Distrugerea stratului de ozon si consecintele lui

Distrugerea stratului de ozon si consecintele lui

In toposfera (pana la atitudinea de 10 km) sub actiunea radiatiilor ultraviolete cu lungimea de unda λ<242 nm, emanate de Soare, oxigenul molecular este scindat in atomi:

O₂ O + O (1)

Atomii de oxigen (foarte reactivi), in prezenta unui martor (M) care preia excesul de energie, reactioneaza cu molecule de oxigen si formeaza ozon:

O₂ + O+ M →O₃+ M (2)

La randul sau si ozonul este descompus de catre radiatiile ultraviolete cu lungimea de unda λ< 320 nm:

O₃ O₂ + O (3)

Oxigenul atomic rezultat poate reactiona cu ozonul spre a forma oxigen molecular:

O+ O₃ → O₂+ O₂ (4)

Aceste radiatii prezinta importanta doar in toposfera si conduc la mici concentratii de ozon (40 - 80 g/cm³ aer).

In stratosfera, de la inaltimea de 10-15 km si pana la 35 km, concentratia de ozon este destul de mare si anume cantitatea maxima de ozon in acest strat este de 450 unitati Dobson. O unitate Dobson (DU) reprezinta cantitatea de ozon care se afla intr-un strat de ozon pur de grosime 0,01 mm, in conditii normale. Acest strat de ozon este foarte important pentru viata de pe Pamant, deoarece prin reactia (3) ozonul absoarbe cea mai mare parte a radiatiilor UV emise de Soare, care in caz contrar ar afecta viata organismelor de pe Pamant.

Formarea si grosimea stratului de ozon se poate intelege astfel: la inaltimi mai mari de 35 km, oxigen molecular este putin. In consecinta, se formeaza putin oxigen atomic prin reactia (1) si deci si putin ozon prin reactia (2). De la inaltimea de 35 km si pana la 10-15 km, reactiile (1) si (2) devin predominante, ceea ce contribuie la formarea unui strat cu concentratia de ozon foarte mare. La inaltimi mai mici de 10-15 km doar putine radiatii ultraviolete, cu λ<240 nm au ramas neabsorbite, astfel ca prin reactia (1) se formeaza mai putin oxigen atomic, deci si ozon mai putin.

Incepand cu anul 1974, mai multi oameni de stiinta, dintre care amintim pe Molina si Rowland, au aratat ca la Polul Sud si mai putin la Polul Nord a aparut o "gaura" in stratul de ozon, adica in aceste zone a scazut foarte mult concentratia de ozon in stratosfera. S-a aratat ca la distrugerea stratului de ozon contribuie avioanele supersonica prin gazele emanate, precum si unii produsi chimici cum sunt freonii (CF₂Cl₂, CFCl₃),sintetizati si utilizati in instalatiile frigorifice sau la spray-uri. Masuratorile au aratat ca cea mai redusa concentratie de ozon se observa primavara iar vara, aceasta se reface partial.

Deoarece activitatile productive prin care se produc agentii chimici care distrug stratul de ozon sunt inexistenti la poli, iar avioanele supersonice nu au culoare de zbor in jurul polilor    geografici ai Pamatului, s-a pus problema cauzelor care produc aceasta "gaura" in stratul de ozon la poli si nu deasupra Americii de Nord sau deasupra Europei.

Marea stabilitate a freonului prezinta si incoveniente. El se acumuleaza la altitudini cuprinse intre 20-50 km. Cand moleculele de freon patrund in stratul de ozon, sub actiunea razelor ultraviolete se rup legaturile C-Cl rezultand atomi liberi de Cl. Acestia catalizeaza reactia de descompunere a O₃ in O₂, reactia (2). Rezultatul consta in marirea fluxului de raze ultraviolete care ajung pe Pamant, determinat aparitia cancerului de piele, modificari climatice, etc. In anii `70 Dr. Colin Lea din Marea Britanie a atras atentia asupra pericolului distrugerii stratului de ozon ca urmare a utilizarii clorofluorcarburilor (CFC). In 1987 prin Protocolul de la Montreal s-au stabilit principiile unui control mondial asupra CFC. La acces protocol au aderat circa 180 tari. Ca urmare, emisia de substante care distrug stratul de ozon a fost redusa la 10% fata de valoarea maxima din anii `70. Cu toate aceste, refacerea stratului de ozon nu este asteptata inainte de mijlocul secolului urmator.

