Osoonikiht mängib Maal elu kaitsmisel põhirolli, toimides loodusliku kilbina Päikeselt tuleva ultraviolettkiirguse (UV-kiirguse) eest. Selle koostise, selles toimuvate keerukate keemiliste reaktsioonide ja stabiilsust mõjutavate tegurite mõistmine on võtmetähtsusega nii selle keskkonnaalase olulisuse kui ka selle halvenemisega seotud riskide mõistmiseks.
Pärast osoonikihi avastamist ja selle keskkonnakeemia teaduslikke edusamme on sotsiaalne ja poliitiline mure suurenenud., edendades rahvusvahelisi lepinguid ning tarbimis- ja tootmisharjumuste muutusi. Allpool esitame üksikasjaliku ja põhjaliku juhendi kasutajasõbralikus ja täielikult ajakohastatud keeles kõige kohta, mida peate teadma osoonikihi keemia, selle koostise, tekke- ja hävimismehhanismide ning praeguste ja tulevaste väljakutsete kohta.
Mis on osoon ja kus seda leidub?
Osoon (O3) on hapniku allotroopne vorm, mis koosneb selle elemendi kolmest aatomist. See on värvitu või kergelt sinakas gaas suurtes kontsentratsioonides ja seda iseloomustab tugev iseloomulik lõhn, mis on tajutav isegi väga väikestes kogustes pärast äikest või teatud keskkonnatingimustes. Osoonil on atmosfääris olenevalt väga erinevad rollid, mistõttu on vaja eristada kahte peamist asukohta: stratosfääri ja troposfääri.
Stratosfääris, 15–50 km kõrgusel, asub umbes 90% kogu atmosfääri osoonist.. Seda piirkonda nimetatakse tavaliselt osoonikihiks, eluliselt tähtis Maal, kuna see filtreerib kahjulikku ultraviolettkiirgust. Kui kogu stratosfääri osoon surutaks kokku merepinna rõhuni, oleks selle paksus vaid 3 mm, kuid see õhuke kiht on oluline meie kaitsmiseks selliste probleemide eest nagu nahavähk ja katarakt.
Troposfääris, st maapinnast umbes 15–18 km kõrguseni, Osooni peetakse sekundaarseks saasteaineks. Siin, kaugel meie kaitsmisest, võib see põhjustada ärritust, hingamisprobleeme ja aidata kaasa fotokeemilise sudu tekkele, mis on üks peamisi õhusaasteprobleeme suurlinnades ja tööstuspiirkondades.
Osooni keemilised ja füüsikalised omadused
Osoon on üks võimsamaid looduses esinevaid oksüdeerijaid.. See on ebastabiilne molekul, kuna selle kolm hapnikuaatomit kipuvad kergesti eralduma, naastes kaheaatomilisse vormi (O2). Selle tihedus on 2,14 kg/m³ ja see lahustub vees väga hästi. —kuigi palju vähem stabiilne kui õhus, poolestusajaga umbes 20 minutit võrreldes 12 tunniga, mis võib see ümbritseva gaasina püsida.
Selle sulamistemperatuur on -192 °C ja keemistemperatuur on -112 °C, kõrge kontsentratsiooni korral muutub see siniseks. Kuna osoon on väga tugev oksüdeerija, reageerib see kiiresti teiste molekulide ja ühenditega, eriti nendega, mis sisaldavad lämmastikku, lenduvaid orgaanilisi ühendeid või halogeene, näiteks kloori ja broomi..
Osooni tsükkel stratosfääris: looduslik teke ja hävimine
Teadmised stratosfääri osooni tekke- ja hävimismehhanismide kohta kinnistas füüsik Sydney Chapman 1930. aastal., läbi fotokeemiliste reaktsioonide seeria, mida tuntakse Chapmani tsüklina. See tsükkel selgitab, kuidas looduslikes tingimustes püsib osooni hulk tänu selle tekke ja lagunemise vahelisele tasakaalule suhteliselt konstantsena.
Stratosfääri osooni teke: Kõik algab sellest, kui kõrge energiaga ultraviolettkiirgus (lainepikkus alla 240 nm, UV-C kategooria) tabab hapnikumolekule (O2). See piisavalt energiline kiirgus lõhub (dissotsieerib) O molekule2 üksikuteks hapnikuaatomiteks (O).
