A sztratoszférikus ózon kémiája

A sztratoszférikus ózon kémiája

Csak 1980 után történt, hogy a sztratoszférikus ózon kémiájáról ismereteink rohamosan növekedtek. Ennek az oka az 1985-ös ózonlyuk felfedezése volt. A következõ két részben történeti keretben kitekintést adunk a sztratoszféra kémiájáról.

Az ózon felfedezése és az elsõ mérések

Az ózon kutatás meglehetõsen régi területe a légkör tudománynak. 1840-ben a gázt ’ózonnak’ (szagos) keresztelte Christian Friedrich Schönbein kémikus, aki felfedezte, hogy ez az anyag képzõdik elektromos kisülésekkor. Nagyon hamar kiderült, hogy az ózon a levegõ természetes része. Ennek a gáznak az elsõ mérési módszerét Schönbein fejlesztette ki, de nagyon hamar ezt továbbfejlesztették Párizsban, a Mt. Souris Obszervatóriumban. Onnantól kezdve származnak az elsõ adatsorok (1876-1910), melyek ma a legjobb becslései az iparosodás elõtti határrétegbeli koncentrációnak.

Christian Friedrich Schönbein

1. Christian Friedrich Schönbein
forrás: Webpage Swiss Academy of Science techniques

1879-ben felfedezték, hogy a Nap spektruma jelentõsen lecsökken az UVB tartományban a Földi felszíne közelében, és 1880-ban felfedezték, hogy az ózon egy erõs elnyelõ ebben a tartományban, és az lehet felelõs ezért. Az alsó légkörben megtalálható ózon mennyiség, azonban nem magyarázza meg ezt az UVB csökkenést. Ennek következtében megszületett a feltevés, hogy a legtöbb ózonnak magasabb légrétegekben kell képzõdnie. A kulcsfontosságú kutatást Gordon Dobson végezte el a XX. század 20-as éveiben. Kifejlesztette a Dobson - spektrométert, amit 1929 óta használunk a teljes légoszlop ózon mennyiségének megmérésére, és manapság ugyan fokozatosan helyettesítik sokkal modernebb eljárásokkal, de még mindig használják.

Dobson Spectrometer

2. A Dobson Spectrometer
forrás: Ulf Köhler, DWD Hohenpeissenberg

Arról, hogy hogyan mûködik a Dobson spektrométer, többet itt találhatsz, kattints IDE!

Az elsõ hat Dobson spektrométerek egyikét Arosa-ban (Svájc) használta Paul Götz, és innen van a leghosszabb mérési sorozatunk a légoszlopban levõ teljes ózonmennyiségre. A trend azt mutatja, hogy Európa felett is az ózonréteg egyre vékonyabb. Az elmúlt év nyarán Hohenpeissenbergben kevesebb, mint 300 DU értéket mértek, ez a kritikus érték, ami alatt a napsugárzás elleni védelem szükséges. A 200 DU tavasszal, az északi-félgömbi ózonlyuk idején, márciusban nagyon veszélyes.
A 20. század harmincas éveiben Götz megmutatta, hogy az ózonkoncentráció maximuma nagyon valószínû, hogy 25 km alatt található. Az ózonréteget többé-kevésbé le lehetett határolni, és vastagságát megmérni.

Arosa ozone series

3. Az Arosa ózon idõsor
forrás: ETH Zürich

A Chapman reakció

De hogyan képzõdik az ózon, illetve hogyan bomlik fel? 1929-ben és 1930-ban S. Chapman publikálta az ózonképzõdés és -bomlás elméletét. A reakciók még mindig érvényesek és ’Chapman-körfolyamatnak’ vagy ’Chapman-reakcióknak’ nevezik õket.
Az oxigén és az ózon átalakul egymásba. Fotolízissel a kötések felbomlanak, a napsugárzásnak köszönhetõen. Ahhoz, hogy az O2 molekula kötéseit bontsuk fel, a napfény energiájának magasabbnak kell lennie (240 nm-nél rövidebb hullámhosszú sugárzás), mint az ózon esetében (900 nm-nél rövidebb hullámhosszú sugárzás). A képzõdés és a bomlás egyensúlyban van és a nettó eredmény ’nulla’ reakció:

