Lyuk az égen Understand article

Fordította: Adorjánné Farkas Magdolna. Huszonöt évvel ezelőtt az ózonlyuk felfedezése megrázta a sajtót. Tim Harrison és Dudley Shallcross elemzi az azóta kialakult helyzet.

A lyuk felfedezése

Ez egy meglepő felfedezés volt, emlékezik vissza Jonathan Shanklin, a lyuk egyik felfedezője: 1977-ben csatlakozott a British Antarctic Survey^w1 (Brit Antarktisz-kutatáshoz). Az volt a feladata, hogy digitalizálja az addig kézírással rögzített ózonmérési adatokat. Történetesen, az általa feldolgozott időszak tartalmazta az 1970-es éveket, amikor elkezdett csökkenni az ózonszint.

Akkor már felmerült annak a gyanúja, hogy az iparban használt klorofluorokarbonátok (CFC gázok) – szerves vegyületek, például a triklorofluorometán (CFCl₃) és a diklorodifluorometán (CF₂Cl₂), amelyeket széles körben használnak a hűtőszekrényekben, hajtógázként a szóróflakonokban és oldószerként – tönkretehetik az ózonréteget. Shanklin 1983-ban egy előadásra készített egy grafikont – ironikusan annak a bemutatására, hogy az év ózonadatai nem térnek el a 20 évvel azelőttiektől. Ez igaz is volt az átlagos értékekre, azonban feltűnt neki, hogy a tavasszal mért értékek évről évre csökkenő tendenciát mutatnak. A további kutatások megerősítették ezt a felfedezést, és 1985-ben Shanklin és munkatársai, Joe Farman és Brian Gardiner publikálták a felfedezésüket: a déli félgömbön az Antarktisz fölött minden tavasszal lyuk keletkezik az ózonrétegben, amely egyre nő, és ezt valószinűleg a CFC gázok okozzák (Farman et al., 1985).

Mi a folyamat kémiai magyarázata, és miért veszélyes az ózonlyuk?

Ózon a sztratoszférában

Az ózon (O₃) az oxigén 3 atomos megjelenési formája, amely kevésbé stabil, mint a kétatomos (O₂). Ez egy halványkék színű gáz, amely kis koncentrációban jelen van az atmoszférában – kétélű fegyver: a troposzférában (ld. később), jelenlévő ózon szennyeződésnek számít, amely károsítja az emberek és egyes állatok légzőrendszerét és égési sérüléseket okoz az érzékeny növényeken. A sztratoszféréban jelenlévő ózon azonban hasznos, mivel megakadályozza, hogy a Napból érkező ultraibolya (UV) sugárzás eléje a Föld felszínét.

Főként a sztratoszférában, a Föld felszínétől távolodva az atmoszféra második rétegében (körülbelül 10-50 km magasságban ld. az ábrát), a következő fotokémiai folyamat során képződik ózon:

O₂ + hν               → O• + O•            λ ~ 200 nm                (1)

O• + O₂ + M         → O₃ + M                                            (2)

Egy oxigénmolekula (O₂) az UV fényből elnyel egy fotont (hν), amelynek a hullámhossza (λ) körülbelül 200 nm, és két oxigénatomra bomlik (O•) (1. reakció). Azután mindkét oxigénatom hozzákapcsolódik egy-egy oxigénmolekulához, és így ózonmolekulák keletkeznek. Ha elegendően nagy a nyomás (M), (körülbelül egy-ezred atmoszféra, 100 Pa), akkor stabil marad az ózonmolekula. (2. reakció). Minél nagyobb a tengerszint feletti magasság, annál gyorsabban történik az 1. reakció (a Földfelszínhez 20 km-nél közelebb egyáltalán nem jutnak el a 200 nm-es fotonok, ugyanis elnyelődnek az 1. reakció során.) Azonban a 2. reakció gyorsabban megy végbe a felszínhez közel, mert ott nagyobb a légköri nyomás. A két reakció eredményeként a legtöbb ózon a 25 – 30 km-es magasságban van (ld.: a grafikont).

