Przeczytaj

bg‑azure

Ozon

Ozon, który powstaje przy powierzchni Ziemi, jest zanieczyszczeniem wtórnym i powstaje w wyniku reakcji fotochemicznych tlenków azotu i lotnych związków organicznych z tlenem w atmosferze. Reakcje te przyspiesza wysoka temperatura powietrza. Taki ozon nazywany jest troposferycznym lub przyziemnym.

Z kolei ozon w stratosferze powstaje w wyniku oddziaływania promieniowania słonecznego na cząsteczki tlenu ( $O_{2}$ ), które w wyniku tego rozpadają się na dwa atomy tlenu ( $O$ ). Te następnie reagują z kolejnymi cząsteczkami $O_{2}$ i tworzą ostatecznie cząsteczki ozonu $O_{3}$ . Ozon ten nazywany jest stratosferycznym lub warstwą ozonową.

R1BIiv0ymblqu

Ilustracja przedstawiająca cząsteczki tlenu oraz ozonu przedstawione w różny sposób. 1. Model kulkowy. Cząsteczkę tlenu stanowią dwie niebieskie stykające się ze sobą kule, to jest dwa atomy tlenu. Cząsteczkę ozonu tworzą trzy niebieskie kule stykające się ze sobą tak, że tworzą kąt rozwarty wynoszący poniżej 120 stopni. 2. Model pręcikowo kulkowy. Cząsteczkę tlenu stanowią dwie niebieskie kulki, to atomy tlenu, połączone ze sobą za pomocą wiązania podwójnego, które symbolizują dwa pręciki łączące kulki. Cząsteczkę ozonu tworzą trzy kulki połączone pierwsza z drugą za pomocą jednego pręcika oraz pręcika przerywanego, druga z trzecią również za pomocą jednego pełnego pręcika i jednego przerywanego pręcika. Atomy tworzą kąt wynoszący 116,8 stopnia. 3. Zapis strukturalny. Cząsteczka tlenu zbudowana z dwóch atomów tlenu O połączonych za pomocą wiązania podwójnego, dwie poziome kreski łączące atomy tlenu. Cząsteczka ozonu trzy połączone ze sobą za pomocą wiązań pojedynczych i przerywanych linii stanowiących o niepełnym wiązaniu oraz występowaniu rezonansu, gdzie atom środkowy obdarzony jest cząstkowym ładunkiem dodatnim, zaś dwa skrajne atomy tlenu posiadają cząstkowe ładunki ujemne. — Modele cząsteczki tlenu oraz cząsteczki ozonu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ozon ( $O_{3}$ ) to zbudowana z trzech atomów tlenu jedna z odmian alotropowych tlenu. Charakteryzuje się charakterystycznym zapachem (podobnym do woni powietrza po burzy) i niebieskawą barwą w stanie gazowym. Tworzony jest w wyniku reakcji endoenergetycznych (energia dostarczona w postaci ciepła, wyładowania elektrycznego lub promieniowania UV), np. w warunkach laboratoryjnych na skutek przepływu suchego tlenu miedzy dwiema elektrycznie naładowanymi płytkami.

3 O_{2 (g)} \overset{wyładowanie elektryczne}{\to} 2 O_{3 (g)} ∆ H ° = 287 kJ

W sposób naturalny ozon

R1BP1I0ckzVdm

Zdjęcie przedstawiające niebo nad białymi chmurami, nad nimi granatowe, jaśniejące ku dołowi niebo, na którym znajduje się sierp Księżyca. — Stratosfera to warstwa atmosfery, rozciągająca się od ok. 8 do 50 km nad powierzchnią Ziemi
Źródło: NASA Earth Observatory, domena publiczna.

