6.2: Озон

Озон (O ₃) - молекула, в якій три атома кисню пов'язані між собою. Газ кисню в повітрі, яким ми дихаємо, має два атоми кисню, з'єднані між собою (O ₂). Озон є відносно нестабільним і звільняє свій третій атом кисню легко, тому він окислюється і спалює речі легше, ніж газ кисню. Ця характеристика робить озон у тропосфері (приземний озон) забруднювачем повітря (див. Розділ 6.3), але в стратосфері озон необхідний для захисту життя на Землі. Озон в стратосфері утворюється, коли молекула кисню (O ₂) розбивається на два окремих атома кисню (О) високоенергетичним ультрафіолетовим (УФ) сонячним випромінюванням. Кожен з одержаних атомів кисню (О) в свою чергу вступає в реакцію з молекулою кисню (O ₂), створюючи озон (O ₃) (рис. 6.2.1). Після отримання озон може поглинати УФ-випромінювання, розбиваючи молекулу, щоб регенерувати молекулу кисню та єдиний атом кисню. Отже, поки озон постійно поповнюється, він також постійно руйнується. Якщо швидкість створення озону дорівнює швидкості руйнування, загальна кількість залишиться колишнім. Оскільки в нашій атмосфері так багато кисню, цей «озоно-кисневий цикл» безперервно поглинає УФ-випромінювання.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): «Озоно-кисневий цикл», що показує природне утворення та руйнування озону (O3) у стратосфері

6.2.1: Озоновий шар

Озон становить дуже малу частку газів в нашій атмосфері, і більша його частина зосереджена в частині стратосфери приблизно на 17—30 км над поверхнею. Цей регіон, званий озоновим шаром, діє як захисний щит, який захищає життя на поверхні Землі, поглинаючи більшу частину шкідливих частин високоенергетичного ультрафіолетового випромінювання, що надходить від сонця. УФ підрозділяється на три типи, а саме UV-A, UV-B та UV-C (рис. 6.2.2). З цих трьох типів УФ-А є найменш енергійним і найменш шкідливим, але може завдати певної шкоди живим клітинам, що призводить до сонячних опіків та пошкодження шкіри. УФ-А також не поглинається озоном в стратосфері і тому передається через атмосферу на поверхню Землі. УФ-С є найшкідливішим і найенергійнішим з усіх УФ, але сильно поглинається як в термосфері, так і в стратосфері і не добирається до поверхні Землі. УФ-С відповідає за розщеплення молекул кисню в стратосфері, що призводить до утворення озону. Коли озон поглинає УФ, він регенерує атоми кисню і виділяє тепло, яке прогріває верхню частину стратосфери. Оскільки UV-C не добирається до поверхні Землі, найбільш шкідливою формою УФ-випромінювання, яка досягає поверхні, є UV-B. Однак кількість УФ-В, що досягає поверхні Землі, значно зменшується, оскільки більша його частина поглинається озоном в стратосфері. Озон - єдиний відомий газ, який поглинає УФ-В.

Природні умови в стратосфері підтримують динамічний баланс між створенням і руйнуванням озону, що сприяє забезпеченню подальшого існування озонового шару. Будь-яке порушення цього балансу, що призводить до більш високої швидкості руйнування озону, ніж створення озону, призведе до виснаження озону. Зниження озону, отже, призводить до значного збільшення кількості шкідливого УФ-В-випромінювання, яке досягає поверхні Землі, і про це ми говоримо, коли обговорюємо проблему озону.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Озон «хороший» в стратосфері, оскільки він поглинає більшість ультрафіолетового випромінювання. Озон «поганий» в тропосфері, оскільки шкідливо дихати і є основним компонентом смогу влітку. Джерело: www.nasa.gov

6.2.2: Озонова діра

Озонова діра насправді не є «дірою», а скоріше областю, де товщина озонового шару значно зменшується. Ця діра є результатом виснаження озонового шару, яке відбувається щороку під час весни Антарктики (рис.\(\PageIndex{3}\)) і вперше було повідомлено громадськості Британським антарктичним оглядом у 1985 році. Товщина озонового шару над Антарктикою продовжувала знижуватися, тоді як географічна зона, покрита озоновою дірою, продовжувала зростати, досягнувши найнижчої концентрації (товщини) у 1994 році та найбільшої географічної зони в 2000 році. Останні дані показують, що концентрація озону в усьому світі та в Арктиці та Антарктиці більше не знижується.

