Procesy chemiczne z udziałem chloru i powstawanie dziury ozonowej

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
baner
dział STRATOSFERA: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)



To przede wszystkim procesy chemiczne z udziałem chloru powodują niszczenie warstwy ozonowej. Wraz z rozpoczęciem przemysłowej produkcji chlorofluorowęglowodorów (CFC) człowiek dostarczył do atmosfery nowe źródło chloru.  Obecnie zawartość chloru w atmosferze jest sześciokrotnie większa niż to miało miejsce pierwotnie, gdy chlor pochodził tylko ze źródeł naturalnych. Ma to bardzo niekorzystne skutki dla warstwy ozonowej. Jednakże niszczenie warstwy ozonowej zachodzi w bardzo szczególnych warunkach, dlatego rzeczywiste działanie chloru jest niższe od przewidywań.

CFC – gazy nie występujące w przyrodzie

Gazy o największej zdolności do niszczenia warstwy ozonowej i największym wpływie na klimat to CFC-11 (CFCl3), CFC-12 (CF2Cl2) i CFC-113 (CF2ClCFCl2). Obecnie, dzięki badaniom bąbelków powietrza uwięzionym w polarnym firnie, wiadomo już, że nie ma naturalnych źródeł tych związków. Jedynym istotnym naturalnym źródłem chloru jest metylochlor CH3Cl, a okres jego przebywania w atmosferze wynosi 1,3 roku.

Źródła chloru na początku 1990 roku

1. Źródła chloru w stratosferze na początku lat 90. XX w.
Objaśnienia: entirely human-made - substancje pochodzenia wyłącznie antropogenicznego, natural sources contribute - substancje występujące w przyrodzie
Źródło: UNEP/WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion

CFC mogą przebywać w troposferze bardzo długo, 50-100 lat, gdyż nie poddają się fotolizie ani nie wchodzą w reakcje z rodnikami OH. Docierają do stratosfery i tam ulegają fotolizie, co prowadzi do tworzenia się rodników chloru. Obecność tych rodników nie musi prowadzić do niszczenia warstwy ozonowej ponieważ zachodzą inne reakcje z ich udziałem. Aby doszło do niszczenia ozonu muszą zaistnieć pewne szczególne warunki, co pokazuje ryc. 2.

Procesy chemiczne z udziałem chloru w stratosferze - wiadomości podstawowe

Jak wiele innych rodników X•, chlor (Cl•) jest utleniany przez ozon w stratosferze i tworzy XO• (ClO•)

           X• + O3                      -> XO• + O2
           O3 + światło słoneczne -> O + O2
           O + XO•                     -> X• + O2
netto:      2 O3                           -> 3 O2

Ten łańcuch reakcji prowadzi do niszczenia ozonu.

Reakcja niszczenia ozonu

2. a) Podstawowe procesy chemiczne z udziałem chloru w stratosferze.
Obwódka z czerwonych kropek wokół atomów symbolizuje, że są to rodniki.
Autor: Elmar Uherek

Jednak rodnik X• inicjujący reakcję (tutaj Cl•) niekoniecznie wraca do cyklu. Cl• lub ClO• mogą także zostać usunięte wskutek innych reakcji. Tlenki azotu powodują niszczenie rodników ClO• , które przechodzą np. w ClONO2 i HCl, co pokazuje niebieska ramka na rysunku.

Reakcja ciąg dalszy

2. b) Dalszy ciąg reakcji np. M = N2

ClO• + •NO2 + M*   -> ClONO2 + M*
i
 ClO• + •NO     ->  Cl• + •NO2
 Cl• + CH4    -> HCl + CH3

HCl i ClONO2 to tzw. “gatunki rezerwuarowe”, ponieważ chlor nie jest tam aktywny. Nie reagują one z ozonem. Zazwyczaj pozostają w postaci gazowej i mogą być powoli usunięte ze stratosfery. Z tego powodu w normalnych warunkach spodziewamy się tylko niewielkiego ubytku ozonu, ale “gatunki rezerwuarowe” są przenoszone z masami powietrza do niższych warstw stratosfery w obszary okołobiegunowe w okresie zimy.

Reakcje ozonu część 3

2. c) Dalszy ciąg reakcji ozonu

Warunki powstawania dziury ozonowej nad Antarktydą

W czasie nocy polarnej temperatura spada do -80°C. W stratosferze znajduje się bardzo mała ilość pary wodnej. Zamarzając tworzy ona wraz z kwasem azotowym polarne, stratosferyczne chmury lodowe (tzw. trójhydrat kwasu azotowego; ang. nitric acid trihydrate, NAT). W tej sytuacji występuje łącznie pięć kluczowych warunków:

Pierwszy: tlenki azotu (tlenek azotu NO i dwutlenek azotu NO2), które są katalizatorami, i które pomagają zamienić ClO• na HCl  jak pokazano powyżej, zostają usunięte z gazowej fazy stratosferycznej poprzez reakcje