Znacząca większość ozonu w atmosferze zlokalizowana jest w jej warstwie zwanej stratosferą, rozciągającej się od ok. 8 do 50 km nad powierzchnią Ziemi. Ta część stratosfery, która charakteryzuje się zwiększoną koncentracją azotu, nosi nazwę ozonosfery i pełni rolę bariery, chroniącej przed szkodliwym słonecznym promieniowaniem UV. Ozon w stratosferze jest zatem niewidzialną zaporą, która chroni człowieka, zmniejszając częstotliwość występowania raka skóry, zaćmy i innych szkodliwych skutków promieniowania ultrafioletowego. Ochronna rola ozonu wiąże się z jego przemianą w ditlen. Promieniowanie UV rozbija cząsteczkę ozonu:

O_{3} \overset{240 - 310 nm}{\to} O_{2} + O

Atom tlenu reaguje z inną cząsteczką ozonu lub z drugim atomem tlenu:

O_{3} + O \to 2 O_{2}

O + O \to O_{2}

Przy udziale promieniowania możliwe są również przemiany przeciwne:

O_{2} \overset{240 nm}{\to} O + O

O_{2} + O \to O_{3}

Ciekawostka

Ozonosfera stanowi niezwykle ważną osłonę dla organizmów żywych na Ziemi, chroniąc je przed szkodliwym promieniowaniem UV. Promieniowanie to dzieli się na UV‑C (100–280 nm), UV‑B (280–315 nm) oraz UV‑A (315–380 nm). Warstwa ozonowa pochłania całkowicie promieniowanie UV‑C, niecałkowicie promieniowanie UV‑B oraz w bardzo niewielkim stopniu promieniowanie UV‑A. Dzięki niej do powierzchni Ziemi dociera głównie jedynie promieniowanie UV‑A.

bg‑azure

Monitorowanie ilości ozonu

Dla zainteresowanych

Pomiary ozonu w stratosferze i troposferze są prowadzone w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska. Pomiary ozonu troposferycznego wykonywane są przez Wojewódzkie Inspektoraty Ochrony Środowiska (WIOŚ). W Polsce funkcjonuje ok. stu stanowisk do pomiaru ozonu przyziemnego. Zlokalizowane są one na terenie całego kraju. Pomiary ozonu stratosferycznego są natomiast wykonywane przez stacje należące do Światowego Systemu Obserwacji Ozonu. W Polsce na zlecenie Głównego Inspektoratu Ochrony Środowiska wykonują je: Instytut Geofizyki PAN oraz Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. GIOŚ udostępnia wyniki pomiarów stężeń ozonu przyziemnego w trybie on‑line poprzez portal „Jakość Powietrza” oraz aplikację mobilną. Dane są aktualizowane co godzinę i są dostępne wraz z informacją o potencjalnym wpływie stężeń ozonu w powietrzu na zdrowie ludzi. Wyniki pomiarów ozonu stratosferycznego są też dostępne w postaci raportów na stronie internetowej GIOŚ.

W trakcie badań zwrócono uwagę na inne niż tlen związki, współistniejące z nim w atmosferze ziemskiej. Łatwiej niż cząsteczka tlenu ulegają one rozkładowi z uwolnieniem rodnika tlenowego. Ponadto mogą one również oddziaływać z tymi rodnikami, zmniejszając w ten sposób prawdopodobieństwo powstania ozonu, przyczyniając się do wzrostu powstawania dziury ozonowej. Oto przykładowe konkurencyjne reakcje chemiczne, będące konsekwencją emisji ${NO}_{x}$ do atmosfery:

{NO}_{2} \overset{h v}{\to} NO + O

{NO}_{2} + O \to NO + O_{2}

Ozon jest niszczony nie tylko wskutek fotolizy, ale także wskutek reakcji z udziałem składnika $X \cdot$ , którym może być tlenek azotu $NO$ , rodnik hydroksylowy $OH \cdot$ albo rodnik halogenowy, jak $Cl \cdot$ czy $Br \cdot$ .

