Ozon jest to jedna z dwu odmian alotropowych tlenu. „Zwykły” tlen stanowi w atmosferze ziemskiej około 21% objętościowych i ma postać cząsteczek dwuatomowych O2. Ozon, względnie rzadko występujący, to druga odmiana tlenu o wzorze O3-3 cząsteczki ozonu przypadają na 10 mln. cząsteczek gazów wchodzących w skład powietrza.
Około 90%ozonu znajduje się w atmosferze, położonej na wysokości od około 10 do 50 km nad powierzchnią Ziemi. Ten stratosferyczny ozon znany jest pod nazwą „warstwy ozonowej”.
W stratosferze, w wyniku oddziaływania promieniowania słonecznego w paśmie ultrafioletu, czyli fali o długości 280-320 nm cząsteczka tlenu O2 zostaje rozbita na dwa atomy tlenu O. Ten atomowy O jest bardzo aktywny chemicznie i reaguje z tlenem cząsteczkowy O2 tworząc ozon O3.Reakcja tworzenia ozonu w stratosferze przedstawiona jest na poniższym schemacie :
UV-B
O2 O+O
O2+ O O3
Pozostała ilość ozonu znajduje się w dolnej warstwie atmosfery , zwanej troposferą , rozciągającej się od powierzchni Ziemi do wysokości około 10 km.
Jaką rolę pełni ozon w każdej z warstw ?
Ozon w obu warstwach ma tę samą postać chemiczną ,ale mimo to w każdej z nich wywiera zupełnie inny wpływ na człowieka i organizmy żywe występujące na Ziemi.
Ozon stratosferyczny ,czyli tzw. Warstwa ozonowa ,pełni niezwykle pożyteczną rolę dzięki temu ,że absorbuje dużą część ultrafioletowego promieniowania słonecznego z zakresu UV-B .Oddziaływanie promieniowania UV-B na ozon przedstawione jest na poniższym schemacie :
UV-B
O3 O2 + O
O3 + O O2+O2
Fotochemiczne procesy powstawania i rozpadu ozonu są w rzeczywistości bardziej skomplikowane i przebiegają przy udziale atomów wodoru i azotu.
W normalnych warunkach atmosferycznych istnieje równowaga pomiędzy procesami tworzenia i destrukcji ozonu
Od lat siedemdziesiątych XX wieku obserwuje się stopniowe ubożenie warstwy ozonowej w skali globalnej, znacznie nasilające się w ostatnich latach. Powoduje to zwiększenie natężenia promieniowania UV-B docierającego do powierzchni Ziemi. Przedstawiono to na rysunku 2.
Udowodnienie , że nadmiar promieniowania UV-B, docierającego do powierzchni Ziemi na skutek zmniejszenia się w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych XX wieku zawartości ozonu stratosferycznego, powoduje zwiększenie zachorowalności na raka skóry , osłabienie układu immunologicznego i uszkodzenie oczu u człowieka oraz zaburzenia w rozwoju organizmów roślinnych i zwierzęcych .
Ozon w troposferze , jeżeli występuje w nadmiarze, stwarza innego rodzaju poważne zagrożenia . Jest on bardzo aktywny chemicznie , silnie reaguje z wieloma innymi związkami chemicznymi .Jego nadmiar w warstwie powietrza w, której żyjemy i którą oddychamy, jest groźnym dla człowieka i innych organizmów żywych .Powoduje uszkodzenia układu oddechowego człowieka i zwierząt oraz tkanek organizmów roślinnych , co może prowadzić do degradacji lasów.
Co jest powodem zanikania warstwy ozonowej?
Na podstawie skoordynowanych międzynarodowych badań , prowadzonych przez ostatnie 20 lat , udowodniono , że główną przyczyną niszczenia warstwy ozonowej są niektóre związki chemiczne produkowane przez człowieka i emitowane do atmosfery . Są to węglowodory , które w swoich cząsteczkach mogą zawierać atomy chlorowców , takich jak :chlor, brom i fluor . Wyróżnia się kilka grup tych związków:
CFCs (skrót od ang. chlorofluorocarbons)-węglowodory zawierające , prócz atomów węgla , chloru i fluoru,
HCFCs(skrót od ang. hydrochlorofluorocarbons)-węglowodory
Zawierające , prócz atomów węgla, wodór, chlor i fluor.(związek CFCs iHCFCs określane są nazwą freonów),
HBFCs(skrót od ang. hydrobromfluorocarbons)-węglowodory zawierające, prócz atomów węgla , wodór, brom i fluor,
Halony- węglowodory zawierające , prócz atomów węgla , brom i fluor, mogą zawierać też chlor.
Tetrachlorek węgla 1,1,1-trichloroetan , bromek metylu
Wszystkie wymienione powyżej substancje miały na ogół szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach , a obecnie są eliminowane. Freony były powszechnie stosowane w produkcji aerozoli, miękkich i sztywnych pianek poliuretanowych i jako rozpuszczalniki.
Halony były powszechnie używane jako środek gaśniczy ,a tetrachlorek węgla i 1,1,1-trichloroetan- jako rozpuszczalnik.
Bromek metylu służy do dezyfenkcji i dezynsekcji gleby , towarów , budynków , itp. Jego produkcja i zużycie są również stopniowo ograniczone.
Jaki jest mechanizm niszczenia ozonu w stratosferze?
