Klorfluorkarboner (KFK) og hull i ozonlaget

Klorfluorkarboner (KFK) og hull i ozonlaget

Historien om ozonhullet er et godt eksempel på hvordan en tilsynelatende harmløs gruppe kjemiske forbindelser kan bli en reell fare for livet på jorda, og hvordan regjeringer, næringsliv og sivilsamfunn kan jobbe sammen for å identifisere problemet og å finne en løsning på det.

Av dette kan vi lære at enhver forandring i klimasystemet som forårsakes av mennesker kan forstyrre den naturlige likevekten på en uventet måte. Samtidig ser vi at globale miljøutfordringer kan håndteres på en effektiv måte dersom verdenssamfunnet jobber målrettet sammen.
KFK-gasser er de viktigste kjemiske forbindelsene som bidrar til nedbrytning av ozonlaget, men ikke de eneste.

KFK-gasser – bruk og egenskaper

Klorfluorkarboner (KFK) er kunstig framstilte hydrokarboner der hydrogenatomene er erstattet med halogenene klor og fluor. Eksempler er CFCl3 og CF2Cl2. KFK har blitt benyttet i mange produksjonsprosesser og produkter, blant annet i kjøleskap og kuldeanlegg; for å blåse opp skum i skumplast, som rensemiddel, brannslukkende middel og som drivgass i spraybokser.
Årsaken til at KFK-gasser brukes i så mange forskjellige sammenhenger er at de er svært stabile og anvendbare, samtidig som de ikke har noen akutt innvirkning på menneskenes helse. De reagerer ikke med noen naturlige forbindelser, verken i kroppen eller i troposfæren. Derfor har de ekstremt lang levetid, og kan hope seg opp i lufta. Men gassene har en viktig egenskap som ikke ble tatt med i beregningene før man oppdaget hva som var i ferd med å skje i stratosfæren; de brytes ned av UV-lyset fra sola ved såkalt fotolyse.

CFC use

1. Bruk av KFK-gasser.
Informasjon fra US Environmental Protection Agency (EPA)

KFK-gassenes skjebne i stratosfæren

Fordi mye av det ultrafiolette lyset fra sola blokkeres av ozonlaget i stratosfæren, er UV-lyset som når troposfæren for svakt til å nedbryte en betydelig del av KFK-gassene. Men etter hvert som KFK-gassene gradvis spredde seg helt opp i stratosfæren, begynte nedbrytningen av KFK (fotolyse). Denne nedbrytingen fører til dannelse av klor- og fluorradikaler, som er svært reaktive. Disse radikalene kan forårsake nedbryting av ozon.

Prosessen fører imidlertid ikke nødvendigvis til omfattende nedbrytning av ozonet, fordi klorradikalene (som står for mesteparten av ozonnedbrytingen), også deltar i andre reaksjoner avhengig av meteorologiske forhold. Selv om stratosfærisk ozon også reduseres ved andre breddegrader, oppstår ozonhullet bare i polare regioner, særlig over Antarktis og kun om våren. Hva er årsaken?

simulation ozone hole 2001

2. Utviklingen av ozonhullet i 2001.
Klikk på figuren for å forstørre sekvensen på 5 dager!
Originalanimasjonen kommer fra NOAA Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, Boulder, Colorado

simulation ozone hole 2001

Hvordan halogenradikalene ødelegger ozon

Ozon er normalt i en form for likevekt i ozonlaget, hvor det hele tiden blir dannet og nedbrutt av UV-lys. Klorradikaler (Cl•) er katalysatorer i nedbrytingen av ozon. Det vil si at de setter i gang en kjedereaksjon som bryter ned ozonet, men de blir ikke selv brukt opp.

chlorine ozone reaction

3. Klor og ozon-reaksjon. Prikkene betyr at reaksjonsdeltakerne er radikaler.

Forholdene

Når KFK-gasser nedbrytes, dannes klormonoksidradikaler (ClO•). Disse reagerer med nitrogendioksid (NO2) og danner klornitrat (ClONO2), eller med nitrogenmonoksid (NO) og metan (CH4) og danner hydrogenklorid (HCl). Fra reaksjonen mellom ClONO2 og HCl dannes også salpetersyre (HNO3). Vi skal ikke fokusere på detaljene i de kjemiske prosessene, men det er viktig å vite at ingen av produktene (HCl og ClONO2) reagerer med ozon, og er ganske stabile forbindelser. Bare under visse forhold oppstår det reaktive kjemikalier som til slutt forårsaker ozonhullet. Etter oppdagelsen av ozonhullet i 1985 ved den britiske forskningsstasjonen Halley Bay i Antarktis, tok det mellom to og tre år med intensiv forskning før disse sammensatte forholdene ble avdekket i sin helhet.

