PRIČA O OZONU I OZONSKIM RUPAMA

 

1. Klimatske promjene
2. Globalno zagrijavanje i čovjek
3. Priča o ozonu i ozonskim rupama
4. Treći svjetski rat: Bitka za Zemlju

 

Osim što djeluje kao staklenički plin ozon je i jaki oksidans koji dokazano ima štetan učinak na prinos usjeva, rast šuma i ljudsko zdravlje. Stalno se proizvodi i uništava u atmosferi djelovanjem svjetlosti, električnim pražnjenjima i kemijskim reakcijama. Povećane koncentracije ozona tipične su za urbana područja s gustim automobilskim prometom i jakom industrijom: ozon je glavni sastojak gradskog (fotokemijskog) smoga. [34]

 

Pod svjetlom Sunčevog reflektora

Srećom se samo 10 % od ukupnog ozona prisutnog u atmosferi nalazi se u troposferi - dijelu atmosfere u kojem se krećemo, radimo i dišemo. Ostatak se nalazi u stratosferi koja je udaljena 10-15 km od površine (ovisno o geografskoj širini). Za razliku od troposfere u stratosferi temperatura raste s visinom a stratosferski dani uvijek su sunčani i mirni, bez daška vjetra. Idealno za vožnju avionom. Stratosferski ozon je "dobar" ozon koji čuva život na Zemlji apsorbirajući štetno ultraljubičasto zračenje (UV) koje nam stiže sa Sunca. Ako niste znali spore, bakterije, plijesni, pa čak i virusi uništavaju se UV zračenjem (UV-C se naziva i germicidno ili antimikrobno zračenje). Što zračenje ima manju valnu duljinu to je opasnije.

Ako ste iz priča zaključili kako ozon apsorbira cjelokupno UV zračenje prevarili ste se. Ozon apsorbira manje od 20 % UV zračenja dok glavninu, i to ono najopasnije, apsorbiraju kisik i dušik (jednostavno zato što ih je puno više u zraku). Zato smo, prema njegovom djelovanju na ljudsko zdravlje i okolinu, UV zračenje podijelili na tri područja: [35]

UV-C od 100 nm do 280 nm (75 %)

najopasnije je UV zračenje ali ne prodire do površine Zemlje jer ga apsorbiraju dušik (valne duljine ispod 100 nm) i kisik (valne duljine ispod 260 nm). Inače ovo zračenje proizvodi većinu atoma kisika potrebnih za proizvodnju ozona.

UV-B od 280 nm do 315 nm (20 %)

opasno zračenje koje može uzrokovati rak kože. Većinu ovog zračenja apsorbira ozon (valne duljine od 200 nm do 300 nm).

UV-A od 315 nm do 400 nm (5 %)

najmanje je štetno, ali ipak može doprinijeti starenju kože, oštećenju DNA i moguće raku kože. Malo tko u atmosferi je zainteresiran za apsorpciju ovog zračenja - 99 % UV zračenja koje dopire do površine Zemlje je UV-A.

 

Pojavila se rupa na zastoru

Nakon što su 1985. britanski istraživači s antarktičke postaje Halley Bay objavili da se smanjuje količina ozona u stratosferi (i nastaju "ozonske rupe") čovječanstvo je prvi put postalo svjesno da pila granu na kojoj sjedi. Svjetska znanost, industrija i politika udružili su se da pronađu rješenje i složi su se da prestanu upotrebljavati klorofluorougljikovodike (CFC, razni freoni koji se koriste za hlađenje), metil bromid (ubrzava zrenje voća) i slične spojeve za koje su našli da su krivi za uništavanje "dobrog" ozona (ocjene temeljene na radovima nizozemskog kemičara Paul Crutzena iz 1969. i američkih kemičara Maria Moline i Franka Sherwood Rowlanda iz 1974.). Upotreba ovih kemikalija s godinama se smanjila a ozonska rupa nije. Zašto se ozonska rupa ne smanjuje?