Za główną przyczynę zaniku ozonu w atmosferze, czyli powstawanie dziury ozonowejdziura ozonowadziury ozonowej, uważa się zanieczyszczenie atmosfery chlorem pochodzącym z tzw. freonów.

Ciekawostka

Ze względu na produkowane masowo (1 mln ton w skali roku) w latach 70. XX w. freony, część ozonosfery uległa zniszczeniu. Doprowadziło to do powstania dziur ozonowych, obserwowanych głównie w obszarach podbiegunowych (nad Antarktyką oraz Arktyką). Obszary ze zmniejszoną zawartością ozonu (dziury ozonowe) powstały w wyniku degradacji cząsteczek ozonu przez dostarczone do atmosfery związki, tj. tlenki azotu, halony oraz freony. Te ostatnie to chlorofluorowęglowodory (CFC, freony) – przezroczyste, bezbarwne, bezwonne, nietoksyczne i niepalne ciecze lub gazy, które są syntetycznymi związkami organicznymi i które zawierają atomy chloru i fluoru. Otrzymuje się je w wyniku wymiany atomu wodoru na atomy odpowiednich fluorowców.

Według danych NASA, dziura ozonowa od stanu z 1982 r. uległa znacznemu zmniejszeniu. Niewątpliwie ma to związek z zakazem stosowania środków zubożających warstwę ozonową, stanowiącym bardzo ważny punkt, zawartego w 1987 r., protokołu montrealskiego.

R4zkpFSJRt9Z21

Ilustracja przedstawiająca reakcję pomiędzy chlorem atomowym symbolizowanym przez zieloną kulę a cząsteczką ozonu symbolizowaną przez trzy stykające się ze sobą niebieskie kulki. W jej wyniku powstaje cząsteczka tlenu, dwie stykające się dwie niebieskie kulki oraz anion ClO- symbolizowany przez stykające się kulki niebieską i zieloną. W kolejnym etapie anion ClO- reaguje z atomem tlenu, co prowadzi do uwolnienia atomu chloru oraz powstanie cząsteczki tlenu. — Obecne w stratosferze freony, pod wpływem światła ultrafioletowego (o długości fali 175 nm‑220 nm), ulegają rozkładowi, uwalniając chlor atomowy. Swobodne atomy chloru niszczą cząsteczki ozonu (po lewej), w wyniku czego powstają cząsteczki tlenu oraz jony ${ClO}^{-}$ . Z kolei jony ${ClO}^{-}$ oddziałują z pojedynczymi atomami tlenu (pojawiającymi się w atmosferze, np. w czasie tworzenia $O_{3}$ z $O_{3}$ ), jednocześnie utrudniając powstawanie ozonu i uwalniając ponownie swobodny atom chloru (po prawej). Atomy chloru nie muszą się połączyć i mogą rozpocząć kolejne cykle rozbijania cząsteczek $O_{3}$ .
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

{CFCl}_{3} \overset{h v}{\to} \cdot {CFCl}_{2} + Cl \cdot 175 < λ < 220 nm

Cl \cdot + O_{3} \to ClO \cdot + O_{2}

ClO \cdot + O \to Cl \cdot + O_{2}

2 Cl \cdot \to {Cl}_{2}

Reakcja ogólna:

O_{3} + O \to 2 O_{2} \cdot

bg‑azure

Jakie czynniki wpływają na grubość warstwy ozonowej?