Wieloletnie badania wykazały , że w wyniku oddziaływania promieniowania ultrafioletowego na cząsteczki zawierające chlor i brom w stratosferze wyzwolone zostają atomy chlor i bromu.
UV
CFCs Cl
UV
Halony Br
Prześledzimy ten proces w odniesieniu do atomów chloru. Chlor atomowy (Cl)bardzo szybko reaguje z ozonem (O3) tworząc tlenek chloru (ClO) i tlen cząsteczkowy (O2) .Tlenek chloru reaguje następnie z tlenem atomowym (O).
W wyniku reakcji powstaje cząsteczka tlenu i uwolniony zostaje chlor atomowy , który może brać udział w następnych reakcjach tego typu. Jest to
Tzw. reakcja łańcuchowa i szacuje się , że 1atom chloru może robić nawet 100000 cząsteczek ozonu . Podobnie reaguje brom z ozonem . Omówimy ciąg reakcji chemicznych przedstawia schemat:
Cl+O3 ClO+ O2
O+ClO Cl+O2
O+O3 O2+O2
Co to jest antarktyczna dziura ozonowa ?
Antarktyczna dziura ozonowa jest zjawiskiem , wywołanym przez działalność człowieka .Zanim do stratosfery dotarły związki chloru i bromu emitowane w wyniku działalności przemysłowej człowieka , poziomu ozonu na wiosnę nad był Antarktydą był 30-40% niższy niż nad Arktyką .Ta naturalna różnica była po raz pierwszy obserwowana w latach pięćdziesiątych przez Dobsona .Wyniki ona z różnych warunków atmosferycznych panujących nad biegunami: północnym i południowym.
Od końca lat siedemdziesiątych obserwuje się duże spadki zawartości ozonu w stratosferze nad Antarktyką , przekraczające 60% ,trwające około dwóch miesięcy na rozległym obszarze .Zjawisko to jest określane mianem dziury ozonowej. Nie może ono jednak wyjaśnić przedstawionego na rys. systematycznego spadku poziomu ozonu zapoczątkowanego w latach osiemdziesiątych , w porównaniu z danymi z początku lat pięćdziesiątych. Wynika on z obecności w stratosferze emitowanych przez człowieka chlorowcopochodnych węglowodorów .Tworzenie i powiększenie się antarktycznej dziury ozonowej w latach 1979-91 przedstawiono na rys.
1979 1986 1991
Ilustracja powiększającej się dziury ozonowej nad Antarktydą .
Jak bada się zawartość ozonu w atmosferze?
Globalny system pomiaru ozonu w atmosferze, który obejmuje obecnie około 150 stacji naziemnych rozmieszczonych na całym globie ziemskim, mierzący całkowitą zawartość ozonu w atmosferze oraz kilkadziesiąt stacji wykonujących pomiary pionowego rozkładu zawartości ozonu do wysokości około 35 km, został utworzony w 1957r. Jest on wspomagany przez satelity i samoloty badawcze.
W Polsce pomiary i badania ozonu prowadzone są przez Instytut Geofizyki PAN oraz Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Instytut Geofizyki prowadzi od 1963r. W Belsku k/Grójca pomiary całkowitej zawartości ozonu w atmosferze i jej pionowego rozkładu za pomocą spektrofotometru Dobsona. W 1991r. Rozpoczęto równoległe pomiary całkowitej zawartości ozonu w atmosferze spektrofotometrem Brewera.
Instytut Meteorologii I Gospodarki Wodnej od 1979r, dokonuje pomiarów pionowego rozkładu zawartości ozonu w atmosferze metodą radiosondażową, za pomocą balonów, w stacji w Leginowie.
Instytut Geofizyki PAN wykonuje również w Belsku od 1975r. Pomiary natężenia promieniowania UV-B. Pomiary takie także są prowadzone od połowy 1993r. Przez IMGW w trzech stacjach: w Łebie, Leginowie i na Kasprowym Wierchu. Otrzymane dane wykazują ubożenie warstwy ozonowej oraz tendencje zwiększenia natężenia promieniowania UV-B również nad Polską.
Wyniki pomiarów przekazywane są centrom międzynarodowym. Instytuty te prowadzą współprace z ośrodkami zagranicznymi.
Jakie są obecnie obowiązujące zalecenia Protokołu Montrealskiego?
Głównym zadaniem Protokołu Montrealskiego jest redukcja zużycia i produkcji substancji zubożających warstwę ozonową. W krajach rozwiniętych, do których należy również Polska, obecnie obowiązują poniższe harmonogramy redukcji.
Całkowity zakaz zużycia ( importu) i produkcji, z wyjątkami dotyczącymi np. produkcji leków, obowiązuje następujące substancje:
– halony 1211, 1301, 2401 – od 1994r.,
– CFCs, tetrachlorek węgla, 1,1,1-trichloroetan – od 1996r.,
– HCFCs, które są obecnie traktowane jako zamienniki wyżej wymienionych, podlegają stopniowemu ograniczeniu zużycia począwszy od 1996r., z terminem całkowitej redukcji od 2030r.,
– bromek metylu – całkowity zakaz produkcji i zużycia od 2010r.
Powyższe harmonogramy redukcji dotyczą jednak tylko substancji nowych, a
substancje pochodzące z odzysku i ponownie używane nie podlegają harmonogramowi redukcji.
Z przyczyn ekonomicznych krajom rozwijającym się przyznano dziesięcioletni okres opóźnienia realizacji zaleceń Protokołu.
