OZONSKI OMOTAČ NIJE ŠTIT
VEĆ OSTATAK ZAŠTITE OD UV ZRAČENJA

Pad fotona u dubinu atmosfere

Od trenutka kad susretne prve molekule atmosfere svjetlost sa Sunca se mijenja. Dok stignu do mezopauze fotoni s valnim duljinama ispod 100 nm skoro kompletno su apsorbirani atomima kisika te molekulama kisika i dušika. Ispod mezopauze molekularni dušik praktički ne disocira tako da fotokemijom ovog dijela atmosfere dominiraju reakcije s kisikom.

Kakvi uvjeti ovdje vladaju? Kako se spuštamo u dubine mezosfere temperatura raste od oko -86 °C na vrhu do -2.5 °C na dnu. Nakon ovog maksimuma temperatura ponovo opada kroz cijelu stratosferu do oko -56 °C na tropopauzi. Istovremeno tlak eksponencijalno raste s dubinom od 0.4 Pa u mezopauzi preko 67 Pa u stratopauzi do 22 631 Pa u tropopauzi. Kako je gustoća proporcionalna tlaku i ona raste eksponencijalno s dubinom.[5]

Za reakcije koje uključuju sudare dviju molekula, energija aktivacije je minimalna kinetička energija koju reaktanti moraju imati da nastane produkt. Iako se u plinskoj fazi dešavaju brojni sudari samo mali postotak njih ima dovoljno energije da dođe do reakcije. Udio sudara koji imaju kinetičku energiju višu od energije aktivacije (E_a) dan je Boltzmannovom raspodjelom kao e^-Ea/RT. (Atkins, p.881)

Kod nastajanja termodinamički nepovoljnih produkata fotokemijski put je u prednosti pred toplinskim. Fotoni mogu prenijeti velike količine energije u kratkom vremenu te omogućiti reakcije koje su inače nedostupne toplinskim metodama. Stoga se može pretpostaviti da je za pokretanje kemijskih reakcija u srednjoj atmosferi neophodno ultraljubičasto zračenje Sunca. Ova pretpostavka temelji se na tome da jedino UV fotoni mogu molekulama u mezosferi i stratosferi prenijeti dovoljno energije da one ili njihovi fragmenti mogu sudjelovati u kemijskim reakcijama. Zanemarit ćemo sve temokemijske reakcije koje nisu inicirane svjetlošću.

Zanemarivanje termokemijskih reakcija je možda kontroverzno ali je ključno za ovaj rad.

 

Fotokemijski model

U našem modelu kao vertikalnu koordinatu koristit ćemo tlak umjesto visine. U fizici, težina je sila definirana kao produkt mase m i gravitacijske akceleracije g a tlak p je sila po jedinici površine. Tlak kojim stupac zraka djeluje na površinu ispod sebe ovisi jedino o težini zraka u tom stupcu. Iako atmosfera s dubinom stalno mijenja sastav, gustoću i temperaturu svaka ćelija visine Δp imat će istu težinu zraka u sebi. Posljedica toga jest da su atmosferske ćelije jednake veličine i međusobno usporedive. Kako bi saznali koliko je fotona na raspolaganju na nekoj dubini podijelit ćemo atmosferu u jedinične ćelije debljine Δp i površine A. Pretpostavit ćemo da je Δp toliko mali da čestice u ćeliji ne prekrivaju jedna drugu gledajući okomito na ćeliju. Shema ovakve ćelije prikazana je na slici 3.

Slika 3. Fotokemijski model atmosferske ćelije. Lijevi dio slike prikazuje temperaturni profil 'US standard atmosphere' kao funkciju tlaka između 11 km (tropopauza) i 84 km visine (mezopauza). U našem modelu atmosferske ćelije S_ac predstavlja zasjenjenje ćelije za fotone valne duljine λ, N_p(0,λ) inicijalnu količinu fotona koja je krenula sa Sunca, N_p(p,λ) broj fotona na dubini p a θ je kut koji zatvara snop fotona i površina ćelije. Opće karakteristike ovog modela su: a) svjetlost je sačinjena od čestica, b) fotoni i molekule u atmosferskoj ćeliji homogeno su raspršeni po površini, c) atmosfera počinje na Suncu (p=0), d) tlak je uzet kao vertikalna koordinata, e) s gledišta fotona molekule u atmosferi miruju, f) preferiraju se fotokemijske reakcije, g) termokemijske reakcije su zanemarene. → Preuzimanje slike visoke kvalitete

