Stratosfera

Dowiedz się więcej!

Procesy chemiczne z udziałem chloru i powstawanie dziury ozonowej

To przede wszystkim procesy chemiczne z udziałem chloru powodują niszczenie warstwy ozonowej. Wraz z rozpoczęciem przemysłowej produkcji chlorofluorowęglowodorów (CFC) człowiek dostarczył do atmosfery nowe źródło chloru.  Obecnie zawartość chloru w atmosferze jest sześciokrotnie większa niż to miało miejsce pierwotnie, gdy chlor pochodził tylko ze źródeł naturalnych. Ma to bardzo niekorzystne skutki dla warstwy ozonowej. Jednakże niszczenie warstwy ozonowej zachodzi w bardzo szczególnych warunkach, dlatego rzeczywiste działanie chloru jest niższe od przewidywań.

CFC – gazy nie występujące w przyrodzie

Gazy o największej zdolności do niszczenia warstwy ozonowej i największym wpływie na klimat to CFC-11 (CFCl₃), CFC-12 (CF₂Cl₂) i CFC-113 (CF₂ClCFCl₂). Obecnie, dzięki badaniom bąbelków powietrza uwięzionym w polarnym firnie, wiadomo już, że nie ma naturalnych źródeł tych związków. Jedynym istotnym naturalnym źródłem chloru jest metylochlor CH₃Cl, a okres jego przebywania w atmosferze wynosi 1,3 roku.
CFC mogą przebywać w troposferze bardzo długo, 50-100 lat, gdyż nie poddają się fotolizie ani nie wchodzą w reakcje z rodnikami OH. Docierają do stratosfery i tam ulegają fotolizie, co prowadzi do tworzenia się rodników chloru. Obecność tych rodników nie musi prowadzić do niszczenia warstwy ozonowej ponieważ zachodzą inne reakcje z ich udziałem. Aby doszło do niszczenia ozonu muszą zaistnieć pewne szczególne warunki, co pokazuje ryc. 2.

Procesy chemiczne z udziałem chloru w stratosferze - wiadomości podstawowe 
 

Jak wiele innych rodników X, chlor (Cl) jest utleniany przez ozon w stratosferze i tworzy XO (ClO)

           X + O₃                      -> XO + O₂
           O₃ + światło słoneczne -> O + O₂
           O + XO                     -> X + O₂
netto:      2 O₃                           -> 3 O₂

Ten łańcuch reakcji prowadzi do niszczenia ozonu.

Jednak rodnik X  inicjujący reakcję (tutaj Cl) niekoniecznie wraca do cyklu. Cl lub ClO mogą także zostać usunięte wskutek innych reakcji. Tlenki azotu powodują niszczenie rodników ClO , które przechodzą np. w ClONO₂ i HCl, co pokazuje niebieska ramka na rysunku.

 ClO + NO₂ + M^*   -> ClONO₂ + M^*
i
 ClO + NO            ->  Cl + NO₂
 Cl + CH₄             -> HCl + CH₃

HCl i ClONO₂ to tzw. “gatunki rezerwuarowe”, ponieważ chlor nie jest tam aktywny. Nie reagują one z ozonem. Zazwyczaj pozostają w postaci gazowej i mogą być powoli usunięte ze stratosfery. Z tego powodu w normalnych warunkach spodziewamy się tylko niewielkiego ubytku ozonu, ale “gatunki rezerwuarowe” są przenoszone z masami powietrza do niższych warstw stratosfery w obszary okołobiegunowe w okresie zimy.

Warunki powstawania dziury ozonowej nad Antarktydą

W czasie nocy polarnej temperatura spada do -80°C. W stratosferze znajduje się bardzo mała ilość pary wodnej. Zamarzając tworzy ona wraz z kwasem azotowym polarne, stratosferyczne chmury lodowe (tzw. trójhydrat kwasu azotowego; ang. nitric acid trihydrate, NAT). W tej sytuacji występuje łącznie pięć kluczowych warunków:

Pierwszy: tlenki azotu (tlenek azotu NO i dwutlenek azotu NO₂), które są katalizatorami, i które pomagają zamienić ClO na HCl  jak pokazano powyżej, zostają usunięte z gazowej fazy stratosferycznej poprzez reakcje

NO + O₃              -> NO₂ + O₂
NO₂ + NO₃ + M^*   -> N₂O₅ + M
N₂O₅ + H₂O          -> 2 HNO₃  

wskutek czego wytwarza się kwas azotowy HNO₃, który wchodzi w skład cząstek budujących polarne chmury stratosferyczne (PSC).

Drugi: na powierzchni lodowych cząstek PSC “gatunki rezerwuarowe” z nieaktywnym chlorem, czyli HCl i ClONO₂ (azotan chloru), reagują między sobą i tworzy się Cl₂ i HNO₃; ten ostatni natychmiast jest włączany w skład cząstek.

Trzeci: po zakończeniu nocy polarnej i pojawieniu się dopływu światła słonecznego, Cl₂ ulega fotolizie i tworzą się 2 rodniki  Cl . Chlor staje się znowu aktywny.

Czwarty: atomy chloru zaczynają katalityczny łańcuch reakcji, prowadzących do niszczenia ozonu tak długo jak brakuje tlenków azotu aby je usunąć.

    Cl + O₃                       -> ClO + O₂
    Cl + O₃                       -> ClO + O₂
    ClO + ClO + M           -> Cl₂O₂ + M
    Cl₂O₂ + światło słoneczne -> Cl +ClO₂ -> 2 Cl + O₂
Netto: 2 O₃  -> 3 O₂ 

Piąty: zazwyczaj związki chloru takie jak Cl, ClO i Cl₂O₂ tworzą się i gromadzą raczej w górnej stratosferze, zaś ozon raczej w dolnej stratosferze. Z tego powodu kilkadziesiąt lat temu eksperci nie spodziewali się znaczącego ubytku ozonu. Ozon i substancje go niszczące powinny wchodzić w kontakt tylko w strefach granicznych. W tym miejscu pojawia się wir okołobiegunowy: związki chloru są przenoszone do niższych warstw stratosfery przez masy powietrza przemieszczające się w dół ze środkowej do dolnej stratosfery dzięki stałemu krążeniu powietrza wokół bieguna. W ten sposób związki chloru niszczące ozon są transportowane na niższe wysokości, gdzie głównie gromadzi się ozon.

  

Wszystkie pięć warunków musi wystąpić łącznie aby utworzyła się dziura ozonowa. Z tego powodu największe ubytki ozonu pojawiają się nad Antarktydą i tylko w czasie antarktycznej wiosny (wrzesień-październik), jak tylko promieniowanie słoneczne zaczyna tam docierać po nocy polarnej. W niektórych latach mamy porównywalne warunki nad Arktyką w marcu i mała dziura ozonowa tworzy się także nad Europą Północną. W późniejszych miesiącach chmury polarne zanikają, tlenki azotu są znów dostępne, rodniki chloru zostają usunięte i warstwa ozonowa odbudowuje się.

M*: w każdej reakcji A + B -> C konieczna jest trzecia cząstka, która pochłania nadmiar energii. W przeciwnym wypadku produkt C miałby taką samą energię jak suma A + B i natychmiast nastąpiłaby reakcja odwrotna. Najczęściej M to azot z powietrza N₂.

O tej stronie:

Autor: Dr Elmar Uherek, Max Planck Insitute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: Dr Christoph Brühl, Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-08-07
Ostatnia aktualizacja: 2007-03-15
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków