Wiedz, co to jest, jakie gazy oddziałują i kiedy warstwa ozonowa powinna się regenerować

Co to jest warstwa ozonowa? To bardzo ważne pytanie dla każdego, kto troszczy się o zdrowie planety Ziemi, a co za tym idzie, naszego. Ale aby odpowiedzieć na to najpierw, musisz zrozumieć, jak działają niektóre podstawowe procesy w atmosferze.

Jednym z głównych problemów środowiskowych związanych z chemią i zanieczyszczeniem powietrza jest zubożenie (lub degradacja) warstwy ozonowej. Musiałeś słyszeć o tym temacie. Warstwa ozonowa, jak sama nazwa wskazuje, jest warstwą atmosfery ziemskiej, która ma wysokie stężenie ozonu (O3). Największa koncentracja występuje w stratosferze, około 20–25 km od powierzchni Ziemi. Szczyt tych stężeń znajduje się na dużych szerokościach geograficznych (biegunach), a najniższy w regionach tropikalnych (chociaż tempo produkcji O3 jest wyższe w tropikach).

Jak już zostało powiedziane w naszym artykule „Ozon: złoczyńca czy dobry facet?”, Gaz ten może być zarówno niezwykle ważny i niezbędny do życia na Ziemi, jak i wysoce toksyczną substancją zanieczyszczającą. Wszystko zależy od warstwy atmosferycznej, w której się znajduje. W troposferze jest złoczyńcą. W stratosferze dobry facet. W tej sprawie będziemy rozmawiać o ozonie stratosferycznym, wskazując jego funkcje, znaczenie, sposób jego degradacji oraz sposoby zapobiegania temu.

Funkcje

Ozon stratosferyczny (dobry facet) jest odpowiedzialny za filtrowanie promieniowania słonecznego na niektórych długościach fal (pochłania całe promieniowanie ultrafioletowe B, zwane UV-B i część innych rodzajów promieniowania), które może powodować pewne typy raka, będąc jednym z nich najgorszym jest czerniak. Ma również funkcję utrzymywania ciepła na Ziemi, zapobiegając rozproszeniu całego ciepła emitowanego na powierzchni planety.

Co to jest warstwa ozonowa?

Warstwa ozonowa, jak wspomniano wcześniej, to warstwa skupiająca około 90% cząsteczek O3. Warstwa ta jest niezbędna dla życia na Ziemi, ponieważ chroni wszystkie żyjące istoty poprzez filtrowanie ultrafioletowego promieniowania słonecznego typu B. Ozon zachowuje się różnie w zależności od wysokości, na której się znajduje. W 1930 roku angielski fizyk Sydnei Chapman opisał procesy produkcji i degradacji ozonu stratosferycznego w czterech etapach: fotolizie tlenowej; produkcja ozonu; zużycie ozonu I; Zużycie ozonu II.

1. Fotoliza tlenu

Promieniowanie słoneczne dociera do cząsteczki O2, oddzielając jej dwa atomy. Oznacza to, że na tym pierwszym etapie uzyskuje się dwa wolne atomy tlenu (O) jako produkt.

2. Produkcja ozonu

Na tym etapie każdy wolny tlen (O) wytwarzany w procesie fotolizy reaguje z cząsteczką O2, otrzymując jako produkt cząsteczki ozonu (O3). Ta reakcja zachodzi za pomocą atomu lub cząsteczki katalizatora, substancji, która umożliwia szybszą reakcję, ale bez aktywnego działania i bez wiązania się z odczynnikami (O i O2) lub produktem (O3).

Kroki 3 i 4 pokazują, jak rozkładać ozon na różne sposoby:

3. Zużycie ozonu I

Ozon utworzony na etapie produkcji jest następnie ponownie rozkładany na cząsteczkę O i O2 pod wpływem promieniowania słonecznego (w obecności fal o długości od 400 do 600 nanometrów).

4. Zużycie ozonu II

Innym sposobem degradacji ozonu (O3) jest reakcja z wolnymi atomami tlenu (O). W ten sposób wszystkie te atomy tlenu będą się rekombinować, tworząc dwie cząsteczki tlenu (O2) jako produkt.

