13,8: Стратосферний озон - життєвий щит Землі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20587

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Охарактеризуйте виснаження озонового шару.
Поясніть, як атоми хлору і брому реагують з озоном, що призводить до виснаження озонового шару.

Стратосферний озоновий шар Землі відіграє вирішальну роль у поглинанні ультрафіолетового випромінювання, випромінюваного сонцем. За останні тридцять років було виявлено, що стратосферний озон руйнується внаслідок антропогенних забруднювачів. Існує ряд хімічних реакцій, які можуть руйнувати стратосферний озон; однак, деякі з найбільш значущих з них включають каталітичне руйнування озону галогенними радикалами, такими як хлор і бром.

Вступ

Атмосфера Землі розділена на п'ять шарів. У порядку найближчих і товстих до найдальших і найтонших шари перераховані наступним чином: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера і екзосфера. Більшість озону в атмосфері знаходиться в стратосфері, яка простягається від шести миль над поверхнею Землі до 31 милі. Люди сильно покладаються на поглинання ультрафіолетових променів B озоновим шаром, оскільки УФ-B випромінювання викликає рак шкіри і може призвести до генетичних пошкоджень. Озоновий шар історично захищав Землю від шкідливих ультрафіолетових променів, хоча в останні десятиліття цей захист зменшився через руйнування стратосферного озону.

Виснаження озонового шару в значній мірі є результатом техногенних речовин. Люди ввели в атмосферу гази і хімічні речовини, які швидко виснажували озоновий шар в минулому столітті. Це виснаження робить людей більш вразливими до УФ-B променів, які, як відомо, викликають рак шкіри, а також інші генетичні деформації. Можливість руйнування озону вперше була введена вченими в кінці 1960-х років, оскільки мрії про супер звуковому транспорті стали втілюватися в реальність. Вчені давно знали, що оксид азоту (NO) може каталітично реагувати з озоном (\(O_3\)) для отримання\(O_2\) молекул; однак\(NO\) молекули, вироблені на рівні землі, мають період напіврозпаду занадто короткий, щоб потрапити в стратосферу. Лише до появи комерційних суперзвукових струменів (які літають в стратосфері і на висоті, набагато більшій, ніж звичайні струмені), потенціал для\(NO\) реагування зі стратосферним озоном став можливим. Загроза виснаження озону від комерційного суперзвукового транспорту була настільки великою, що її часто називають основною причиною, чому федеральний уряд США витягнув підтримку його розвитку в 1971 році. Страх перед руйнуванням озонового шару зменшувався до 1974 року, коли Шервуд Роуленд і Маріо Моліна виявили, що хлорфторуглероди можуть бути фотолізовані фотонами високої енергії в стратосфері. Вони виявили, що цей процес може вивільняти радикали хлору, які каталітично реагують з молекулою\(O_3\) і руйнують її. Цей процес називається теорією\(O_3\) виснаження Роуленда-Моліна.

Цикл Чепмена

Стратосфера знаходиться в постійному циклі з молекулами кисню і їх взаємодією з ультрафіолетовими променями. Цей процес вважається циклом через його постійного перетворення між різними молекулами кисню. Озоновий шар створюється, коли ультрафіолетові промені реагують з молекулами кисню (O ₂) для створення озону (O ₃) і атомарного кисню (O). Цей процес називається циклом Чепмена.

Крок 1: Молекули кисню фотолізуються сонячним випромінюванням, створюючи два радикали кисню:

\[ h\nu + O_2 \rightarrow 2O^. \nonumber \]

Крок 2: Кисневі радикали потім реагують з молекулярним киснем для отримання озону:

\[O_2 + O^. \rightarrow O_3 \nonumber \]

Крок 3: Потім озон реагує з додатковим радикалом кисню, утворюючи молекулярний кисень:

\[O_3 + O^. \rightarrow 2O_2 \nonumber \]

Крок 4: Озон також може бути перероблений в молекулярний кисень, реагуючи з фотоном:

\[O_3 + h\nu \rightarrow O_2 + O^. \nonumber \]

Важливо пам'ятати, що озон постійно створюється і руйнується циклом Чепмена і що ці реакції є природними процесами, які відбуваються мільйони років. Через це товщина озонового шару в будь-який конкретний час може сильно відрізнятися. Важливо також знати, що O ₂ постійно впроваджується в атмосферу за допомогою фотосинтезу, тому озоновий шар має здатність регенерувати себе.

Хімія руйнування озонового шару

Молекули ХФУ складаються з атомів хлору, фтору та вуглецю і надзвичайно стабільні. Ця надзвичайна стабільність дозволяє CFC повільно пробиратися в стратосферу (більшість молекул розкладається, перш ніж вони можуть перетнути в стратосферу з тропосфери). Це тривале життя в атмосфері дозволяє їм досягати великих висот, де фотони більш енергійні. Коли CFC контактують з цими фотонами високої енергії, їх окремі компоненти звільняються від цілого. Наступна реакція показує, як атоми Cl мають цикл руйнування озону:

\[Cl + O_3 \rightarrow ClO + O_2 \tag{step 1} \]

\[ClO + O^. \rightarrow Cl + O_2 \tag{step 2} \]

\[O_3 + O^. \rightarrow 2O_2 \tag{Overall reaction} \]

Хлор здатний зруйнувати стільки озону, оскільки він діє як каталізатор. Хлор ініціює розпад озону і поєднується зі звільненим киснем для створення двох молекул кисню. Після кожної реакції хлор знову починає руйнівний цикл з іншою молекулою озону. Один атом хлору може тим самим знищити тисячі молекул озону. Оскільки молекули озону руйнуються, вони не в змозі поглинати будь-яке ультрафіолетове світло, тому ми відчуваємо більш інтенсивне УФ-випромінювання на поверхні землі.

