Halogénezett szénhidrogének (CFC-k) és az ózonlyuk

Az ózonlyuk története egy jó példa arra, hogy ártalmatlan kémiai anyagok egy osztálya a földi életre valós veszélyt jelenthet, és hogy hogyan mûködhetnek együtt a kormányok, az ipar és a civil társadalom, annak érdekében, hogy megismerjék és próbálják megoldani ezt a problémát.

Ebbõl láthatjuk, hogy minden változás, amit az ember okoz az éghajlati rendszerben, nem várt módon megbonthatja a természetes egyensúlyt és ha a világközösség összehangoltan együtt tud mûködni, a globális környezeti problémákkal hatékonyan lehet kezelni.
CFC-k csak egy csoportját képezik azon kémiai anyagoknak, melyek bontják az ózonréteget, de ezek a legfontosabbak.

CFC-k használata és tulajdonságai

A kloro-fluorokarbonok teljesen halogénezett szénvegyületek mint CFCl₃ vagy CF₂Cl₂ (kereskedelemben FREON-ként ismertek, habár ez egy márkanév). A CFC-ket széles körben használták az ipari folyamatokban és termelésben, mint például hûtõközegként, oldószerként az elektronikai iparban, habosító és fújóanyagként, aeroszol hajtóanyagként, tûzoltókészülék töltõanyagaként, vegyi oldószerként, zsírtalanító anyagként, a háztartások, házak számára készült szilárd habszerû szigetelõanyagok alapvetõ összetevõjeként és az anyagok csomagolásakor szigetelõ habként.
Széleskörû használatuk egyszerû oka: nincsenek hatással az emberi egészségre, mert ezek a gázok teljesen közömbösek. Nem lépnek reakcióba semmilyen természetes vegyülettel, sem a testünkben, sem a troposzférában. Ez az oka, amiért extrém hosszú tartózkodási idõvel rendelkeznek és felhalmozódhatnak a levegõben. Ezeknek a vegyületeknek azonban van egy végzetes tulajdonsága, amit nem vettünk számításba: A Napból kibocsátott UV sugárzás fotokémiailag bontja õket.

1. CFC-k felhasználása (autó légkondícionálóiban, légkondícionálókban és hûtõközegként, szigetelõ és habképzõ anyagként, ipari tisztító anyagokként és más egyéb módon)
Adatok: US Environmental Protection Agency (EPA)-tól

CFC-k sztratoszférabeli sorsa

Mivel a Napból származó UV-B sugárzást a sztratoszférában lévõ ózonréteg kiszûri, így az UV sugárzás a troposzférát elérve már túl gyenge, hogy jelentõsen bontsa a CFC-ket. De ez a folyamat lejátszódik, amikor a CFC-k lassan feljutnak a sztratoszférába. A felbomlásuk klór és fluor gyökök kialakulásához vezet. De ez nem szükségszerûen vezet erõs ózoncsökkenéshez, mert a klorid vegyületek, amelyek elsõdlegesen felelõsek az ózoncsökkenésért, más reakciókban is résztvesznek, amiket a meteorológiai feltételek befolyásolnak. Habár a sztratoszférikus ózon más szélességeken is csökkent, az ózonlyuk csak a sarki területek felett alakul ki, fõleg az Antarktisz fölött és csak a tavaszi idõszakban. Mi ennek az oka?

2. Az ózonlyuk fejlõdése 2001
Kattints a nagyításhoz a képre, hogy lásd az 5 napos sorozatot (270 K)!
Eredeti animáció NOAA Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, Boulder, Coloradóból származik

A kémiai reakció

Az ózon az ózonrétegben egyensúlyi állapotban van, kialakul és lebomlik az UV-sugárzás hatására. Klorid gyökök (Cl) katalizátorok, amelyek olyan láncreakcióhoz vezetnek, hogy csak az ózon bomlik el bennük. Nagyon hatékonyak az ózonbontásban, mert nem fogynak el ebben a reakcióban, hanem mindig újratermelõdnek.

3. Klór és az ózon reakciója. A pont jelzi, hogy a reakciópartnerek gyökök.

Feltételek

A CFC-k felbomlása ezután további reakcióhoz vezet a ClO gyökökkel, melyek reakcióba lépnek a nitrogén-dioxiddal NO₂ és ClONO₂-t hoznak létre, a nitrogén monoxiddal NO és a metánnal HCl-ot (sósavat) alkotnak, és az ezen reakciókból származó ClONO₂ a HCl-dal salétromsavat (HNO₃) alkot. Nem mélyedünk el a kémia részleteiben, de fontos tudni, hogy mindkét termék (HCl és ClONO₂) nem lép kölcsönhatásba az ózonnal, továbbá meglehetõsen stabil anyagok. Csak bizonyos feltételek vezetnek reagenssé való válásukhoz, ami végül az ózonlyukat okozza. Az Antarktiszon lévõ Halley Bey kutatóállomáson 1985-ben brit kutatók által felfedezett ózonlyuk összetettségének teljes egészében való megértése 2-3 év intenzív kutatómunkába került.

