Ozono sluoksnis atlieka esminį vaidmenį saugant gyvybę Žemėje, veikdamas kaip natūralus skydas nuo Saulės ultravioletinės (UV) spinduliuotės. Supratimas apie jo sudėtį, sudėtingas chemines reakcijas, vykstančias jame, ir veiksnius, darančius įtaką jo stabilumui, yra labai svarbūs norint suprasti tiek jo aplinkosauginį svarbą, tiek su jo blogėjimu susijusią riziką.
Nuo ozono sluoksnio atradimo ir mokslo pažangos aplinkos chemijos srityje, socialinis ir politinis susirūpinimas didėjo., skatinant tarptautines sutartis ir vartojimo bei gamybos įpročių pokyčius. Žemiau pateikiame išsamų ir suprantamą vadovą, parašytą patogia ir visiškai atnaujinta kalba, apie viską, ką reikia žinoti apie ozono sluoksnio chemiją, jo sudėtį, susidarymo ir irimo mechanizmus bei dabartinius ir būsimus iššūkius, su kuriais jis susiduria.
Kas yra ozonas ir kur jo randama?
Ozonas (O3) yra alotropinė deguonies forma, sudaryta iš trijų šio elemento atomų. Tai bespalvės arba šiek tiek melsvos dujos, kurių koncentracija didelė, pasižymi stipriu, būdingu kvapu, juntamu net labai mažais kiekiais po perkūnijos arba tam tikromis aplinkos sąlygomis. Ozono vaidmuo atmosferoje labai skiriasi, todėl būtina atskirti dvi pagrindines vietas: stratosferą ir troposferą.
Stratosferoje, 15–50 km aukštyje, yra apie 90 % viso atmosferoje esančio ozono.. Ši sritis paprastai vadinama ozono sluoksniu, gyvybiškai svarbus Žemei, nes filtruoja kenksmingą ultravioletinę spinduliuotę. Jei visas stratosferos ozonas būtų suspaustas iki jūros lygio slėgio, jo storis būtų tik 3 mm, tačiau šis plonas sluoksnis yra būtinas norint apsisaugoti nuo tokių problemų kaip odos vėžys ir katarakta.
Troposferoje, t. y. nuo paviršiaus iki maždaug 15–18 km aukščio, Ozonas laikomas antriniu teršalu. Čia, užuot mus apsaugojęs, jis gali sukelti dirginimą, kvėpavimo takų problemas ir prisidėti prie fotocheminio smogo – vienos iš pagrindinių oro taršos problemų dideliuose miestuose ir pramonės rajonuose.
Ozono cheminės ir fizikinės savybės
Ozonas yra vienas galingiausių gamtoje esančių oksidatorių.. Tai nestabili molekulė, nes trys jos deguonies atomai lengvai atsiskiria ir grįžta į diatominę formą (O2). Jo tankis yra 2,14 kg/m³ ir jis labai gerai tirpsta vandenyje. — nors ir daug mažiau stabilus nei ore, jo pusinės eliminacijos laikas yra maždaug 20 minučių, palyginti su 12 valandų, jis gali išlikti aplinkos dujose.
Jo lydymosi temperatūra yra -192 °C, o virimo temperatūra -112 °C, esant didelėms koncentracijoms, jis tampa mėlynas. Būdamas labai stiprus oksidatorius, ozonas greitai reaguoja su kitomis molekulėmis ir junginiais, ypač tais, kuriuose yra azoto, lakiųjų organinių junginių arba halogenų, tokių kaip chloras ir bromas..
Ozono ciklas stratosferoje: natūralus susidarymas ir sunaikinimas
Žinias apie stratosferos ozono susidarymo ir sunaikinimo mechanizmus 1930 m. įtvirtino fizikas Sydney Chapmanas., per fotocheminių reakcijų seriją, vadinamą Chapmano ciklu. Šis ciklas paaiškina, kaip natūraliomis sąlygomis ozono kiekis išlieka santykinai pastovus dėl pusiausvyros tarp jo susidarymo ir skaidymo.
Stratosferos ozono susidarymas: Viskas prasideda, kai didelės energijos ultravioletinė spinduliuotė (bangos ilgis mažesnis nei 240 nm, UV-C kategorija) pasiekia deguonies molekules (O2). Ši pakankamai energinga spinduliuotė suskaido (disociuoja) O molekules2 į atskirus deguonies atomus (O).
- O2 + UV spinduliuotė → O + O
- O+O2 + M → O3 + M. (kur M yra bet kokia neutrali molekulė, paprastai N2 pas O2, kuris sugeria energijos perteklių ir stabilizuoja ozono molekulę).