A sztratoszféra két ok miatt is fontos szerepet tölt be a földi élet szempontjából. Egyrészt, az ózon 250 nm hullámhosszúságú nagyenergiájú UV sugárzást nyel el (3. reakció).

O₃ + hν    →    O• + O2    λ ~ 250 nm   ΔH = – 90 kJ mol-1     (3)

A légkörben az oxigén (1. reakció) és az ózon (3. reakció) elnyeli a 200 és 300 nm közötti rövidhullámú UV sugárzás nagy részét, amely különben nagy mértékben károsítaná a földi életet.

Másrészt, a 3. reakció sok hőt termel, így a sztratoszféra melegebb, mint a troposzféra felső része (ld. a baloldali képet), így a troposzféra időjárása kevésbé szélsőséges, mint amilyen enélkül lenne.

A 2. és a 3. reakció során az oxigénatomok és az ózonmolekulák között gyors átalakulás zajlik le.Végbemegy azonban még egy lassú reakció is az oxigénatom és az ózonmolekula között, a következő módon:

O• + O₃      →      O₂ + O₂                                               (4)

Az 1-4. folyamatok összegzése az alábbi diagrammon látható:

Természetes körfolyamatok, amelyek csökkentik az ózonszintet

Paul Crutzen, Mario Molina és F Sherwood Rowland 1995-ben kémiai Nobel díjat kaptak azért a munkájukért, amellyel feltárták az ózon keletkezésének és felbomlásának folyamatát a sztratoszférában. Mire jöttek rá? 1970-ben Crutzen és mások felfedezték, hogy léteznek olyan természetes anyagok, amelyek katalizátorként működve felgyorsítják a 4. reakciót és ezzel csökkentik az ózon mennyiségét a sztratoszférában (Crutzen, 1970, 1971): víz (H₂O), metán (CH₄), dinitrogén-oxid (N₂O) és klórmetán (CH₃Cl) jut a légkörbe a Föld felszínén lezajló biológiai folyamatok következményeként, és ezekből a vegyületekből szabad gyökök keletkeznek, mint hidroxil (OH•), nitrogén-oxid (NO•) és klorid (Cl•), amelyek katalizálják az ózon lebomlásának folyamatát.

Az 5. reakció megmutatja, hogy  a klórmetánból fotolízis során klóratom kerül a sztratoszférába, a 6. és 7. reakció pedig példa a katalitikus körfolyamatokra (ld. a fenti ábrát). Más katalizátorok közreműködése hasonló a 6. és 7. reakcióhoz. Klórmetánt tengeri és szárazföldi élőlények, mint például a vörös makroalga, a fehér gyökér gomba és a magasabb rendű növények egyaránt kibocsátanak annak a folyamatnak a során, amely szabályozza a sejtek kloridion szintjét. A klórmetán 30 – 40 év alatt eljut a sztratoszféra felső részébe (kb. 40 km magasságba), ahol a napfény hatására elbomlik (fotolízis):

CH₃Cl   +   hν       →       •CH₃  +  Cl•               l ~ 200 nm       (5)

Az így keletkező szabad klóratom (Cl•) azután katalitikus körfolyamatokban vesz részt:

Cl•    +    O₃         →         ClO•  +  O₂                                   (6)

ClO•  +    O•         →          Cl•   +  O₂                                   (7)

A 6. és 7. reakció együtt megfelel a 4. reakciónak, de lényegesen gyorsabban megy végbe, mivel a klór/ klór-monoxid (ClO•) gyökök által katalizált reakció körülbelül 30000-szer gyorsabb. Akkor miért nem bomlik le az összes ózon ezekben a katalitikus körfolyamatokban? A válasz azokban a reakciókban rejlik, amelyek stabil molekulák képződése által megszakítják a körfolyamatokat:

Cl•  +  CH₄                 →    •CH₃  +  HCl                                 (8)

ClO•  +  •NO₂ +  M      →    ClONO₂  +  M                                (9)

Végül, a szabad klóratom összetalálkozik egy metánmolekulával és a reakció során hidrogén-klorid (HCl, 8. reakció) képződik. Hasonlóan, a klór-monoxid gyök összekapcsolódik a nitrogén-dioxid gyökkel és klór-nitrát jön létre (ClONO₂, 9. reakció) – mivel ez is nyomás-függő reakció, ezért kis magasságban könnyebben végbemegy. A hidrogén-klorid és a klór-nitrát egyaránt nagyon stabil, és a szabad klóratom és a klór-monoxid gyök kilépése a rendszerből végül megszakítja a katalitikus körfolyamatot.

Az antarktiszi ózonlyuk rejtélye

Nemrégen jöttek rá a tudósok arra, hogy a CFC gázok hasonlóan katalizálják az ózonlebontó folyamatokat: 1974-ben Molina és Rowland nemcsak arra figyelmeztettek, hogy szabályozás nélkül a CFC gázok mennyisége folyamatosan nő a légkörben, hanem azt is megjósolták, hogy a CFC gázok érzékelhetően hozzájárulnak az ózon csökkenéséhez a 40 km-es magasságban (ld.: Molina & Rowland, 1974). Mégis, amikor végül 1985-ben megtalálták az ózonlyukat, azt tavasszal a Déli-sark fölött 20 km-es magasságban észlelték (ld.: Farman et al., 1985).

Hamar kiderült a CFC gázokból felszabaduló klóratomok felelőssége, azonban sok kérdés maradt megválaszolatlanul. Miért a sarkpont fölött történik? Ha végbemegy a Déli-sark fölött, miért nem történik meg az Északi-sark fölött? Miért tavasszal történik? És az ózonlyuk miért 20 km magasságban keletkezik, az előrejelzett 40 km magasság helyett? Ennek az az oka, hogy a CFC vegyületek nem bomolhatnak el 20 km magasságban a napfény hatására, mivel a Föld-felszínhez ilyen közel ehhez már nem megfelelő a fotonsűrűség. Ezért nem keletkezik elegendő számú oxigénatom ahhoz, hogy végbemenjen a 7. reakció. Több évig tartó kutatás tárta fel a teljes történetet.

Először a CFC vegyületekből szabad klóratom szabadul fel, például:

             CFCl₃  +  hν    →    •CFCl2  +  Cl•        l ~ 200 nm           (10)

azután a klóratom reakcióba léphet a metánnal (8. reakció), és hidrogén-klorid keletkezik, vagy az ózonnal (6. reakció), és klór-monoxid gyök képződik, amiből a 9. reakció során klór-nitrát keletkezhet. Ez a reakciósorozat globálisan növelheti a sósav és a klór-nitrát koncentrációját a 40 km-es magasságban.

Amikor tél van a déli félgömbön, a Déli-sark körülbelül 3 hónapra sötétségbe borul. A Déli-sark fölött a sztratoszférában a levegő lehűl; az UV sugárzás nélkül a 3. reakció nem megy végbe, így nem keletkezik hő. A levegő lesüllyed, és mivel a Föld forgása következtében körbe áramlik, örvény keletkezik, akár a mosdókagylóból lefolyó víz esetében. Ez az örvény annyira stabil, hogy levegő se bejutni, se kijutni nem tud. Ezért a sósavban és klór-nitrátban gazdag levegő a 40 km-es magasságból lesüllyed ebben a hideg és sötét örvényben.

A szélsőségesen hideg sarki télben az örvényben lesüllyedő levegő -78°C (195 K) hőmérséklet alá hűl, és 15-25 km magasságban poláris sztratoszféra-felhő képződik a víz vagy a sósav kristályaiból.