 

Za fotone koji putuju brzinom svjetlosti molekule u atmosferi miruju (prosječna brzina molekula N₂ i O₂ u zraku pri 25 °C je oko 0.5 km/s). U trenutku kad dodirne atmosferu foton "vidi" sve čestice, atome i molekule na svom putu do površine. Udio upadne svjetlosti koja će proći kroz ćeliju ovisi o gubicima nastalim apsorpcijom, raspršenjem i luminiscencijom na česticama u ćeliji. Poznavajući masu i sastav zraka jednostavno je izračunati broj molekula svake supstance u atmosferskoj ćeliji (N_X = w_X·m·L/M_X) gdje je w_X maseni udio supstance X, M_X je molekularna masa supstance X a L je Avogadrov broj. Vjerojatnost da će foton pogoditi molekulu u ćeliji ovisi o udjelu površine koju zauzimaju sve molekule (uključujući i čvrste čestice). Zasjenjenje atmosferske ćelije je

Apsorpcijski presjek σ_X predstavlja efektivnu površinu molekule X koju foton valne duljine λ mora pogoditi da bi se apsorbirao. Ne sudjeluju sve čestice u atmosferskoj ćeliji u zaustavljanju fotona. Dio čestica nalazi se u sjeni koju stvaraju atmosferske ćelije smještene na putu svjetlosti. Doprinos atmosferske ćelije sjeni koju atmosfera stvara na nekoj dubini ovisit će o prozirnosti atmosfere, 1 - S, na putu svjetla i kutu θ pod kojim svjetlosna zraka ulazi u ćeliju i dana je relacijom

Broj fotona valne duljine λ koji stižu do atmosferske ćelije ovisi o broju fotona koji je krenuo na put, N_p(0,λ) = Eλ/hc, i prozirnosti atmosfere na tom putu.

 

Ozonski omotač je statistička tvorevina

Fotokemijske reakcije koje se odvijaju ovisit će o vjerojatnosti da molekula X apsorbira foton (što se mjeri apsorpcijskim presjekom σ_X), vjerojatnosti da će se, ako se apsorpcija i desi, molekula X disocirati (što se mjeri kvantnim prinosom Φ_X), oboje ovisno o valnoj duljini svjetlosti λ i temperaturi T, i o broju fotona na raspolaganju (izraženom aktiničnim tokom F). Aktinični tok je definiran kao suma zračenja iz svih smjerova. Frekvencija fotolize (ili kraće J-vrijednost) je efektivna konstanta brzine prvog reda za fotokemijsku reakciju vrste koja apsorbira svjetlost.[6]

U atmosferi se ozon stalno stvara i razara. Količina ozona koji nastane u jediničnoj ćeliji proporcionalna je količini kisikovih atoma u njoj. Ovi kisikovi atomi manjim dijelom nastaju primarnom produkcijom (fotolizom O₂ fotonima s λ<240 nm) a većim dijelom fotokemijskom regeneracijom (λ ovisi o vrsti koja fotolizira).

gdje XO predstavlja oksidirane vrste kao što su O_x, NO_x, HO_x, ClO_x, itd. Unatoč tomu što proizvodi većinu kisikovih atoma u mezosferi i stratosferi UV-B zračenje je "sterilno". Ono može samo reciklirati kisikove atome pa bi, kako vrijeme prolazi, bez primarnih kisikovih atoma zaštita od UV zračenja bivala sve slabija i slabija. Uzrok tomu je to što kisikovi atomi kontinuirano napuštaju fotodisocijacijski ciklus konverzijom u molekularni kisik, prvenstveno reakcijama s ozonom i dušikovim oksidima (N₂O, NO₂) te s nekim drugim spojevima (H₂O₂, ClO, itd.). Terminacija kisikovih atoma proizvodima industrijskog društva mjesto je gdje moramo tražiti utjecaj čovjeka na ove procese.