З 1985 по 1988 рік дослідники, які вивчали властивості атмосфери над південним полюсом, постійно помічали значно знижені концентрації озону безпосередньо над континентом Антарктида. Протягом трьох років передбачалося, що дані про озон були невірними і були обумовлені деяким типом несправності приладу. У 1988 році дослідники нарешті усвідомили свою помилку і прийшли до висновку, що величезна діра в озоновому шарі дійсно розвинулася над Антарктидою. Дослідження супутникових даних НАСА пізніше показало, що діра почала розвиватися в середині 1970-х років.

Озонова діра над Антарктидою утворена безліччю унікальних атмосферних умов над континентом, які поєднуються, щоб створити ідеальне середовище для руйнування озону.

Оскільки Антарктида оточена водою, вітри над континентом дують в унікальному напрямку за годинниковою стрілкою, створюючи так званий «полярний вихор», який фактично містить єдину статичну повітряну масу над континентом. В результаті повітря над Антарктидою не змішується з повітрям в решті земної атмосфери.
Антарктида має найхолодніші зимові температури на землі, часто досягаючи -110 F. Ці охолоджуючі температури призводять до утворення полярних стратосферних хмар (PSC), які є конгломерацією заморожених H ₂ O та HNO ₃. Завдяки своїм надзвичайно низьким температурам, PSC утворюють електростатичне тяжіння з молекулами CFC, а також іншими галогенізованими сполуками

Коли весна приходить в Антарктиду, PSC плавиться в стратосфері і вивільняє всі галогенізовані сполуки, які раніше були поглинені в хмару. В антарктичне літо фотони високої енергії здатні фотолізувати галогенізовані сполуки, звільняючи галогенні радикали, які потім каталітично руйнують O ₃. Оскільки Антарктида постійно оточена полярним вихором, радикальні галогени не здатні розбавлятися по всій земній кулі. Озонова діра розвивається в результаті цього процесу.

Обурені дослідження говорять про те, що сила полярного вихору з будь-якого даного року безпосередньо корелює з розмірами озонової діри. У роки з сильним полярним вихором озонова діра, як видно, розширюється в діаметрі, тоді як в роки зі слабшим полярним вихором озонова діра відзначається, що зменшується

Озоноруйнівні речовини

Наступні речовини перераховані як озоноруйнівні речовини відповідно до розділу VI Закону про чисте повітря США:

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Озоноруйнівні речовини та їх озоноруйнівний потенціал. Взято безпосередньо з Закону про чисте повітря, станом на червень 2010 року.
Речовина	Потенціал руйнування озону
хлорфторуглерод-11 (CFC-11)	1.0
хлорфторуглерод-12 (CFC-12)	1.0
хлорфторуглерод-13 (CFC-13)	1.0
хлорфторуглерод-111 (CFC-111)	1.0
хлорфторуглерод-112 (CFC-112)	1.0
хлорфторуглерод-113 (CFC-113)	0.8
хлорфторуглерод-114 (CFC-114)	1.0
хлорфторуглерод-115 (CFC-115)	0.6
хлорфторуглерод-211 (CFC-211)	1.0
хлорфторуглерод-212 (CFC-212)	1.0
хлорфторуглерод-213 (CFC-213)	1.0
хлорфторуглерод-214 (CFC-214)	1.0
хлорфторуглерод-215 (CFC-215)	1.0
хлорфторуглерод-216 (CFC-216)	1.0
хлорфторуглерод-217 (CFC-217)	1.0
галон-1211	3.0
галон-1301	10.0
галон-2402	6.0
чотирихлористий вуглець	1.1
метилхлороформ	0.1
гідрохлорфторуглерод-22 (HCFC-22)	0,05
гідрохлорфторуглерод-123 (HCFC-123)	0,02
гідрохлорфторуглерод-124 (HCFC-124)	0,02
гідрохлорфторуглерод-141 (b) (ГХФУ—141 (b))	0.1
гідрохлорфторуглерод-142 (b) (ГХФУ—142 (b))	0,06

Резюме

Будь-яке порушення балансу, що призводить до більш високої швидкості руйнування озону, ніж створення озону, призведе до виснаження озону.
Деякі сполуки, що виділяють хлор або бром при впливі інтенсивного ультрафіолетового світла в стратосфері, сприяють руйнуванню озонового шару, і називаються озоноруйнівними речовинами (ОРВ)
Монреальський протокол - це міжнародна угода, яка зобов'язалася всіма сторонами (країни-підписантами) до графіка поетапного припинення виробництва та використання ХФУ та інших речовин, які, як відомо, шкідливі для озонового шару.

Дописувачі та атрибуція

Libretext: Supplemental Module, Physical and Theoretical Chemistry
Template:ContribAgnewM