Kao i obično, postoji nekoliko objašnjenja koja se kreću od tromosti atmosfere i stabilnosti CFC spojeva do otkrivanja novih spojeva koji "buše rupe" u ozonskom omotaču. Da ne prepričavamo uvijek tuđe priče hajdemo napisati jednu koja će nam ilustrirati događanja u stratosferi. Da se odmah razumijemo, kemija atmosfere je jako složena i ovaj jednostavni model sigurno neće opisati sve procese koji se u njoj odvijaju - niti mu je to cilj. [36, 37]

 

Postavimo scenu

Za početak uzmimo jedan jednostavni model atmosfere sastavljen samo od kisika i dušika (ionako oni čine više od 99 % atmosfere). Kakvi uvjeti vladaju u stratosferi? Temperatura zraka raste s visinom (od -80 °C do 0 °C) a gustoća eksponencijalno opada (koncentracija zraka pada s 10^-3 mol dm^-3 na 10^-5 mol dm^-3). Dan je predivan, sunčan. Vodene pare ima samo u tragovima. Slika 8. prikazuje kako se (na umjerenim geografskim širinama) sastav i temperatura atmosfere mijenjaju s visinom. [38]

Slika 8. Lijevo: Temperaturni profil atmosfere. U sredini: Promjena gustoće atmosfere i sadržaja ozona s visinom. Desno: Promjena sastava zraka s visinom (Liou, 2002). → Preuzimanje slike visoke kvalitete

Dok vi proučavate sliku prisjetimo se malo osnova kemije. Poznato vam je da brzina kemijske reakcije ovisi o broju sudara molekula (atoma ili iona), ali i to da svaki sudar ne rezultira nastajanjem produkta. Samo one čestice koje imaju energiju jednaku ili veću od energije aktiviranja (E_a) mogu sudarom reagirati. [39]

Koliko je takvih čestica kaže nam Maxwell-Boltzmannova distribucija

N_a = N₀·e^(Ea/RT)

Možemo vidjeti da broj čestica koje imaju dovoljno energije da dođe do uspješnog sudara proporcionalno raste s ukupnim brojem čestica ali i da eksponencijalno pada s padom temperature (Arrhenius).

U razrijeđenom i hladnom zraku stratosfere kinetička energija molekula je mala pa ćemo pretpostaviti da je glavni inicijator svih reakcija svjetlost. Da bi saznali koji dio svjetlosti pokreće naše reakcije moramo znati energije veze naša dva glavna konstituenta atmosfere, dušik (78.084 %) i kisik (20.948 %):

N₂ + hν => 2 N      ΔH = 946 kJ/mol      λ(N₂->2N) < 127 nm

O₂ + hν => 2 O      ΔH = 494 kJ/mol      λ(O₂->2O) < 241 nm

Samo fotoni s valnim duljinama ispod 241 nm (127 nm) imaju dovoljno energije da prekine molekularne veze kisika (dušika). Ako ste pratili što piše u ovom tekstu onda vam je jasno da jedino UV-C zračenje ima dovoljno energije da obavi taj posao. Atomi kisika, a pogotovo atomi dušika, jako mrze da budu sami.

 

Pojavljivanje i nastajanje glumaca sa scene

Sad kad imamo ove jako reaktivne atome dušika (N) i kisika (O) nastale fotolizom dopustit ćemo da može doći do kemijske reakcije. Kad se ovi atomi razlete po stratosferi tražeći s kim će se sparit, najveća je vjerojatnost da to bude s molekulama dušika (N₂) i kisika (O₂) jer se 99 od 100 susreta dešava upravo s njima.

O₂ + O => O₃

O₂ + N => NO₂

N₂ + O => N₂O

Na desnom dijelu slike 8. možete pratiti kako se mijenja sastava zraka s visinom odnosno gustoćom atmosfere (nemojte smetnuti s uma da volumni udio čitate na logaritamskoj skali - svaka crtica znači deset puta manju koncentraciju). Kako se spuštamo sve niže kroz stratosferu rastu gustoća i neprozirnost atmosfere - svjetlost ima sve više čestica za gađanje (ali sve je manje visokoenergetskih fotona u njoj).

Zemljina atmosfera u ravnoteži je već nekoliko milijuna godina pa bi bilo dobro da i naš model atmosfere bude u ravnoteži. Sad, kako je ovo samo ilustracija, zanemarit ćemo neke reakcije i ostavit fotone da i dalje razbijaju veze na koje nalete (ako imaju energije za to) a istaknut ćemo samo dva dijela slike koji utječu na smanjivanje količine ozona.

Kao i svaki dobar radnik ozon se stalno troši radeći svoj posao - štiteći Zemlju od UV-B zračenja

O₃ + hν => O₂ + O

ali i u sudarima s kisikovim atomima.

