Halogénezett szénhidrogének (CFC-k) és az ózonlyuk

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.

CFC use

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?

simulation ozone hole 2001

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

simulation ozone hole 2001

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.

chlorine ozone reaction

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).

polar stratospheric cloud chemistry

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.

ozone hole development in Antarctic spring

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.

polar vortex

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)!

polar vortex

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.

CFC concentrations

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

Modifié le: jeudi 21 mai 2020, 22:42