Todėl didžiausia ozono gamyba yra pusiaujo stratosferoje, nes būtent ten ultravioletinė spinduliuotė veikia intensyviausiai.. Tačiau stratosferos vėjai ozoną paskirsto poliarinių platumų link.
Kai tik susiformuoja, Ozonas sugeria UV-B spinduliuotę, todėl ji skyla į O₂2 ir deguonies atomas atvirkštinėje reakcijoje:
- O3 + UV spinduliuotė → O2 + ARBA
Natūraliomis sąlygomis, Atominis deguonis taip pat gali reaguoti su ozonu ir sudaryti dvi diatomines deguonies molekules.:
- O3 + O → 2 O2
Šis reakcijų rinkinys palaiko subalansuotą ozono koncentraciją tol, kol neįsijungia jokie išoriniai veiksniai, kurie pakeistų šią pusiausvyrą.. Tačiau šią subtilią pusiausvyrą lengvai pakeičia tam tikros molekulės ir radikalai, atsirandantys dėl žmogaus veiklos.
Daugiau apie tai, kaip susidaro ozono sluoksnis, galite sužinoti šiame straipsnyje..
Ozono sluoksnio ekologinė svarba
Ozono sluoksnis yra būtinas gyvybei, kokią mes ją žinome.. Jis veikia kaip skydas, filtruojantis didžiąją dalį Saulės ultravioletinių B ir C spindulių, neleisdamas jiems pasiekti Žemės paviršiaus. Be šio natūralaus filtro UV spinduliuotė būtų mirtina daugumai gyvų būtybių ir paveiktų tiek sausumos, tiek vandens ekosistemas.
Dėl ozono sluoksnio nykimo padidėjusio UV-B spinduliuotės pasekmės yra šios:
- Padidėjęs odos vėžio ir kataraktos atvejų skaičius žmonėms.
- Imuninės sistemos pakitimai, dėl to padažnėja ligų.
- Žemės ūkio ir miškininkystės produktyvumo sumažėjimas dėl žalos pasėliams ir miškams.
- Poveikis vandens ekosistemoms, ypač radiacijai jautrių planktoninių organizmų.
- Mitybos grandinės ir fotosintezės sutrikimai augalų organizmuose.
Be to, Stratosferos ozonas yra atsakingas už temperatūros kilimą stratosferoje, sugerdamas UV spinduliuotę ir paversdamas ją šiluma, kuri lemia Žemės atmosferos terminę struktūrą ir klimato stabilumą.
Troposferinis ozonas: pamirštas teršalas
Skirtingai nuo stratosferos ozono, troposferoje esantis ozonas yra antrinis teršalas, susidarantis fotocheminių reakcijų metu. tarp azoto oksidų (NOx), lakieji organiniai junginiai (LOJ) ir saulės šviesos poveikis. Šie pirmtakai daugiausia susidaro dėl kelių eismo, pramoninių procesų ir biogeninių išmetamųjų teršalų.
Troposferinis ozonas:
- Prisideda prie fotocheminio smogo susidarymo, ypač vasarą ir anticikloninėse zonose.
- Tai toksiška žmonių sveikatai, sukeldamas akių ir gerklės dirginimą, kvėpavimo takų problemas ir sunkinančias ligas, tokias kaip astma.
- Padaro žalą augmenijai ir sumažina pasėlių derlių.
- Prisideda prie visuotinio atšilimo kaip šiltnamio efektą sukeliančios dujos.
Jo lygis padidėja centrinėmis paros valandomis, ypač kaimo vietovėse ir didelių miestų pakraščiuose., nes ten mažiau eismo ir todėl sunaudojama mažiau susidarančio ozono.
Ozono sluoksnio sunaikinimas: priežastys ir pasekmės
Didžiąją XX amžiaus dalį buvo manoma, kad ozono ciklo pusiausvyra nekinta. Tačiau naujų cheminių medžiagų, ypač chlorfluorangliavandenilių (CFC), halonų ir bromidų, atsiradimas radikaliai pakeitė šią pusiausvyrą.
CFC – chloro ir fluoro turintys junginiai – plačiai naudojami šaldymo, oro kondicionavimo, aerozolių ir putų gamybos įrenginiuose, pasirodė esantys itin stabilūs ir galintys pasiekti stratosferą nesuirdami.. Patekę ten, ultravioletinė spinduliuotė juos suskaido, išskirdama itin reaktyvius chloro ir bromo atomus.