- O2 + UV-kiirgus → O2 + O2
- O+O2 + M → O3 +M (kus M on mis tahes neutraalne molekul, tavaliselt N2 aadressil O2, mis neelab liigset energiat ja stabiliseerib osoonimolekuli).
Seega on suurima osoonitootmisega piirkond ekvatoriaalne stratosfäär, kuna just seal tabab ultraviolettkiirgus kõige intensiivsemalt.. Stratosfääri tuuled levitavad osooni aga polaarsete laiuskraadide suunas.
Kui see on moodustatud, Osoon neelab UV-B kiirgust, mis viib selle lagunemiseni O2-ks2 ja hapnikuaatom pöördreaktsioonis:
- O3 + UV-kiirgus → O2 + VÕI
Looduslikes tingimustes Aatomhapnik võib reageerida ka osooniga, moodustades kaks kaheaatomilist hapnikumolekuli:
- O3 + O → 2 O2
See reaktsioonide kogum hoiab osooni kontsentratsiooni tasakaalus seni, kuni ükski väline tegur ei mõjuta seda tasakaalu.. See õrn tasakaal on aga kergesti muudetav teatud inimtegevusest tulenevate molekulide ja radikaalide toimel.
Lisateavet osoonikihi moodustumise kohta leiate sellest artiklist..
Osoonikihi ökoloogiline tähtsus
Osoonikiht on elu jaoks, nagu me seda teame, hädavajalik.. See toimib kilbina, mis filtreerib suurema osa Päikese ultraviolettkiirgusest B ja C, takistades sellel Maa pinnale jõudmast. Ilma selle loodusliku filtrita oleks UV-kiirgus enamiku elusolendite jaoks surmav ning mõjutaks nii maismaa- kui ka veeökosüsteeme.
Osoonikihi halvenemise tõttu suurenenud UV-B kiirguse tagajärjed on järgmised:
- Nahavähi ja katarakti juhtude sagenemine inimestel.
- Immuunsüsteemi muutus, mis viib haiguste sagenemiseni.
- Põllumajanduse ja metsanduse tootlikkuse vähenemine põllukultuuride ja metsade kahjustuste tõttu.
- Mõju veeökosüsteemidele, eriti kiirgustundlike planktoniliste organismide puhul.
- Toiduahela ja fotosünteesi häired taimeorganismides.
Lisaks Stratosfääri osoon vastutab temperatuuri tõusu eest stratosfääris, neelates UV-kiirgust ja muutes selle soojuseks, mis määrab Maa atmosfääri termilise struktuuri ja kliima stabiilsuse.
Troposfääri osoon: unustatud saasteaine
Erinevalt stratosfääri osoonist on troposfääris olev osoon sekundaarne saasteaine, mis tekib fotokeemiliste reaktsioonide käigus. lämmastikoksiidide (NOx), lenduvad orgaanilised ühendid (VOC-d) ja päikesevalguse toime. Need lähteained pärinevad peamiselt liiklusest, tööstusprotsessidest ja biogeensetest heitmetest.
Troposfääri osoon:
- Aitab kaasa fotokeemilise sudu tekkele, eriti suvel ja antitsüklonilistes tsoonides.
- See on inimeste tervisele mürgine, põhjustades silmade ja kurgu ärritust, hingamisprobleeme ja süvendades haigusi nagu astma.
- Põhjustab taimestikule kahju ja vähendab saagikust.
- Aitab kaasa globaalsele soojenemisele kasvuhoonegaasina.
Selle tase tõuseb keskpäeva ajal, eriti maapiirkondades ja suurlinnade äärealadel., kuna seal on vähem liiklust ja seetõttu ka tekkiva osooni tarbimine on väiksem.
Osoonikihi hävitamine: põhjused ja tagajärjed
Suure osa 20. sajandist arvati, et osoonitsükli tasakaal on muutumatu. Uute kemikaalide, eriti klorofluorosüsivesinike (CFC-de), haloonide ja bromiidide kasutuselevõtt muutis seda tasakaalu aga radikaalselt.
CFC-d – kloori ja fluori sisaldavad ühendid –, mida laialdaselt kasutatakse külmutusseadmetes, kliimaseadmetes, aerosoolides ja vahtudes, on osutunud äärmiselt stabiilseteks ja suudavad stratosfääri jõuda ilma lagunemata.. Sinna jõudes lagundab ultraviolettkiirgus need, vabastades äärmiselt reaktiivseid kloori ja broomi aatomeid.