R6WodODz2j1Sn1

Czynniki wpływające na wzrost grubości warstwy ozonowej:
Czynniki wpływające na zmniejszenie grubości warstwy ozonowej:
- wdrożenie międzynarodowych ograniczeń (przede wszystkim Protokołu Montrealskiego) dotyczących substancji, które niszczą warstwę ozonową (m.in. freony i halony), co doprowadziło do redukcji ich stosowania na całym świecie;
- zapewnienie ekologicznego utylizowania istniejących zapasów i urządzeń (np. starych lodówek) zawierających substancje zubożające warstwę ozonową oraz zastąpienie ich bezpiecznymi odpowiednikami;
- testowanie nowych substancji lub technologii pod kątem ich wpływu na warstwę ozonową – rezygnacja z tych, które mogą zagrażać warstwie ozonowej;
- stały monitoring i możliwość szybkiej reakcji na zachodzące negatywne zmiany.
- używanie substancji niszczących warstwę ozonową (np. freony, halony) – sporadycznie pojawiają się sygnały o wzroście emisji substancji zubożających warstwę ozonową, wskazujących na działanie wbrew ustaleniom Protokołu montrealskiego;
- naturalne czynniki, np. wybuchy wulkanów – duże erupcje wulkaniczne powodują wydostanie się do atmosfery Ziemi znacznych ilości związków siarki; w połączeniu z wodą przy bardzo niskich temperaturach w górnych warstwach atmosfery tworzą one tzw. chmury stratosferyczne; przemieszczające się chmury kwasu siarkowego przyczyniają się do niszczenia warstwy ozonowej nad biegunami;
- wzrost efektu cieplarnianego: Czas naprawy warstwy ozonu może ulegać wydłużeniu ze względu na ochłodzenie stratosfery spowodowane przez gazy cieplarniane (efekt cieplarniany powoduje wzrost temperatury w troposferze i spadek w stratosferze). Toteż przy sprzyjających warunkach meteorologicznych znaczne niedobory ozonu mogą wystąpić jeszcze przez wiele lat. – Raport GIOŚ, Bonawentura Rajewska-Więch IGF PAN.

Słownik

warstwa ozonowa (ozonosfera)

warstwa atmosfery ziemskiej o zwiększonej zawartości ozonu; znajduje się w stratosferze na wysokości od 15‑50 km od powierzchni Ziemi; ozonosfera chroni organizmy żywe, pochłaniając bardzo szkodliwe promieniowanie nadfioletowe o dł. fali 200‑300 nm

dziura ozonowa

niekorzystne zjawisko spadku stężenia ozonu ( $O_{3}$ ) w stratosferze; występuje głównie nad obszarami podbiegunowymi; spowodowana jest przede wszystkim czynnikami antropogenicznymi, szczególnie niekorzystnym wpływem freonów

cykl ozonowo‑tlenowy (cykl Chapmana)

zespół powiązanych reakcji chemicznych, które przedstawiają przemiany, jakim podlega ozon stratosferyczny, a z czym związana jest przemiana promieniowania ultrafioletowego w energię cieplną

absorpcja

(łac. absorptio „wchłanianie”) wchłanianie substancji (zw. absorbatem), zwykle gazu, przez ciecz lub ciało stałe (zw. absorbentem) i równomierne zatrzymywanie absorbatu w całej masie absorbentu

Bibliografia

Nauka o Klimacie dla Sceptycznych, online: https://naukaoklimacie.pl/ (dostęp: 16.02.2021).

Naukowcy: warstwa ozonowa znów się zmniejsza, online: http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news%2C394805%2Cnaukowcy‑warstwa‑ozonowa‑znow‑sie‑zmniejsza.html (dostęp: 16.02.2021).

Niebezpieczne freony, online: http://ozonosfera.eprace.edu.pl/412,Niebezpieczne_freony.html (dostęp: 16.02.2021).

Ozonowy parasol Ziemi, online: http://ozonosfera.eprace.edu.pl/410,Ozonowy_parasol_Ziemi.html (dostęp: 16.02.2021).

Stan arstwy ozonowej, online: http://www.gios.gov.pl/images/dokumenty/pms/monitoring_jakosci_powietrza/stan_warstwy_ozonowej_brw.pdf (dostęp: 16.02.2021).

Wprowadzenie

Film edukacyjny

Ozon

Monitorowanie ilości ozonu

Jakie czynniki wpływają na grubość warstwy ozonowej?

Słownik

Bibliografia