Vienas chloro atomas gali sunaikinti iki 100.000 XNUMX ozono molekulių, kol jį pašalina atmosferos procesai.. Šios reakcijos vyksta kataliziniuose cikluose, kai katalizatorius (halogenas) išsiskiria nepažeistas ir gali toliau naikinti ozono sluoksnį:
- Cl + O3 → ClO + O2
- ClO + O → Cl + O2
Ciklas prasideda iš naujo, laikui bėgant padarydamas daug žalos.
Galite sužinoti, nuo ko priklauso ozono sluoksnio naikinimas..
Skylė ozono sluoksnyje
Nuo devintojo dešimtmečio palydovai ir matavimo stotys Antarktidoje pietų pavasario metu užfiksavo nerimą keliantį ozono sluoksnio storio sumažėjimą.. Rugsėjo ir spalio mėnesiais ozono koncentracija virš Pietų ašigalio sumažėjo iki 70 %.
Terminas „ozono skylė“ vartojamas apibūdinti sritis, kuriose bendras ozono kiekis nukrenta žemiau 220 Dobsono vienetų. (TU). Palydovinėse nuotraukose matyti, kaip kiekvieną pavasarį didžioji Antarktidos dalis yra padengta šia „vakuumine zona“, kuri veikia net ir apgyvendintas pietinio pusrutulio vietoves.
Ozono skylė kelias savaites pasiekė daugiau nei 25 milijonų km² plotą.2, beveik dvigubai didesnis už Antarktidos žemyną. 2006 m. rugsėjį buvo užfiksuota žemiausia kada nors užfiksuota vertė – vos 85 DU virš rytinės Antarktidos.
Daugiau informacijos apie ozono skylės evoliuciją.
Poveikis sveikatai ir ekosistemoms
Stratosferos ozono sluoksnio nykimas turi rimtų pasekmių visuomenės sveikatai ir aplinkai.. Nefiltruota ultravioletinė B spinduliuotė gali prasiskverbti į paviršių, padidindama:
- Odos vėžys (melanoma ir nemelanoma)
- Katarakta ir akių pažeidimai
- Imuninės sistemos slopinimas
- Jautrių augalų derliaus sumažėjimas ir vandens ekosistemų ciklų pokyčiai
- Jūrų gyvūnijos problemos, ypač fitoplanktono ir žuvų lervų stadijose
Troposferoje ozono buvimas siejamas su kvėpavimo takų ir širdies bei kraujagyslių sistemos problemomis, ypač pažeidžiamoms grupėms, tokioms kaip pagyvenę žmonės, vaikai, nėščios moterys ir lėtinėmis ligomis sergantys žmonės.
Europos Sąjunga ir Pasaulio sveikatos organizacija nustatė aplinkos ozono poveikio ribas, rekomenduojant neviršyti 100 µg/m3 kaip dienos vidurkis, nes didesnės koncentracijos gali sukelti kosulį ir dirginimą, taip pat sumažinti plaučių funkciją ir padidinti mirtingumą jautriems asmenims.
Pagrindinės cheminės reakcijos, sukeliančios ozono skaidymą
Pagreitintas ozono sluoksnio irimas stratosferoje daugiausia susijęs su kataliziniais ciklais, kuriuose dalyvauja reaktyviosios cheminės medžiagos.. Šios reakcijos yra būtinos norint suprasti, kaip vyksta ozono sluoksnio nykimas ir kokie veiksniai jį spartina.
- Halogeninti radikalai (Cl, Br, ClO, BrO)
- Azoto radikalai (NE NE2)
- Hidroksilo radikalai (OH) ir peroksilo (HO)2)
Didžiausią įtaką ozono sluoksnio naikinimui daro su ClO₂ ir BrO₂ susijusios reakcijos.. Kataliziniai ciklai leidžia vienai chloro arba bromo molekulei sunaikinti tūkstančius ar net iki 100.000 XNUMX ozono molekulių prieš jas pašalinant arba neutralizuojant.
Galite pasikonsultuoti apie atmosferos sluoksnius ir jų įtaką ozonui..
Ozono sluoksnio matavimas ir stebėsena
Ozono matavimas atmosferoje pirmiausia atliekamas naudojant parametrą „Dobsono vienetas“ (DU), kuris išreiškia storį, kurį užimtų bendras ozono sluoksnis, jei jis būtų suspaustas esant normalioms slėgio ir temperatūros sąlygoms. Vienas UD atitinka 2,69 × 1020 ozono molekulių kvadratiniame metre.
Vertikalūs ozono profiliai gaunami naudojant ozonzondus ir palydovus su spektrofotometrais, tokiais kaip „Envisat“ įrengtas GOMOS. Normalios vertės svyruoja nuo 200 iki 500 UD, o pasaulinis vidurkis yra artimas 300 UD.