Üks kloori aatom võib enne atmosfääriprotsesside poolt kõrvaldamist hävitada kuni 100.000 XNUMX osooni molekuli.. Need reaktsioonid toimuvad katalüütilistes tsüklites, kus katalüsaator (halogeen) väljub tervena ja saab jätkata osooni hävitamist:
- Cl + O3 → ClO + O2
- ClO + O → Cl + O2
Tsükkel algab uuesti, tekitades aja jooksul mitmekordset kahju.
Saate teada, milles osoonikihi hävimine seisneb..
Osoonikihi auk
Alates 80. aastatest tuvastasid Antarktika satelliidid ja mõõtejaamad lõunaosariikide kevade ajal osoonikihi paksuse murettekitavat vähenemist.. Osooni kontsentratsioon lõunapooluse kohal vähenes septembris ja oktoobris kuni 70%.
Mõistet "osooniauk" kasutatakse piirkondade kirjeldamiseks, kus osooni kogusisaldus langeb alla 220 Dobsoni ühiku. (SINA). Satelliidipildid näitavad, kuidas igal kevadel katab suur osa Antarktikast selle "vaakumvööndi", mõjutades isegi lõunapoolkera asustatud piirkondi.
Osooniauk on juba mitu nädalat ulatunud üle 25 miljoni km kõrgusele pinnale.2, peaaegu kaks korda suurem kui Antarktika manner. 2006. aasta septembris registreeriti kõigi aegade madalaim väärtus, vaid 85 DU Ida-Antarktika kohal.
Lisateavet osooniaugu evolutsiooni kohta.
Mõju tervisele ja ökosüsteemidele
Stratosfääri osoonikihi hõrenemine avaldab tõsiseid tagajärgi rahvatervisele ja keskkonnale.. Filtreerimata ultraviolett-B kiirgus võib pinnale tungida, suurendades järgmiste haiguste esinemissagedust:
- Nahavähk (melanoom ja mittemelanoom)
- Katarakt ja silmakahjustused
- Immuunsüsteemi pärssimine
- Tundlike põllukultuuride saagikuse vähenemine ja veeökosüsteemide tsüklite muutused
- Probleemid mereelustikus, eriti fütoplanktoni ja kalade vastsete staadiumis
Troposfääris seostatakse osooni olemasolu hingamisteede ja südame-veresoonkonna probleemidega, eriti haavatavates rühmades, nagu eakad, lapsed, rasedad ja krooniliste haigustega inimesed.
Euroopa Liit ja Maailma Terviseorganisatsioon on kehtestanud õhus leiduva osooniga kokkupuute piirnormid, soovitades mitte ületada 100 µg/m3 päevase keskmisena, kuna suuremad kontsentratsioonid võivad põhjustada köha ja ärritust, samuti kopsufunktsiooni langust ja tundlikel inimestel suremuse suurenemist.
Peamised keemilised reaktsioonid osooni hävitamisel
Osooni kiirenenud hävimine stratosfääris on peamiselt tingitud katalüütilistest tsüklitest, mis hõlmavad reaktiivseid keemilisi ühendeid.. Need reaktsioonid on olulised osoonikihi hõrenemise ja seda kiirendavate tegurite mõistmiseks.
- Halogeenitud radikaalid (Cl, Br, ClO, BrO)
- Lämmastikradikaalid (EI EI2)
- Hüdroksüülradikaalid (OH) ja peroksüül (HO)2)
Osoonikihi hävimisele avaldavad suurimat mõju ClO ja BrO-ga seotud reaktsioonid.. Katalüütilised tsüklid võimaldavad ühel kloori- või broomimolekulil hävitada tuhandeid või isegi kuni 100.000 XNUMX osoonimolekuli enne selle eemaldamist või neutraliseerimist.
Võite konsulteerida atmosfääri kihtide ja nende mõju kohta osoonikihile..
Osoonikihi mõõtmine ja jälgimine
Osooni mõõtmine atmosfääris toimub peamiselt parameetri „Dobsoni ühik” (DU) abil. mis väljendab paksust, mille osooni kogukiht hõivaks, kui see normaalse rõhu ja temperatuuri tingimustes kokku surutaks. Üks UD on võrdne 2,69 × 1020 osooni molekule ruutmeetri kohta.