3 O2 -> 2 O3 és 2 O3 -> 3 O2

Chapman Cycle

4. A Chapman reakciók
kép: EU

Abszorpció az UV tartományban

A molekula abszorpciójától függ, hogy egy molekulát csak tisztán fénnyel fel tudunk-e bontani. Minden molekula az elektromágneses spektrum bizonyos részének az energiáját elnyeli. Az oxigén abszorbeálja a nagyenergiájú UV-C tartományt, az ózon a valamivel kevésbé energikus UV-B-t. A hosszabb hullámhossztartományok részben áthaladnak a légkörön és elérik a Föld felszínét.

Absorption of oxygen and ozone

5. Abszorpciós spektrum (jobbra):
A kép a felsõ légkörben lévõ fõbb napsugárzást elnyelõ anyagok kombinált abszorpciós spektrumát mutatja. Azt a magasságot jelzi, ameddig a napfény megfelelõ része lejut. A 200 nm-nél rövidebb hullámhosszú sugárzást már az ionoszférában és a mezoszférában lévõ nitrogén N2, O - atomok és az oxigén, O2, kiszûri. A 200 és 320 nm közötti sugárzás lejjebb jut a sztratoszférába (50 km alá), ahol a legtöbbet az ózon, O3, nyel el. Végezetül a 320 nm-nél nagyobb hullámhosszú fény eléri a földfelszínt.

Az UV-B egy kis része azonban eléri a földfelszínt, hozzájárulva az OH gyök képzõdéshez, ami tisztítja a troposzférát. Ez a tartomány kritikus a biológiában is, beleértve lebarnulást vagy a DNS károsodását.

Gyökök miatti ózoncsökkenés

Egyre világosabbá vált, hogy a mért ózonkoncentráció nemcsak az egyszerû Chapman reakciókkal magyarázható. 1970-tõl Crutzen, Molina, Rowland (Nobel díj, 1995) és más tudósok kidolgozták a halogén gyökök és nitrogén-oxidok részvételének elméletét az ózon kémiájában. Molina és Rowland már 1974-ben felfedezték, hogy a halogénezett szénhidrogének rombolják az ózont.

UV light in the electromagnetic spectrum

6. UV sugárzás az elektromágneses spektrumban
Ezen az egy példán kívül az UV sugárzás tartományának számos definíciója van, pl. az IPCC az UV-A sugárzást 315-400 nm közöttinek tekinti.
készítette: Elmar Uherek

Az ózon nem csak fotolízissel bomlik el, hanem X• gyökökkel lezajló reakciójával is, mely lehet nitrogén–monoxid, NO, hidroxil–gyök, •OH vagy egy halogén gyök mint Cl• vagy Br•. Van több más olyan, kisebb a fontosságú gyök is, amelyek hasonló módon reagálnak.

Mivel a halogént tartalmazó vegyületek kibocsátása emberi tevékenységbõl származik és ismert, csekély ózonkoncentráció csökkenést jósol néhány tudós. Azonban a sztratoszférára vonatkozó folyamatokról szóló ismereteink nem voltak teljesek, és egy ilyen nagymértékû ózoncsökkenést, mint az Antarktisz fölötti ózonlyuk nem vártak, mielõtt 1985-ben felfedezték azt.

Chemical ozone depletion

7. Kémiai ózon csökkenés

Az oldalról:

szerzõ: Dr. Elmar Uherek - MPI for Chemistry, Mainz
tudományos lektor: Dr. Christoph Brühl - MPI for Chemistry, Mainz
pedagógiai lektor: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-08-07
utolsó módosítás: 2004-05-11

Last modified: Thursday, 21 May 2020, 10:45 PM