Az első kémiai érdekesség, hogy a hidrogén-klorid és a klór-nitrát megkötődik a poláris sztratoszféra felhő felszínén és egy gyors heterogén reakció során légnemű anyagból szilárddá alakul, salétromsav (HNO₃) keletkezik, amely beépül a jégkristályba, míg a klórgáz (Cl₂) visszakerül a gáz fázisba.

HCl + ClONO2 → HNO₃ + Cl₂ poláris sztratoszféra felhő   (11)

Ez a folyamat télen mehet végbe, amikor elég hideg van ahhoz, hogy kialakuljanak a poláris sztratoszféra felhők. Amikor tavasszal újra kisüt a nap, akkor 15-25 km-es magasságban már sok klórmolekula van, amelyekből fotolízis során szabad klóratomok keletkeznek:

Cl₂ + hν →   Cl• + Cl•   l ~ 350 nm           (12)

és azután a 6. folyamat során klór-monoxid gyökök.

Azonban a poláris tél idején a 7. reakció (a klóratomok és oxigénmolekulák képződése klór-monoxid gyökből és oxigénatomból) nagyon lassan megy végbe, mivel kevés oxigénatom van jelen. Ennek az az oka, hogy ebben a magasságban már nincsenek jelen a 200 nm-es fotonok. Egy másik különleges kémiai folyamat azonban megtörténik. Nagyon alacsony hőmérsékleten, amilyen a pólusnál kialakult örvényben még tavasszal is uralkodik, a klór-monoxid gyökökből klór-peroxid (ClOOCl) képződik:

ClO• + ClO• →  ClOOCl                             (13)

Ez a vegyület szobahőmérsékleten nem stabil, azonban könnyen létrejön alacsony hőmérsékleten (-30 °C alatt), és utána fotolízis során elbomlik:

ClOOCl + hν →  Cl• + O2 + Cl•  l ~ 300 nm   (14)

Így, bár a 7. reakció nem mehet végbe, azonban a 14. reakció során mégis keletkeznek szabad klóratomok a 300 nm hullámhosszúságú fény segítségével, és az ózon lebomlásának körfolyamata azonnal elindul, ahogy megjelenik a napfény.

Hogyan különbözik ez a folyamat az előbbiekben megvizsgált katalitikus körfolyamattól – miért bomlik el az örvényben bizonyos magasságban minden ózon? Egyrészt, a 8. reakció (amelynek során megkötődnek a szabad klóratomok és ezzel megszakad a körfolyamat) nagyon lassú és ezért hatástalan az örvényben uralkodó alacsony hőmérsékleten. Másrészt, a nitrogén-dioxid, amely szükséges a 9. folyamathoz (amely szintén megszakítja a körfolyamatot a ClONO₂) létrejötte miatt), a téli viszonyok között salétromsavvá alakul (pl. a 9. és a 11. reakció során), és a visszaalakulásra nincs lehetőség, mivel az örvényben nincs felfelé áramlás (az örvény aljánál a levegő a Déli-pólustól az Egyenlítő felé áramlik, ahol megtörténik a felfelé áramlás). Ezért a folyamat ezen a szinten megsemmisíti az egész ózonréteget. Végül, az ózon nélkül nem mehet végbe a hőtermelő 3. reakció, ezért az örvény még tavasszal is sokáig megmarad, erősítve az ózonpusztulást.  

Az egyetlen ok, amiért az ózonlebomlás komolyabb a Déli-pólus felett, mint az Északi-pólus felett az, hogy tavasszal az utóbbi felett egy kicsivel magasabb a sztratoszféra hőmérséklete, annak köszönhetően, hogy az északi féltekén a középső és a nagy földrajzi szélességeknél több hegység található, és ezek megváltoztatják az atmoszférában végbemenő áramlások dinamikáját, így kevesebb poláris sztratoszféra felhő képződik.