Vertikaalseid osooniprofiile saadakse osoonisondide ja spektrofotomeetritega varustatud satelliitide, näiteks Envisati pardal oleva GOMOS-i abil. Normaalväärtused varieeruvad vahemikus 200 kuni 500 UD, kusjuures globaalne keskmine on lähedal 300 UD-le.
Rahvusvahelised meetmed: Montreali protokoll ja Kigali muudatus
Osoonikihi kahanemise probleemi tõsidus ajendas enneolematuid rahvusvahelisi meetmeid.. 1985. aastal allkirjastati osoonikihi kaitsmise Viini konventsioon, mis sillutas teed osoonikihi kaitse konventsiooni vastuvõtmisele. Montreali protokoll 1987. aastal. Peaaegu kõik maailma riigid on ratifitseerinud lepingud, mis keelavad või rangelt reguleerivad osoonikihti kahandavate ainete tootmist ja tarbimist.
Montreali protokolli edu on olnud tohutu.CFC-de, haloonide ja muude ühendite järkjärguline kaotamine on peatanud osoonikihi languse ja alustanud selle taastumist alates 21. sajandi algusest. Siiski vajavad sellised asendajad nagu HCFC-d ja HFC-d jätkuvalt täiendavat reguleerimist, eriti kuna need võivad kaasa aidata globaalsele soojenemisele.
Rahvusvaheline koostöö on olnud osoonikihi kaitsmisel võtmetähtsusega.
Osoonikihi taastumine ja tulevikuväljavaated
Viimased mõõtmised näitavad osoonikihi taastumise positiivset suundumust., kuigi see protsess on atmosfääris kiirgavate ühendite pika eluea tõttu aeglane. Hinnanguliselt on praeguse poliitika jätkudes võimalik täielik taastumine 1980. aasta eelsele tasemele umbes 2075. aastaks.
Kliimamuutused mõjutavad ka taastumistkuna kasvuhoonegaaside suurenemine võib muuta stratosfääri tsirkulatsiooni ja temperatuuri, mõjutades osooni jaotumist. Selle suundumuse säilitamiseks ja kiirendamiseks on oluline rahvusvaheline koostöö ja range keskkonnapoliitika.
Mida me kodanikena saame teha osoonikihi kaitsmiseks
Me kõik saame panustada osoonikihi kaitsmisse väikeste igapäevaste tegude ja vastutustundlike harjumuste omaksvõtmise kaudu:
- Valige tooted, millel on silt „CFC-vaba” või „osoonisõbralik”.
- Eelista tulekustuteid ja jahutussüsteeme, mis ei sisalda haloone, kloorfluorsüsivesinikke (CFC-sid) ega halogeenitud klorofluorosüsivesinikke (HCFC-sid).
- Vältige kahjulike propellentidega aerosoolide kasutamist; Valemid on kreemi, pulka või mehaanilise pihustiga.
- Hoidke oma külmutus- ja kliimaseadmeid heas seisukorras ja kasutage hoolduseks sertifitseeritud tehnikuid.
- Ärge kasutage metüülbromiidi koduseks ega põllumajanduslikuks fumigatsiooniks.
- Vähenda autokasutust, kasuta ühistransporti, sõida jalgsi või jalgrattaga.
- Jaga teema olulisust oma pere-, haridus- ja tööringkondades.
- Osale kampaaniates ja tegevustes, et tõsta teadlikkust keskkonnakaitsest.
Hariduse ja sotsiaalse teadlikkuse roll
Keskkonnaharidus on osoonikihi kaitsmise saavutamise võtmeelement.. Uute põlvkondade teavitamine ja harimine selle loodusliku kilbi olulisusest, selle halvenemisega seotud riskidest ja selle ennetamiseks vajalikest meetmetest on oluline, et vältida mineviku vigade kordamist.
Haridusasutustel, meedial ja ühiskondlikel organisatsioonidel on teabe levitamisel ja kollektiivse teadlikkuse loomisel oluline roll.
Iga teadlik inimene annab oma panuse meie planeedi kaitsmisse.
Osoonikihi keemiline koostis on näide elu säilitavate suurte keskkonnasüsteemide keerukusest ja haprusest. Kuigi väljakutsed on olnud tohutud, on inimkond näidanud, et rahvusvaheline koostöö ja kodanikuühiskonna kaasamine võivad ohtlikke suundumusi ümber pöörata. Edu ei ole aga garanteeritud: see sõltub jätkuvast valvsusest, innovatsioonist ja jagatud vastutusest igas otsuses, mis mõjutab meie keskkonda.