Ale jeśli ozon jest wytwarzany i degradowany, co utrzymuje warstwę ozonową? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy wziąć pod uwagę dwa ważne czynniki: szybkość produkcji / niszczenia cząsteczek (szybkość, z jaką są wytwarzane i niszczone) oraz ich średni czas życia (czas potrzebny do zmniejszenia stężenia jakiegoś związku do połowy stężenie początkowe).

Jeśli chodzi o szybkość wytwarzania / niszczenia cząsteczek, stwierdzono, że etapy 1 i 4 są wolniejsze niż etapy 2 i 3 procesu. Ponieważ jednak wszystko zaczyna się na etapie fotolizy tlenowej (etap 1), możemy powiedzieć, że zależy od tego stężenie wytwarzanego ozonu. To wyjaśnia, dlaczego stężenie O3 spada na wysokości powyżej 25 km i na niższych wysokościach; na wysokościach powyżej 25 km stężenie O2 spada. W niższych warstwach atmosferycznych przeważają dłuższe fale, które mają mniej energii do rozbicia cząsteczek tlenu, zmniejszając ich szybkość fotolizy.

Pomimo wielkiego odkrycia tych kroków, gdybyśmy uwzględnili tylko te procesy destrukcji, uzyskalibyśmy dwukrotnie wyższe wartości stężenia O3 niż obserwowane w rzeczywistości. Tak się nie dzieje, ponieważ oprócz przedstawionych etapów istnieją również nienaturalne cykle zubożenia warstwy ozonowej, spowodowane przez substancje zubożające warstwę ozonową (SDO): produkty takie jak halon, tetrachlorek węgla (CTC), wodorochlorofluorowęglowodór (HCFC), chlorofluorowęglowodór (CFC) i bromek metylu (CH3Br). Po uwolnieniu do atmosfery przemieszczają się do stratosfery, gdzie są rozkładane przez promieniowanie UV, uwalniając atomy wolne od chloru, które z kolei przerywają wiązanie ozonowe, tworząc tlenek chloru i gazowy tlen. Utworzony tlenek chloru będzie ponownie reagował z atomami beztlenowymi,tworząc więcej atomów chloru, które będą reagować z tlenem i tak dalej. Szacuje się, że każdy atom chloru może rozłożyć w stratosferze około 100 tysięcy cząsteczek ozonu i ma okres użytkowania 75 lat, ale wyładowania są już wystarczające, aby przez prawie 100 lat reagować z ozonem. Oprócz reakcji z tlenkami wodoru (HOx) i tlenkami azotu (NOx), które również reagują ze stratosferycznym O3, niszcząc go, przyczyniając się do degradacji warstwy ozonowej.Oprócz reakcji z tlenkami wodoru (HOx) i tlenkami azotu (NOx), które również reagują ze stratosferycznym O3, niszcząc go, przyczyniając się do degradacji warstwy ozonowej.Oprócz reakcji z tlenkami wodoru (HOx) i tlenkami azotu (NOx), które również reagują ze stratosferycznym O3, niszcząc go, przyczyniając się do degradacji warstwy ozonowej.

Poniższy wykres przedstawia historię zużycia SDO w Brazylii:

Gdzie są substancje zubożające warstwę ozonową i jak ich uniknąć?

CFC

Chlorofluorowęglowodory to syntetyzowane związki chloru, fluoru i węgla, które znalazły szerokie zastosowanie w kilku procesach - główne z nich wymieniono poniżej:

• CFC-11: stosowany do produkcji pianek poliuretanowych jako środek spieniający, w aerozolach i lekach jako propelent, w chłodnictwie domowym, handlowym i przemysłowym jako płyn;
• CFC-12: stosowany we wszystkich procesach, w których był używany CFC-11, a także w mieszaninie z tlenkiem etylenu, jako sterylizator;
• CFC-113: stosowany w precyzyjnych elementach w elektronice, jako rozpuszczalniki do czyszczenia;
• CFC-114: stosowany w aerozolach i lekach jako propelent;
• CFC-115: stosowany jako płyn w chłodnictwie komercyjnym.

