Ozónová vrstva

OZÓNOVÁ VRSTVA

Ročníková práce ze ZEK

Ozónová vrsta, také zvaná ozónosféra je ve výšce 25-30 km nad zemí ve stratosféře obsahuje velkou koncentraci ozónu. Ozón je jedovatý plyn, vznikající v nižších vrstvách atmosféry při reakcích oxidů dusíku s oxidem uhličitým a uhlovodíky za slunečného počasí .

Ozónová vrstva chrání pozemské organismy před smrtícím účinkem ultrafialového záření. Díky této ochraně se k povrchu Země dostává asi pouze 1% ultrafialového záření přicházejícího ze slunce.

Ultrafialové záření které se dostane k povrchu Země je v malých dávkách pro mnoho organismů potřebné, například u člověka ovlivňuje tvorbu vitamínu D.

Toto záření také ničí mikroorganismy, ale ve větších dávkách je toto záření životu nebezpečné. Například brzdí růst vysokohorských rostlin, ničí drobné vodní organismy (plankton), které jsou potravou ryb. Působí zhoubně na tkáně živočichů i člověka.

Ozónovou vrstvu v atmosféře v součastné době porušují, kromě nadzvukových letadel které ji poškozují svými výfukovými plyny, hlavně chemické látky zvané freony. Jsou to těkavé plyny používané v rozprašovačích, v hasičských přístrojích, v chladících zařízeních a při výrobě umělých pěnových hmot.

Ačkoliv za posledních 10 let snížily vyspělé země produkci látek poškozujících ozónovou vrstvu Země o téměř sto procent, ještě několik desítek let se budou freony (chlorované a fluorované uhlovodíky) uvolňovat z dosud existujících zařízení. Ozónová vrstva tvoří sice pouhou milióntinu zemské atmosféry, k udržení života na Zemi je však nepostradatelná.
Od 80. let se svět snaží omezit spotřebu freonů mezinárodními úmluvami, jejich uvádění do praxe je však velmi problematické, především kvůli finanční náročnosti ekologicky přijatelnějších náhrad. Ve vyspělých zemích tedy platí zákaz výroby a používání freonů, chemické společnosti však přemísťují jejich výrobu do nerozvinutých zemí, pro něž platí jako nejzazší termín pro ukončení užívání tvrdých freonů rok 2010.
Za hlavní "požírače" ozónu, zvláštní formy molekulárního kyslíku, jsou považovány freony (deriváty fluoru, chloru a uhlíku) a herbicidy. Tyto látky se v atmosféře pod vlivem slunečního záření štěpí na jednotlivé atomy chlóru, které ochotně reagují s atomy ozónu a následně se štěpí zpět na samostatný chlór - tedy nijak se nespotřebovávají. Schopností ničit ozón disponuje rovněž bróm, jehož zdrojem mohou být mořské soli. Podstatně zvýšený obsah bromoxidu v ovzduší při současném snížení obsahu ozónu zaznamenali vědci například nad Mrtvým mořem.
Ačkoliv nad severním pólem byla poprvé po 10 letech naměřena silnější ozónová vrstva, není to důvod k optimismu. Tato příznivá zpráva souvisí podle vědců spíše s vyššími teplotami, protože ochranná vrstva se ničí zvlášť rychle při teplotách pod minus 80 stupňů Celsia. Nad jižním pólem byla na podzim naopak ozónová díra nebývalé veliká. Po 20 dní se rozšířila na více než 25 miliónů kilometrů čtverečních (více než dvojnásobná rozloha Evropy). Takové rozšíření zatím bylo naměřeno jen dvakrát, v letech 1993 a 1994, ale vždy jen pouhý jeden den.
Hlavní příčinou vzniku ozónové díry jsou zvláštní atmosférické poměry v průběhu antarktické zimy, kdy vzdušné víry uzavírají téměř neprodyšně prostor nad kontinentem, takže se stratosférický vzduch nemůže smísit se vzduchem z jiných částí atmosféry. Extrémně nízká teplota způsobuje vznik stratosférických mraků, na nichž se zachycují molekuly freonů. Ty se počátkem jara ultrafialovým zářením štěpí na atomární chlor, který pak ničí ozón, jehož rychle ubývá, dokud se nerozplyne uzavírající vzdušný vír a do oblasti se nedostane ozón z jiných částí atmosféry.
         Na negativní účinky freonů na ozón poprvé upozornili v roce 1974 Mario Molina, F.Sherwood Rowland a Paul Crutzen. Jejich varování však nenacházela přílišného ohlasu až do počátku 80. let, kdy britští výzkumníci v čele s Josephem Farmanen zveřejnili výsledky svých sledování v Antarktidě. Zvláštního výkyvu, který nastával na jaře a vracel se k normálu až po několika měsících, si poprvé všimli v roce 1981. Úbytek ozónu se každý rok prohluboval a v roce 1985 činil téměř 50 procent.
         Tato alarmující zpráva urychlila jednání započatá v roce 1981 takzvanou Vídeňskou skupinou a vyústila v březnu 1985 ve Vídeňskou úmluvu o ochraně ozónové vrstvy. O dva roky později podepsali v kanadském Montrealu zástupci 24 států k této úmluvě protokol , který stanovil harmonogram omezování produkce ozón poškozujících látek. Od 1. července 1989 měli jeho signatáři snížit výrobu i spotřebu freonů na 80 procent úrovně z roku 1986. Znepokojivé výsledky nových měření vedly v roce 1990 k prvnímu dodatku (londýnskému), zakazujícímu používání freonů již v roce 2000. Termín zákazu výroby freonů byl rovněž posunut, a to dodatkem z Kodaně (1992) na 1. ledna 1996. Zákaz se týká takzvaných tvrdých freonů a platí pro průmyslové země s výjimkou produkce pro zdravotnictví, bezpečnost státu, letecký provoz a jaderná zařízení.
         Na dalším zpřísnění limitů se dohodli delegáti světové konference ve Vídni v prosinci 1995. Rozvojové země zmrazí od roku 2002 spotřebu pesticidu metylbromid na základě průměru z let 1995-1998 a tvrdé freony přestanou používat od roku 2010. Průmyslové země přestanou vyrábět a používat metylbromid od roku 2010 a do roku 2020 skončí s výrobou a používáním měkkých freonů.
Československo se k Vídeňské úmluvě a Montrealskému protokolu přihlásilo v roce 1990; Česká republika se připojila 1. ledna 1993 (k dodatkům pak 21. srpna 1996). První československý zákon o ovzduší přijal parlament v roce 1991.