Késő tavasszal ózondús levegő áramlik be az örvénybe, így végbemehet a 3. reakció, amely felmelegíti a levegőt és ezáltal megszűnik az örvény. Így lehetővé válik az atmoszférában a gázok keveredése és ózon áramlik be a környező levegőből az  ózonlyukba. 

Néhány év alatt az Antarktisz feletti  ózonlyuk olyan nagy kiterjedésű lett, hogy elérte Ausztráliát, Új-Zélandot, Chilét és Argentinát, a mérete másfélszer nagyobb volt az USA területénél. Amikor megszűnik az ózonlyuk, ózonmentes levegő áramlik a környező (lakott) területek, többek között Dél-Afrika fölé. Az itt élő emberek egészségét az ózonlyuk közvetlenül veszélyezteti. A fő gondot az jelenti, hogy megnő az UV sugárzás, amely bőrrákot, szürkehályogot idézhet elő és az immunrendszer gyöngülését okozhatja. Az erős UV sugárzás a növényzetet és az egyes építőanyagokat is károsíthatja.

A CFC gázok és az ózon ma

Ma már jól értjük az ózon létrejöttének és lebomlásának fizikáját és kémiáját.

Amint nyilvánvalóvá vált, hogy a CFC gázoknak szerepe van az ózon lebomlásában, Montreálban 1987-ben kormányszintű megállapodás született a CFC gázok használatának betiltásáról, és arról, hogy fokozatosan rövidebb élettartamú vegyületekkel (hidrofluorkarbonokkal és hidrokloro-fluorokarbonokkal) helyettesítik. A Montreali Egyezményt további kiegészítések erősítették meg 1990-ben és 1992-ben, amelyek felgyorsították a CFC gázok használatból kivonásának folyamatát. Ezt környezetvédelmi sikerként lehet elkönyvelni.

Az AGAGE (Advanced Global Atmospheric Gases Experiment)^w2, 1978 óta figyelemmel kíséri a CFC gázok és helyettesítőik szintjét: a mérési adatok azt mutatják, hogy a dikloro-difluorometánnak (CF2Cl2), a leghosszabb életű CFC-nek a mennyisége csökken: a szabályozás tehát hatásos (bal oldali ábra). Bár most is minden tavasszal keletkezik egy ózonlyuk a Déli-pólus felett, de a becslések szerint 2050-től már ez nem fog megtörténni, és 2080-ra a globális ózonszint újra eléri az 1950-es évekre jellemző értéket.

Az ózonlyuk kialakulása az növekvő CFC felhasználás rovására írható, amely az 1930-as években kezdődött. A CFC-k, akár más gázok, 30-40 év alatt érik el a sztratoszféra felső rétegét, emiatt az ózonrétegre gyakorolt hatásuk késleltetve jelenik meg. Most okoz a sztratoszférában kiugró klórkoncentráció-növekedést az, hogy az 1980-as években nagy mennyiségű CFC-t használtunk – így majd csak néhány év múlva számíthatunk arra, hogy csökken az évente megjelenő ózonlyuk mérete.

Bár lassan épül fel újra az eredeti ózonréteg, a katasztrófát sikerült megelőznünk: a tudósok kiszámították, hogyha továbbra is ugyanúgy évente 3 %-kal növekedett volna a CFC felhasználás, mint az 1970-es években, 2060-ra az ózonlyuk globális méretet öltene, és ez súlyos egészségi következményekkel járna. (Ld.: 53. oldal; Newman et al., 2009).

Az ózonlyuk alakulásából levonható legfontosabb következtetés az, hogy a bolygónkat nagyon gyorsan megváltoztathatja az emberi tevékenység – különösen rossz, de akár jó irányban is – és ha koncentráltan, hatásosan és gyorsan cselekszünk, jó irányban befolyásolhatjuk a változásokat.

Download

Download this article as a PDF