemy omawiać wszystkich reakcji chemicznych szczegółowo, ale warto wiedzieć, że oba produkty (HCl i ClONO2) nie wchodzą w reakcje chemiczne z ozonem i są raczej stabilnymi związkami. Tylko w pewnych warunkach pogodowych powstają substancje, które ostatecznie niszczą warstwę ozonową. Około trzy lata intensywnych badań na brytyjskiej stacji badawczej Halley Bey na Antarktydzie, podjętych po odkryciu dziury ozonowej w 1985 r., pozwoliło zrozumieć te skomplikowane zależności.
|
|
|
4. Reakcje chemiczne zachodzące w polarnych chmurach stratosferycznych prowadzą do tworzenia się groźnych rodników chloru Cl (na czerwono). Proszę kliknąć na rycinę aby zobaczyć ją w powiększeniu (100 K)!
|
|
|
1) Jednym z czynników jest niezwykle niska temperatura panująca w stratosferze, około -80°C lub nawet mniej, nad Antarktydą, w czasie nocy polarnej. W takich warunkach kwas azotowy i woda tworzą lodowe chmury stratosferyczne, które nie są w stanie przetrwać zbyt długo przy wyższych temperaturach. Na powierzchni tych chmur lodowych HCl i ClONO2 reagują ze sobą i tworzą kwas azotowy i czysty chlor Cl2.
2) Chlor Cl2 jest stabilny, nie reaguje z ozonem, ale łatwo ulega fotolizie pod wpływem promieni słonecznych i tworzy 2 rodniki Cl , które atakują ozon (pomarańczowa strzałka na ryc. 4).
|
|
|
6. Dziura ozonowa w obszarze objętym dryfem wiatrów zachodnich nad Antarktydą 1 września 1996 r. Źródło: baza danych UKMO, opublikowane przez Brown University Proszę kliknąć na rycinę aby zobaczyć ją w powiększeniu (330 K)!
|
|
|
3) Ostatecznie cały proces nie powinien przebiegać zbyt gwałtownie i nie powinien szkodzić tej części polarnej warstwy ozonowej, w której występuje najwyższe stężenie ozonu (wysokość 14-22 km), ponieważ związek źródłowy ClO tworzy się zwykle na wyższych wysokościach. Aby ClO mogły dotrzeć do niższych warstw stratosfery musi istnieć mechanizm ich przenoszenia. Ma to miejsce tylko w tzw. wirze okołobiegunowym. Panują tu specyficzne warunki meteorologiczne związane z wielkoskalowym krążeniem powietrza wokół bieguna południowego.
Jak widzimy, warunki do tworzenia się dziury ozonowej (niskie temperatury w czasie nocy polarnej, tworzenie się chmur lodowych, wir okołobiegunowy) są tak szczególne, że proces ten prawdopodobnie nigdy nie zostałby objaśniony czy choćby przewidziany przez naukowców, gdyby nie jego rzeczywiste obserwacje.
|
Przyszłość dziury ozonowej
CFC są obecnie substancjami zabronionymi na świecie (dzięki protokołowi montrealskiemu dotyczącemu substancji niszczących ozon z 1987 wraz z późniejszymi poprawkami). Wskutek ich trwałości zajmie następne 50 lat zanim CFC dotychczas wprowadzone do atmosfery zostaną z niej usunięte a poziom zawartości ozonu stratosferycznego ustabilizuje się. Naukowcy uważają, że w roku 2000 dziura ozonowa osiągnęła swoje maksymalne rozmiary, gdyż w ciągu ostatnich kilku lat nie ulegały one znacznym zmianom. Jednakże od każdej reguły zdarzają się wyjątki. W roku 2002 wcale nie obserwowano znaczących ubytków ozonu. Powód był prosty: było zbyt ciepło i wir okołobiegunowy nie miał takiego zasięgu jak zwykle. Jeszcze raz przekonaliśmy się, że procesy atmosferyczne czasem wymykają się przewidywaniom. Natomiast w roku 2003 dziura ozonowa znowu dała o sobie znać, przyjmując poprzednie rozmiary, a nawet osiągając drugą co do wielkości notowaną wielkość.
|
|
|
|
7. Zmiany zawartości w powietrzu dwóch najważniejszych rodzajów CFC (nazywanych także FREON 11 i FREON 12). Źródło danych: Walker i in., J. Geophys. Res., 105, 14,285-14,296, 2000 [rys. w internecie]; diagram: Gian-Kasper Plattner (Univ. of Bern, UCLA)
|
|
O tej stronie:
Autor: Dr Elmar Uherek, Max Planck Insitute for Chemistry, Moguncja, Niemcy 1. Recenzent: Dr Rajendra Shende, Head Energy and Ozone Action, United Nations Environment Programme 2003-10-06 2. Recenzent: Dr John Crowley - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy 2004-05-06 Konsultacja dydaktyczna: Hendrik Förster i jego uczniowie, Gimnazjum Nordpfalz Kirchheim-Bolanden - marzec 2004 r. Ostatnia aktualizacja: 2007-03-15 Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
|
Polecane strony internetowe:
|
|
|
|