In ultimii 30 de ani au avut loc studii si cercetari sistematice cu privire la distrugerea startului de ozon din stratosfera, ceea ce a condus la contribuirea Premiului Nobel pentru chimie in anul 1995 meteorologului olandez Paul J. Crutzen si chimistilor americani Mario J. Molina, si Sherwood Rowland. Astfel, inca in anul 1974 Molina si Rowland au aratat ca la distrugerea startului de ozon contribuie in cea mai mare masura freonii. In atmosfera, sub actiunea radiatiilor UV, freonii, exemplificati mai jos prin CFCl₃, sufera urmatoarea reactie (radicalul hidroxil provine din disocierea apei):

CFCl₃+ O₂+ ˙OH CO₂+ HF+ 3( Cl˙ sau ClO˙) (5)

Radicalii Cl si ClO reactioneaza cu ozonul si il transforma in oxigen molecular:

Cl˙ + O₃ → ClO˙ + O₂ (6)

Oxidul de clor nu distruge direct stratul de ozon, deoarece el nu reactioneaza cu ozonul, ci cu oxigenul atomic rezultat din reactiile (1) sau (3):

ClO˙ + O → Cl˙ + O₂ (7)

In acest fel este inhibata reactia de formare a ozonului din oxigen atomic si oxigen molecular. S-a mai aratat ca reactiile de mai sus prin mare se fromeaza sau se distruge stratul de ozon sunt concurate de reactiile de reactiile la care participa radicalul hidroxil si oxidul de azot au ajuns in stratosfera:

HO˙ + O₃ → HO₂ + O₂ (8)

HO₂ + O →HO˙ + O₂ (9)

^{__________ ______ ____ __________}

Bilant O + O₃→ O₂ + O₂

NO + O₃ → NO₂ + O₂ (10)

NO₂ + O → NO + O₂ (11)

Bilant O + O₃ → O₂ + O₂

Oxizii de azot din toposfera care ajung si in stratosfera (exemplificati mai sus prin oxidul de azot) provin in cea mai mare parte din arderea carbunilor fosili in centrale termice si din combustia carburantilor in motoarele automobilelor (scopul catalizatorilor utilizati la esapamentul automobilelor este tocmai acela de a transforma oxizii de azot rezultati prin combustie, in azot molecular, evitand astfel emanatia oxizilor de azot in atmosfera).

Dupa cum a aratat Crutzen, iarna la poli, din cauza lipsei radiatiilor solare (noaptea polara), scade presiunea foarte mult, se formeaza vartejuri care inconjoara polii, iar temperatura scade foarte mult, ajungand la -80⁰ C la polul sud. Drept urmare, se formeaza asa numitii nori polari stratosferici alcatuiti din particule solide formate in principal din apa inghetata si acid azotic. Aceasta din urma ia nastere prin urmatoarele reactii (prima reactie are loc in toposfera, urmatoarele doua in straosfera, iar acidul clorhidric rezulta prin clorurarea metanului in toposfera):

4NO₂ + O₂ ↔2 N₂O₅ (12)

N₂O₅ + H₂O → 2HNO₃ (13)

N₂O₅ + HCl →ClNO₂ + HNO₃ (14)

Dupa cum se vede, pentaoxidul de azot ajuns in stratosfera se transforma in acid azotic inghetat, care este astfel mai putin disponil spre a forma dioxid de azot si care conform reactiei,

ClO˙ + NO₂ + M →ClONO₂ + M (15)

ar capata radicalul cloroxid, evitand astfel combinarea acestuia cu oxigenul (reactia 7).

Este de remarcat ca acidul clorhidric si cloronitratul (ClONO₂) sunt adevarate rezervoare de clor atomic, deoarece pe suprafata particulelor din norii stratosferici are loc reactia:

ClONO₂ + HCl → HNO₃ + Cl₂ (16)

In noaptea polara, reactia de scindare homolitica a moleculelor de clor,

Cl₂ Cl˙ + Cl˙ (17)

nu poate avea loc din cauza lipsei de lumina . Primavara, odata cu aparitia Soarelui, devine posibila si chiar accelerata atat reactia (16), cat si fotoliza acidului azotic:

HNO₃ HO˙ + NO₂ (18)

Radicalii liberi Cl˙ si HO˙, formati in cantitate foarte mare primavara, contribuie decisiv la distrugerea stratului de ozon prin reactiile (6) si (8). In acest fel intelegem de ce concentratia de ozon in stratosfera scade cel mai mult primavara si de ce acest proces este mai accentuat la polii geografici ai Pamantului.

Masuratorile au anuntat ca distrugerea stratului de ozon este mult mai pronuntata la Polul Sud decat la Polul Nord. Oamenii de stiinta au oferit urmatoarea explicatie: iarna, in stratosfera, temperatura este mult mai scazuta la Polul Sud si dureaza un timp mai indelungat, deoarece vartejurile de aici, create in lunile de iarna, sunrt mai stabile si mai puternice decat cele de la Polul Nord.

Vara, curentii de aer din stratosfera deplaseaza sper poli cea mai mare parte din ozonul format in zonele ecuatoriale (nepoluate, in general) astfel ca partial concentratia de ozon la poli se reface, dar ramane scazuta in medie, la nivel global.

La distrugerea stratului de ozon contribuie si topirea toposferei (din cauza efectului de sera), care induce racirea stratosferei o mare perioada de timp.

Pentru a se evita accelerarea disrtugerii stratului de ozon care protejeaza viata pe Pamant, inca in anul 1987 s-a semnat la Montreal de catre mai ulti sefi de state puternic industrializate, un protocol prin care se angajau sa reduca si mai tarziu sa opreasca in tarile lor productia de clorofluorocarburi (freoni). Ulterior, cu ocazia altor Conferinte internationale s-a propus si reducerea emanatiilor de oxizi de azot precum poluarii in general.