Tarptautiniai veiksmai: Monrealio protokolas ir Kigalio pakeitimas
Ozono sluoksnio nykimo problemos rimtumas paskatino precedento neturinčius tarptautinius veiksmus.. 1985 m. buvo pasirašyta Vienos konvencija dėl ozono sluoksnio apsaugos, kuri sudarė sąlygas priimti Monrealio protokolas 1987 m. Beveik visos pasaulio šalys yra ratifikavusios susitarimus, draudžiančius arba griežtai reglamentuojančius ozono sluoksnį ardančių medžiagų (OSAM) gamybą ir vartojimą.
Monrealio protokolo sėkmė buvo didžiulė.Nuo XXI amžiaus pradžios laipsniškas CFC, halonų ir kitų junginių atsisakymas sustabdė ozono sluoksnio nykimą ir pradėjo jo atsigavimą. Tačiau pakaitalai, tokie kaip HCFC ir HFC, ir toliau reikalauja papildomo reguliavimo, ypač dėl jų potencialo prisidėti prie visuotinio atšilimo.
Tarptautinis bendradarbiavimas buvo labai svarbus siekiant apsaugoti ozono sluoksnį.
Ozono sluoksnio atsigavimas ir ateities perspektyvos
Naujausi matavimai rodo teigiamą ozono sluoksnio atsistatymo tendenciją., nors šis procesas bus lėtas dėl ilgo išmetamų junginių gyvenimo atmosferoje. Apskaičiuota, kad jei bus tęsiama dabartinė politika, visiškas atsigavimas iki iki 1980 m. buvusio lygio galėtų būti pasiektas apie 2075 m.
Klimato kaita taip pat daro įtaką atsigavimui, nes padidėjęs šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekis gali pakeisti stratosferos cirkuliaciją ir temperatūrą, o tai turi įtakos ozono pasiskirstymui. Siekiant išlaikyti ir paspartinti šią tendenciją, būtini tarptautinis bendradarbiavimas ir griežta aplinkosaugos politika.
Ką mes, piliečiai, galime padaryti, kad apsaugotume ozono sluoksnį
Visi galime prisidėti prie ozono sluoksnio apsaugos mažais kasdieniais veiksmais ir atsakingų įpročių ugdymu:
- Rinkitės produktus, pažymėtus „be CFC“ arba „draugiškus ozonui“.
- Pirmenybę teikite gesintuvams ir aušinimo sistemoms, kuriose nėra halonų, CFC ar HCFC.
- Venkite naudoti aerozolius su kenksmingais propelentais; Yra kreminės, lazdelės arba mechaninio purškimo formulės.
- Palaikykite gerą šaldymo ir oro kondicionavimo įrangos būklę ir patikėkite techninę priežiūrą sertifikuotiems specialistams.
- Nenaudokite metilbromido buitiniam ar žemės ūkio fumigacijai.
- Sumažinkite automobilio naudojimą, naudokitės viešuoju transportu, vaikščiokite pėsčiomis arba važiuokite dviračiu.
- Pasidalinkite temos svarba savo šeimoje, švietimo ir darbo ratuose.
- Dalyvauti akcijose ir veiklose, skirtose didinti informuotumą apie aplinkos apsaugą.
Švietimo ir socialinio sąmoningumo vaidmuo
Aplinkosauginis švietimas yra pagrindinis ozono sluoksnio apsaugos elementas.. Siekiant išvengti praeities klaidų pasikartojimo, labai svarbu informuoti ir šviesti naujas kartas apie šio natūralaus skydo svarbą, su jo nykimu susijusią riziką ir veiksmus, kurių reikia imtis tam užkirsti kelią.
Švietimo įstaigos, žiniasklaida ir socialinės organizacijos atlieka esminį vaidmenį skleidžiant informaciją ir ugdant kolektyvinį sąmoningumą.
Kiekvienas informuotas žmogus prisideda prie mūsų planetos apsaugos.
Ozono sluoksnio cheminė sudėtis yra didelių aplinkos sistemų, palaikančių gyvybę, sudėtingumo ir trapumo pavyzdys. Nors iššūkiai buvo milžiniški, žmonija įrodė, kad tarptautinis bendradarbiavimas ir pilietinis įsitraukimas gali pakeisti pavojingas tendencijas. Tačiau sėkmė negarantuota: ji priklausys nuo nuolatinio budrumo, inovacijų ir bendros atsakomybės už kiekvieną sprendimą, kuris turi įtakos mūsų aplinkai.