Szacuje się, że związki te są około 15 000 razy bardziej szkodliwe dla warstwy ozonowej niż CO2 (dwutlenek węgla).

W 1985 r. Konwencja Wiedeńska o ochronie warstwy ozonowej została ratyfikowana w 28 krajach. Obiecując współpracę w zakresie badań, monitoringu i produkcji freonów, konwencja przedstawiła ideę zmierzenia się z problemem środowiskowym na poziomie globalnym, zanim jego skutki zostaną odczuwane lub udowodnione naukowo. Z tego powodu Konwencja Wiedeńska jest uważana za jeden z najlepszych przykładów zastosowania zasady ostrożności w najważniejszych negocjacjach międzynarodowych.

W 1987 roku grupa 150 naukowców z czterech krajów pojechała na Antarktydę i potwierdziła, że ​​stężenie tlenku chloru w tym regionie jest około sto razy wyższe niż gdziekolwiek indziej na świecie. Następnie, 16 września tego samego roku, Protokół Montrealski określił potrzebę stopniowego zakazu CFC i zastępowania ich gazami nieszkodliwymi dla warstwy ozonowej. Dzięki temu protokołowi 16 września jest uważany za Światowy Dzień Ochrony Warstwy Ozonowej.

Konwencja wiedeńska o ochronie warstwy ozonowej i Protokół montrealski zostały ratyfikowane w Brazylii 19 marca 1990 roku i ogłoszone w tym kraju 6 czerwca tego samego roku dekretem nr 99,280.

W Brazylii całkowicie zaprzestano stosowania CFC w 2010 r., Jak pokazano na poniższym wykresie:

HCFC

Hydrochlorofluorowęglowodory to sztuczne substancje importowane do Brazylii, początkowo w niewielkich ilościach. Jednak z powodu zakazu CFC, ich użycie rośnie. Główne zastosowania to:

Sektor produkcyjny

• HCFC-22: chłodzenie klimatyzacji i pianek;
• HCFC-123: gaśnice;
• HCFC-141b: piany, rozpuszczalniki i aerozole;
• HCFC-142b: pianki.

Sektor usług

• HCFC-22: klimatyzacja chłodnictwo;
• HCFC-123: maszyny chłodnicze ( chillery );
• HCFC-141b: czyszczenie obwodów elektrycznych;
• Mieszaniny HCFC: lodówki klimatyzacyjne.

Według Ministerstwa Środowiska (MMA) szacuje się, że do 2040 roku w Brazylii zostanie wyeliminowane zużycie HCFC. Poniższy wykres przedstawia ewolucję w stosowaniu HCFC:

Bromek metylu

Jest to chlorowcowany związek organiczny, który pod ciśnieniem jest gazem skroplonym i może mieć pochodzenie naturalne lub syntetyczne. Bromek metylu jest niezwykle toksyczny i śmiertelny dla żywych istot. Był szeroko stosowany w rolnictwie i do ochrony składowanych towarów oraz do dezynfekcji zbiorników i młynów.

Brazylia ma już zamrożone ilości importowanego bromku metylu od połowy lat 90. W 2005 r. Kraj zmniejszył import o 30%.

Poniższa tabela przedstawia ustalony przez Brazylię harmonogram eliminacji stosowania bromku metylu:

Według MMA stosowanie bromku metylu jest dozwolone wyłącznie w przypadku kwarantanny i zabiegów przed wysyłką zarezerwowanych dla importu i eksportu.

Poniżej wykres przedstawia historię spożycia bromku metylu w Brazylii:

Halony

Substancja halonowa jest sztucznie produkowana i importowana przez Brazylię. Składa się z bromu, chloru lub fluoru i węgla. Substancja ta była szeroko stosowana w gaśnicach do wszystkich rodzajów pożarów. Zgodnie z protokołem montrealskim w 2002 r. Import halonu w odniesieniu do średniej wielkości importu z Brazylii w latach 1995–1997 byłby dozwolony, zmniejszając o 50% w 2005 r., A w 2010 r. Import byłby całkowicie zakazany. Jednak rezolucja Conama nr 267 z 14 grudnia 2000 r. Poszła dalej, zakazując importu nowych halonów począwszy od 2001 r., Zezwalając na import tylko regenerowanych halonów, ponieważ nie są one objęte harmonogramem eliminacji protokołu.