1) En faktor er den ekstremt lave stratosfæriske temperaturen på omlag -80oC eller mindre over Antarktis i mørketiden. Under slike forhold danner salpetersyre og vann stratosfæriske is-skyer som ikke er stabile ved høyere temperaturer. På overflaten av disse is-skyene reagerer HCl og ClONO2 med hverandre og danner salpetersyre og  klorgass Cl2.

2) Klor Cl2 er et stabilt molekyl som ikke reagerer med ozon, men som lett splittes av sollyset ved fotolyse og danner 2 Cl•-radikaler, som ”angriper” og bryter ned ozon (den oransje pilen).

polar stratospheric cloud chemistry

4. Reaksjonene på polare stratosfæriske skyer fører til de farlige klor-radikalene Cl• (rød).

Klor Cl2 er et stabilt molekyl som ikke reagerer med ozon, men som lett splittes av sollyset ved fotolyse og danner 2 Cl•-radikaler, som ”angriper” og bryter ned ozon (den oransje pilen).

Dette betyr at det kan dannes mye klorgass (Cl2) i stratosfæren ved polene i mørketiden. Om våren kommer sola tilbake, og det blir stadig sterkere ultrafiolett stråling igjen. Denne strålingen bryter ned klorgassen til klor-radikaler (Cl•), og disse ødelegger ozonet slik at det dannes et ozonhull. Dette er grunnen til at vi kan observere ozonhullet hvert år til samme tid. Ozon-nivået stiger ikke før is-skyene blir borte og klor-radikalene forsvinner gjennom andre kjemiske reaksjoner.

ozone hole development in Antarctic spring

5. Utviklingen av ozonhullet i den antarktiske våren 1998.
Data fra GOME

3) Under normale forhold ville denne prosessen ikke hatt noen innvirkning på den mest konsentrerte delen av ozonlaget (14 – 22 km høyde), fordi ClO• radikalene vanligvis dannes høyere oppe i stratosfæren. Men under spesielle meteorologiske forhold oppstår det en vind som transporterer ClO• ned mot de lavere regioner av stratosfæren. Hele prosessen hadde ikke vært så dramatisk under normale forhold og ville ikke hatt noen innvirkning på den mest konsentrerte delen av ozonlaget på mellom 14 og 22 km høyde, fordi forbindelsen ClO• vanligvis dannes høyere opp i stratosfæren. Under den såkalte ”polare vortex” (en synkende vind ved polene) er imidlertid de nødvendige meteorologiske forholdene tilstede.

Som du ser er forholdene som må være tilstede for at ozonhullet skal oppstå
• lave temperaturer i mørketiden
• dannelse av is-skyer
• den ”polare vortex”
• den polare våren når sola vender tilbake
så spesielle at prosessen hadde vært umulig å forutsi for forskere uten først å ha observert den.

polar vortex

6. Ozonhullet i den ”polare vortex” over Antarktis i september / oktober 1996.
Hentet fra UKMO data set, publisert ved Brown University.

polar vortex

Ozonhullets fremtid

KFK-gasser ble forbudt over hele verden gjennom en internasjonal avtale. Den kalles Montreal-protokollen om stoffer som bryter ned ozonlaget (1987) og oppfølgere til denne protokollen. På grunn av sin lange levetid vil det imidlertid ta omlag 50 år før KFK-gassene som er sluppet ut til nå er borte fra stratosfæren og likevekten i ozonlaget forhåpentligvis gjenopprettes. Det antas at ozonhullet nådde sin maksimale størrelse rundt år 2000. I løpet av de siste årene har størrelsen vært forholdsvis stabil. Men det finnes unntak – i 2002 ble det ikke observert noe betydelig ozonhull. Grunnen var at det var for varmt og at den ”polare vortex” ikke oppsto som vanlig. Dette er et eksempel på at atmosfæriske prosesser kan være svært uforutsigbare.

CFC concentrations

7. Utviklingen i konsentrasjonene av de to viktigste KFK-gassene (også kjent som FREON 11 og FREON 12).
Data fra: Walker et al., J. Geophys. Res., 105, 14,285-14,296, 2000 [internet plots]; bilde: Gian-Kasper Plattner (Univ. of Bern, UCLA)

Om denne siden:

Forfatter: Elmar Uherek - Max Planck Institute, Mainz
Vitenskapelig kvalitetssikring: Dr. Rajendra Shende, Head Energy and Ozone Action, United Nations Environment Programme 2003-10-06 og Dr. John Crowley - Max Planck Institute for Chemistry, Mainz 2004-05-06
Pedagogisk utprøving: Hendrik Förster & students, Nordpfalz Gymnasium Kirchheim-Bolanden - March 2004
Oversatt og bearbeidet av Nicolai Steineger og Erik Steineger
Sist oppdatert: 2004-06-22

Anbefalt lesning:

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

www.unep.org/ozone/faq/shtml

Sist endret: fredag, 22. mai 2020, 17:04