•NO + O3              -> •NO2 + O2
•NO2 + •NO3 + M*   -> N2O5 + M
N2O5 + H2O          -> 2 HNO3  

wskutek czego wytwarza się kwas azotowy HNO3, który wchodzi w skład cząstek budujących polarne chmury stratosferyczne (PSC).

powstawanie dziury ozonowej część 1

3. a) Pierwszy warunek do powstania dziury ozonowej.
Autor: Elmar Uherek

Drugi: na powierzchni lodowych cząstek PSC “gatunki rezerwuarowe” z nieaktywnym chlorem, czyli HCl i ClONO2 (azotan chloru), reagują między sobą i tworzy się Cl2 i HNO3; ten ostatni natychmiast jest włączany w skład cząstek.

Powstawanie dziury ozonowej część 2

3. b) Drugi warunek do powstania dziury ozonowej.
Autor: Elmar Uherek

Trzeci: po zakończeniu nocy polarnej i pojawieniu się dopływu światła słonecznego, Cl2 ulega fotolizie i tworzą się 2 rodniki  Cl• . Chlor staje się znowu aktywny.

Czwarty: atomy chloru zaczynają katalityczny łańcuch reakcji, prowadzących do niszczenia ozonu tak długo jak brakuje tlenków azotu aby je usunąć.

    Cl• + O3                       -> ClO• + O2
    Cl• + O3                       -> ClO• + O2
    ClO• + ClO• + M           -> Cl2O2 + M
    Cl2O2 + światło słoneczne -> Cl• +ClO2• -> 2 Cl• + O2

Netto: 2 O3  -> 3 O2

Powstawanie dziury ozonowej część 3 i 4

3. c) Trzeci i czwarty warunek do powstania dziury ozonowej.
Autor: Elmar Uherek

Piąty: zazwyczaj związki chloru takie jak Cl•, ClO• i Cl2O2 tworzą się i gromadzą raczej w górnej stratosferze, zaś ozon raczej w dolnej stratosferze. Z tego powodu kilkadziesiąt lat temu eksperci nie spodziewali się znaczącego ubytku ozonu. Ozon i substancje go niszczące powinny wchodzić w kontakt tylko w strefach granicznych. W tym miejscu pojawia się wir okołobiegunowy: związki chloru są przenoszone do niższych warstw stratosfery przez masy powietrza przemieszczające się w dół ze środkowej do dolnej stratosfery dzięki stałemu krążeniu powietrza wokół bieguna. W ten sposób związki chloru niszczące ozon są transportowane na niższe wysokości, gdzie głównie gromadzi się ozon.

powstawanie dziury ozonowej część 5

3. d) Piąty warunek do powstania dziury ozonowej.
Autor: Elmar Uherek

Wszystkie pięć warunków musi wystąpić łącznie aby utworzyła się dziura ozonowa. Z tego powodu największe ubytki ozonu pojawiają się nad Antarktydą i tylko w czasie antarktycznej wiosny (wrzesień-październik), jak tylko promieniowanie słoneczne zaczyna tam docierać po nocy polarnej. W niektórych latach mamy porównywalne warunki nad Arktyką w marcu i mała dziura ozonowa tworzy się także nad Europą Północną. W późniejszych miesiącach chmury polarne zanikają, tlenki azotu są znów dostępne, rodniki chloru zostają usunięte i warstwa ozonowa odbudowuje się.

Dziura ozonowa w 2001 roku

4. Rozwój dziury ozonowej w 2001 r.
Lewa część animacji pokazuje na jakiej wysokości ozon nad Antarktydą jest niszczony i jak się odradza w ciągu roku. Prawa część pokazuje towarzyszące temu zmiany temperatury z wysokością.
Objaśnienia: zielona linia na lewym rysunku - zmiany zawartości ozonu (wrażonej jako ciśnienie cząstkowe ozonu w mPa) wraz z wysokością (w km) w dniu 1 stycznia 2001, zielona linia na prawym rysunku - zmiany temperatury wraz z wysokością dla poszczególnych dni, czerwona linia na prawym rysunku - zmiany temperatury wraz z wysokością w dniu 1 stycznia 2001, niebieska linia na prawym rysunku - najniższa temperatura jaka wystąpiła na poszczególnych wysokościach od 1 stycznia 2001 do danego dnia, ukazanego na animacji, total ozone (Dobson units) - całkowita zawartość ozonu w całym profilu (w dobsonach), current minimum temp. - aktualna najniższa temperatura, South Pole - biegun południowy.
Animacja: NOAA Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, Boulder, Colorado

O tej stronie:
Autor: Dr Elmar Uherek, Max Planck Insitute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: Dr Christoph Brühl, Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-08-07
Ostatnia aktualizacja: 2007-03-15
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
Redakcja techniczna: Kamil Bodziony, Wojciech Pudło, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Last modified: Sunday, 3 July 2022, 1:52 PM