Halon-1211 i halon-1301 są używane głównie do gaszenia pożarów morskich, w żegludze powietrznej, na statkach naftowych i platformach wydobywczych, w kolekcjach kulturalnych i artystycznych oraz w elektrowniach i elektrowniach jądrowych, oprócz wykorzystania wojskowy. W takich przypadkach użycie jest dozwolone ze względu na jego skuteczność w gaszeniu pożarów bez pozostawiania pozostałości i bez uszkadzania systemów.

Zgodnie z poniższym wykresem Brazylia już wyeliminowała spożycie halonów.

Chlor

Chlor jest emitowany do atmosfery w sposób antropogeniczny (poprzez działalność człowieka), głównie przy użyciu CFC (chlorofluorowęglowodorów), o czym już wspominaliśmy powyżej. Są to gazowe związki syntetyczne, szeroko stosowane w produkcji sprayów oraz w starszych lodówkach i zamrażarkach.

Tlenki azotu

Niektóre naturalne źródła emisji to przemiany drobnoustrojów i wyładowania elektryczne w atmosferze (promienie). Są również generowane przez źródła antropogeniczne. Głównym z nich jest spalanie paliw kopalnych w wysokich temperaturach. Z tego powodu emisja tych gazów zachodzi w troposferze, czyli warstwie atmosfery, w której żyjemy, ale są one łatwo przenoszone do stratosfery poprzez mechanizm konwekcyjny, a następnie mogą dotrzeć do warstwy ozonowej, degradując ją.

Jedną z metod unikania emisji NO i NO2 jest stosowanie katalizatorów. Katalizatory stosowane w przemyśle i samochodach mają za zadanie przyspieszać reakcje chemiczne, które zanim zostaną uwolnione do atmosfery, przekształcają zanieczyszczenia w produkty mniej szkodliwe dla zdrowia ludzkiego i środowiska.

Tlenki wodoru

Głównym źródłem HOx w stratosferze jest powstawanie OH w wyniku fotolizy ozonu, w wyniku której powstają wzbudzone atomy tlenu, które reagują z parami wody.

Otwór warstwy ozonowej

Zdjęcie: NASA

W 1985 roku stwierdzono, że między wrześniem a listopadem nastąpiła znaczna redukcja ozonu stratosferycznego o około 50%, co odpowiada okresowi wiosennemu na półkuli południowej. Odpowiedzialność przypisano działaniu chloru z CFC. Kilka badań wskazało, że proces ten ma miejsce od 1979 roku.

Jedyna dziura w warstwie ozonowej znajduje się nad Antarktydą - gdzie indziej nastąpiło powolne i stopniowe zmniejszanie się warstwy ozonowej.

Jednak obecnie obserwuje się silny trend odwracania uszkodzeń warstwy ozonowej, ze względu na środki przyjęte w Protokole Montrealskim, o czym informuje Program Narodów Zjednoczonych ds. Rozwoju (UNDP). Oczekuje się, że do 2050 r. Warstwa zostanie przywrócona do poziomu sprzed 1980 r.

Ciekawość: dlaczego tylko na biegunie południowym?

Wyjaśnienie dla dziury występującej tylko nad Antarktydą można podać w specjalnych warunkach bieguna południowego, takich jak niskie temperatury i izolowane systemy cyrkulacji atmosferycznej.

Ze względu na prądy konwekcyjne masy powietrza krążą nieprzerwanie, ale na Antarktydzie ze względu na wyjątkowo ostrą zimę cyrkulacja powietrza nie występuje, tworząc kręgi konwekcyjne ograniczone do obszaru, które nazywane są wirami polarnymi lub wirami.

Zobacz także ten krótki film wyprodukowany przez National Institute for Space Research (Inpe) na temat degradacji warstwy ozonowej przez CFC:

Original text

Contribute a better translation

---