У довгі зимові місяці темряви над Антарктикою атмосферні температури падають, створюючи унікальні умови для хімічних реакцій, які більше ніде в атмосфері не зустрічаються. За цей час антарктична повітряна маса ізольована від решти атмосфери і циркулює навколо полюса в так званому полярному вихорі. Ця ізоляція дозволяє температурі знижуватися досить низько, щоб створити кристали льоду на великих висотах. Озон, азотна кислота, сірчана кислота та інші хлорсодержащие молекули поглинаються на поверхнях цих частинок льоду. Коли сонце піднімається над Антарктикою південною весною (жовтень), світло швидко виділяє вільні атоми хлору в стратосферу. Атоми хлору реагують з озоном, розщеплюючи його до молекулярного кисню та атома кисню. Полярний вихор утримує озонозруйноване повітря всередині вихору від змішування з недопущеним повітрям поза вихору, звідси утворюється озонова діра.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Концентрації озону над Антарктичним регіоном протягом чотирьох місяців, що представляють чотири сезони. Концентрація озону значно падає під час антарктичної весни (жовтень). Джерело: www.nasa.gov

6.2.3: Вирушення озонового шару

Глобальні концентрації озону періодично змінюються з регулярними природними циклами, такими як зміна сезонів, вітри та тривалі зміни масштабу сонця. Концентрації озону в атмосфері вимірюються частинами на мільярд (ppb). Вчені вимірюють озон з 1920-х років, використовуючи наземні прилади, які дивляться в небо. Супутникові вимірювання концентрацій атмосферного озону почалися в 1970 році і тривають і сьогодні.

Виснаження озону відбувається тоді, коли швидкість розщеплення озону перевищує швидкість його створення, заважаючи динамічному балансу між створенням і руйнуванням, що підтримує озоновий шар. Коли це відбувається, кількість шкідливого УФ-В випромінювання, яке досягає поверхні Землі, збільшується. Виснаження озонового шару було вперше виявлено над Антарктикою. Вчені припустили, що реакції за участю техногенних хлорвмісних сполук відповідають за руйнування озону в стратосфері. Ця гіпотеза ґрунтувалася здебільшого на фізичних і хімічних властивостях цих сполук і знаннях про атмосферні умови.

Хлорфторуглеці (ХФУ) - це техногенні сполуки, що складаються з хлору, фтору та вуглецю. Ці сполуки зазвичай використовувалися як пропелленти в повсякденних продуктах, таких як крем для гоління, лак для волосся, дезодоранти, фарби та інсектициди, а також як охолоджуючі рідини в холодильниках та кондиціонерах. ХФУ є надзвичайно стабільними молекулами і не вступають в реакцію з іншими хімічними речовинами в нижній атмосфері, що є частиною причини, чому вони вважалися безпечним вибором. Їх стабільність означає, що вони, як правило, залишаються в атмосфері дуже довго. При постійному русі повітря в нижній атмосфері ХФУ в кінцевому підсумку пробиваються в стратосферу. Вплив ультрафіолетового випромінювання в стратосфері розбиває їх, виділяючи атоми хлору. Потім атоми вільного хлору (Cl) вступають в реакцію з молекулами озону, приймаючи один атом кисню для утворення монооксиду хлору (ClO) і залишаючи молекулу кисню (O ₂) (рис.\(\PageIndex{4}\)). ClO реагує з іншими атомами, звільняючи Cl, роблячи його доступним для реагування з іншою молекулою озону, повторюючи цикл знову і знову, що призводить до руйнування озону.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Руйнування озоном. УФ-випромінювання звільняє атом хлору (Cl) від молекули CFC, цей атом реагує з озоном і виробляє молекулу газу кисню і монооксид хлору (ClO). ClO реагує з іншим атомом кисню, він звільняє атом Cl, який потім переходить до руйнування іншої молекули озону. Джерело: Вікі Вікісховище https://commons.wikimedia.org/wiki/C... _catalysis.GIF