O₃ + O => 2O₂

Uz to su, porastom gustoće, sve češći i "neproduktivni" sudari koji za posljedicu imaju smanjenje koncentracije kisikovih atoma

N₂O + O => 2NO

NO + O => NO₂

NO₂ + O => NO + O₂

A smanjenje broja slobodnih kisikovih atoma dovodi do smanjenja proizvodnje ozona. Dio atmosfere (od 15 km do 30 km - što ovisi o geografskoj širini i godišnjem dobu) gdje se nalazi većina ozona nazivamo ozonskim slojem. Maksimalnu koncentraciju ozona imamo na visini od 20 km (i to ovisi o geografskoj širini i godišnjem dobu) nakon čega naglo opada. Primijetite da jedino dušikov dioksid (NO₂) ima pozitivan trend rasta udjela kroz sve slojeve stratosfere.

Ukupna količina ozona u atmosferi i nije naročito velika. Kad bi se sav ozon spustio na Zemljinu površinu dobili bi sloj debeo tek nekoliko milimetara. Dobsonove jedinice (DU , Dobson Units) u kojima se mjeri koncentracija ozona upravo su tako definirane: 1 DU označava debljinu sloja ozona od 0.01 mm pri temperaturi zraka 0 °C i tlaku od 1013 hPa. Prosječna vrijednost ozonskog omotača u atmosferi je oko 300 DU što znači da mu je debljina oko 3 mm (a ozonska rupa počinje na "dubini" od 220 DU ili 2.2 mm).

 

Sudjelovanje publike u predstavi

Dopustimo da u naš model uleti jedan moćni antropogeni izvor dušikovih oksida. Kako bi izbjegli loše vrijeme u troposferi, i uštedjeli gorivo, komercijalni zrakoplovi lete i iznad 10 km pri čemu njihovi motori izbacuju svoje sagorjevne plinove direktno u stratosferu (ili ih ostavljaju na njenom pragu). Kako naš poznati NO_x par (NO + NO₂) utječe na ozon možete vidjeti u prethodnom poglavlju, a što svi ostali spojevi, poznati i nepoznati, mogu uraditi u stratosferi ostavljamo nekom detaljnijem modelu. Slika 9. prikazuje odnos između povećanja avionskog prometa i smanjenja ozonskog sloja. [40]

Slika 9. Moguća veza između povećanja zrakoplovnog prometa i smanjenja ozonskog sloja (Air Transport Association, 2011.; WMO, 2011.). → Preuzimanje slike visoke kvalitete

Oprez, statistika je kurva. Isto sam tako mogao usporediti proizvodnju plastičnih žličica za kavu ili kartonskih kutija sa smanjenjem ozonskog sloja i dobiti iste rezultate. Činjenica je da su i avioprijevoz i plastične žličice i kartonske kutije povezani s rastom industrijske proizvodnje općenito. Koliko god izgledao vjerojatnim, i koliko god se meni sviđao, ovaj model ne dokazuje ništa. Svrha svakog modela je postavljanje hipoteza koje se mogu (i moraju) dokazivati. A svaki rezultat provjere hipoteze, bio on pozitivan ili negativan, proširit će nam znanje o sustavu koji modeliramo. Ali poslušajmo mi engleskog filozofa Williama iz Ockhama (latin. Occam, c. 1287.–1347.) koji tvrdi da je najjednostavnije objašnjenje najčešće i najtočnije (Occamova britva ili oštrica) i zadržimo se na našem modelu.

Potražite li malo po Internetu brzo ćete doći do podataka (od avio kompanija) kako zrakoplovi nemaju veliki utjecaj na klimu jer po putniku i prijeđenim kilometrima troše kao osobni automobili. Ali poznato je da komercijalni zrakoplovi voze na malo većim visinama nego osobni automobili, a gibanja zraka na tako velikim visinama (10-12 km) nisu ni približno živahna kao ona u troposferi. Koliki bi bio utjecaj zrakoplova na kemiju stratosfere možemo procijeniti ako za primjer uzmemo Airbusov dvomotorni A330-300, tzv. "zeleni" zrakoplov: dolet mu je 10 800 km a volumen rezervoara 97 530 L što bi bilo više od 9 L goriva po kilometru (nešto veći četveromotorni A340-500 troši skoro 13 L/km). Koliko svjetski zrakoplovi godišnje prelete kilometara pogledajte na Slici 9. [41]

Dakle možemo zaključiti da djelovanje ozona ovisi o tome koliko smo udaljeni od njega: gradski nas truje (fotokemijski smog), troposferski nas grije (staklenički plin) a stratosferski štiti (ozonski sloj).

Ups, otišao sam malo previsoko pa bi najbolje bilo da se izvučem iz ozonske rupe i vratim na Zemlju gdje su u tijeku pripreme za veliku bitku.