gdje je k_XO konstanta brzine za reakciju XO + O → X + O₂. Kada se svede na svoje osnovne elemente pretvaranje energije fotona u toplinu q može se prikazati kao O₂ + hν → O + O → O₂ + q. Ako temperaturu uzmemo kao mjeru unutarnje energije čestica vidimo da povećanje gustoće kroz cijelu mezosferu pozitivno utječe na efikasnost apsorpcije fotona, dosižući svoj maksimum u stratopauzi. Nakon stratopauze, spuštajući se u dubinu stratosfere, porast gustoće prati pad efikasnosti atmosferske ćelije za apsorpciju fotona (vidi sliku 3).

Ozon nema štit kojim odbija UV zračenje - on se žrtvuje za našu zaštitu. I ne samo to, koliko god debeo bio sloj ozona on će jednostavno ispariti u trenutku kad ga svjetlost obasja. Osim fotolizom ozon se može razoriti i brojnim slobodnim radikalima od kojih su najvažniji atomi kisika (O), hidroksilni radikal (OH), radikal dušikovog oksida (NO) i atomi klora (Cl). Mjerenjem količine ozona u atmosferi ne možemo saznati koliko je ozona "poginulo" braneći život na Zemlji jer ozonski omotač predstavlja "negativ" zaštite od UV zračenja. Količina zaostalog ozona u svakoj ćeliji bit će jednaka zbroju zasjenjenih molekula ozona koje sigurno neće disocirati i nedisociranih molekula na nezasjenjenom dijelu. Integriranjem zaostalog ozona po stupcu atmosfere dobije se ozonski omotač.

Kako fotokemijske reakcije ovise samo o vjerojatnosti da se dese ozonski omotač možemo smatrati statističkom tvorevinom.

 

Umjesto zaključka

Radni naslov ovog rada bio je "Štiti li Sunčevo UV zračenje život na Zemlji?". Odgovor na ovo pitanje je očit. Pitanje je sabotiramo li ga mi u tome?

Ovdje je nekoliko pitanja na koje bi trebali dobiti odgovor prije donošenja zaključka:

1. Kako se s dubinom mijenja efikasnost atmosferske ćelije u pretvorbi energije UV fotona u toplinu (N_O(regenerirani) + N_O(primarni))?
2. Kako se s dubinom mijenja iskoristivost fotona s λ<240 nm u zaustavljanju fotona s λ<320 nm (N_O(regenerirani) / N_O(primarni))?
3. Ogovara li odnos nastalih atoma kisika (N_O(regenerirani) / N_O(primarni)) odnosu utrošenih fotona (ΔN_p(λ<320 nm) / ΔN_p(λ<240 nm)) u atmosferskoj ćeliji?
4. Koliko disocijacija ozona pridonosi sadržaju regeneriranih atoma kisika (N_O(regen. iz O₃) / N_O(regenerirani))?
5. Može li podizanje slojeva bogatih ozonom u područje gdje ih svjetlost može obasjati biti uzrok smanjenju ozonskog sloja?

 

 

Reference

1. Press Release: The 1995 Nobel Prize in Chemistry. 4 Jan. 2015. <http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1995/press.html>
2. Atkins, P.; de Paula, J. Physical Chemistry, Oxford University Press, New York, 2002.
3. Williams, D. R. Sun Fact Sheet. 12 Jan. 2015. <http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/sunfact.html>
4. Generalić, E. Black-body radiation calculator. 17 Feb. 2015. <https://www.periodni.com/download/black_body_radiation.xls>
5. "U.S. Standard Atmosphere, 1976", NOAA, NASA and USAF, Washington, D.C., 1976. 15 Jan. 2015. <http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19770009539.pdf>
6. van Delden, A. Atmospheric Dynamics. 7 Feb. 2015. <http://www.staff.science.uu.nl/~delde102/AtmosphericDynamics.htm>

 

Rad "Ozonski omotač nije štit već ostatak zaštite od UV zračenja" slobodan je za korištenje pod licencom Creative Commons Imenovanje 4.0 međunarodna (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.hr)