1) Egyik tényezõ, a szélsõségesen alacsony sztratoszférikus hõmérséklet, az antarktiszi poláris éjszaka idején -80°C, vagy még hidegebb. Ilyen feltételek mellett a salétromsav és a jég sztratoszférikus jégfelhõket alakít ki, melyek nem stabilak magasabb hõmérsékleten. Ezen jégkristályok felszínén a HCl és a ClONO₂ reakcióba lép egymással és salétromsav, valamint klór molekula keletkezik Cl₂.

2) A klór molekula Cl₂ stabil, nem lép reakcióba az ózonnal, de a napsugárzás hatására könnyen felbomlik és kettõ klór gyököt képez, amelyek megtámadják az ózont (sárga nyíl).

4. A poláris sztratoszférikus felhõkön zajló folyamatok kémiája veszélyes klór gyökök kialakulásához vezet (piros).

Ahogy a fentiekben láttuk, a klorid gyök Cl az, ami az ózoncsökkenéshez vezet. Ez nem történik meg addig, míg a napsugárzás nem bontja szét õket, ilyen idõszak például az antarktiszi tavasz. Ennek következtében minden év ugyanazon idõszakában, szeptemberben és októberben megfigyelhetjük az ózonlyukat. A láncreakció egészen addig tart, míg a jégben lévõ más reagensek fel nem olvadnak, és a Cl gyököket más módon el nem távolítják.

5. Az ózonlyuk fejlõdése az antarktiszi tavaszon 1998
adatok: GOME

3) Végül az egész folyamat nem lenne ilyen drámai, nem lenne ilyen hatással a 14-22 km közötti ózonrétegre, mert a ClO vegyület forrásai általában magasabban vannak. A sztratoszférában a lefelé irányuló mozgás az, ami a ClO-t alacsonyabb magasságokba szállítja. Ez csak a sarkok fölött játszódik le, az úgynevezett poláris örvényben. Itt, az Antarktisz körül a sarok körüli (cirkumpoláris) szél speciális meteorológiai feltételeket ad.

Amint látjuk, az ózonlyuk körülményei (alacsony hõmérséklet a sarki éjszakában, jégfelhõk kialakulása, poláris örvény, amit a sarki napfelkelte követ) annyira speciálisak, hogy ezt a folyamatot soha sem tudták volna elõrejelezni a tudósok, ha nem figyelték volna meg.

6. Az ózonlyuk a poláris örvényben az Antarktisz fölött, 1996 szeptember/ október
átvéve: UKMO adataiból, publikálta: Brown University
A nagyobb felbontáshoz kattints a képre (330 K)!

Az ózonlyuk jövõje

CFC-ket idõközben betiltották globális skálán (Montreáli Jegyzõkönyben említik azon kémiai anyagokat, amik az ózonréteget csökkentik, és ennek a további kiegészítései). Hosszú tartózkodási idejük miatt, még közel 50 év szükséges, amíg ezen anyagok kikerülnek a sztratoszférából, és az ózonegyensúly remélhetõen ismét visszaáll. Feltételezhetõ, hogy 2000 körül a maximumot elértük, és az ózonlyuk az elmúlt évek alatt közel stabil méretû. Habár kivételek mindig vannak. 2002-ben nem figyeltek meg jelentõs ózonlyukat. Az ok egyszerû: Túl meleg volt és a sarkvidéki örvény nem tudott kialakulni a szokásos módon. Ez is egy példa arra, hogy a légköri folyamatok néha nem az elõrejelzéseket követik. Azonban 2003-ban a lyuk ismét eredeti méretében jelentkezett, a második legnagyobb volt, amit valaha megfigyeltek.

7. A két legfontosabb CFC gáz koncentrációjának alakulása (amiket FREON-11 és FREON-12-nek is hívnak).
adatok: Walker et al., J. Geophys. Res., 105, 14,285-14,296, 2000 [internet plots]; kép: Gian-Kasper Plattner (Berni Egyetem, UCLA)

Az oldalról:

szerzõ: Elmar Uherek - MPI Mainz
1. tudományos lektor: Dr. Rajendra Shende, Head Energy and Ozone Action, United Nations Environment Programme 2003-10-06
2. tudományos lektor: Dr. John Crowley - MPI for Chemistry, Mainz 2004-05-06
pedagógiai lektor: Hendrik Förster & diákjai, Nordpfalz Gymnasium Kirchheim-Bolanden - 2004 március
utolsó javítás: 2004-05-10

Megtekintésre javasolt honlapok:

http://www.unep.org/ozone/pdf/qa.pdf

www.unep.org/ozone/faq/shtml