Якби кожен атом хлору, що виділяється з молекули ХФУ, знищив лише одну молекулу озону, ХФУ становитиме дуже незначну загрозу для озонового шару. Однак, коли молекула окису хлору стикається з вільним атомом кисню, атом кисню розщеплює окис хлору, крадучи атом кисню і вивільняючи атом хлору назад у стратосферу, щоб зруйнувати іншу молекулу озону. Ці дві реакції відбуваються знову і знову, так що один атом хлору, виступаючи каталізатором, руйнує багато молекул (близько 100 000) озону. Наслідком стратосферного руйнування озонового шару є підвищення рівня УФ-В випромінювання, що досягає поверхні Землі, що становить загрозу здоров'ю людини і навколишньому середовищу. \(\PageIndex{}5\)На малюнку показано нижчу за середню кількість стратосферного озону над Північною Америкою в 1997 році, коли було аномально холодно порівняно з 1984, що було тепліше середнього, показуючи, що руйнування озонового шару не впливає виключно на Південний полюс (Антарктика).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Сезонне руйнування озону над Північною Америкою було нижчим у 1984 році та більшим у 1997 році. Джерело: НАСА http://earthobservatory.nasa.gov/IOT...ew.php? ідентифікатор = 1771

6.2.4: Монреальський протокол

Міжнародні політичні зусилля щодо обмеження виробництва ХФУ, що руйнують озон, завершилися договором 1987 року, відомим як Монреальський протокол, в якому країни-підписали погодилися скоротити виробництво ХФУ вдвічі до 1998 року. Щонайменше п'ять подальших угод з тих пір допомогли поглибити скорочення, розширені графіки дотримання та розглянули додаткові озоноруйнівні речовини, такі як галони, метилхлороформ, тетрахлорметану вуглецю та гідрохлорфторуглероди (ГХФУ). Більшість країн світу поетапно припинили виробництво речовин, охоплених угодами, і промисловість змогла перейти на більш безпечні альтернативні хімічні речовини. Як результат, є докази того, що антарктична озонова діра перестала рости гірше, хоча відновлення не очікується найближчим часом. Поетапна відмова від ХФУ та ГХФУ також корисна для захисту земного клімату, оскільки ці речовини також дуже шкідливі парникові гази.

В рамках зобов'язань Сполучених Штатів щодо виконання Монреальського протоколу Конгрес США внесли зміни до Закону про чисте повітря (розділ 6.7), додавши положення про захист озонового шару. Найголовніше, що змінений Закон вимагав поступового припинення виробництва хімічних речовин, що руйнують озоновий шар. Поправки до Закону про чисте повітря, прийняті Конгресом, вимагають від Агентства з охорони навколишнього середовища (EPA) розробити та впровадити правила відповідального управління озоноруйнівними речовинами в Сполучених Штатах. Відповідно до Закону про чисте повітря, EPA створила кілька регуляторних програм для вирішення численних питань, включаючи:

• припинення виробництва озоноруйнівних речовин,
• забезпечення належної вторинної переробки холодоагентів та галонових вогнегасних речовин,
• виявлення безпечних та ефективних альтернатив озоноруйнівним речовинам,
• заборона викиду озоноруйнівних холодоагентів під час обслуговування, технічного обслуговування та утилізації кондиціонерів та іншого холодильного обладнання,
• вимагаючи, щоб виробники маркували продукти, що містять або виготовлені з найбільш шкідливими озоноруйнівними речовинами.