V roce 1992 proběhl první ročník projektu OZON. Již přes 1000 dětských skupin sledovalo výskyt přízemního ozonu v České republice. Využilo k tomu zvláštních vlastností speciálních kultivarů tabáku, které jsou pěstovány jako bioindikátory. Není příliš známo, že kromě problémů s nedostatkem ozonu ve stratosféře - známé ozonové díře, má lidstvo zcela opačné problémy s přemírou přízemního ozonu. Ten vzniká v létě jako důsledek silného automobilového provozu a poškozuje zdraví rostlin i živočichů.

A právě rostliny tabáku jsou na ozon zvýšeně citlivé.. Účastníci projektu ze semínek tyto až 2 metry vysoké rostliny pěstují a z množství skvrn na jejich listech odečítají koncentrace ozónu. Tato netradiční metoda měření škodlivin se ukázala jako velmi přesná a vědecky uznávaná.

Chemismus vzniku a rozpadu stratosférického ozónu :

Abychom pochopili specifické rozložení ozónu a také v čem spočívá nebezpečí lidských zásahů do ozónosféry, je nutno si alespoň v kostce přiblížit chemismus vzniku a rozpadu stratosférického ozónu.

Základy teorie vzniku a rozpadu ozónu ve stratosféře vznikly kolem roku 1930 a jsou spojeny s pracemi anglického fyzika Chapmana. Podle této klasické teorie je ozónová vrstva ve stratosféře výsledkem rovnováhy mezi atomárním a molekulárním kyslíkem a O₃ .

Pro vznik O₃ je v první fázi důležitá fotodisociace molekulárního kyslíku

V přítomnosti katalyzátoru (symbolické označení M) pak tyto atomy kyslíku mohou reagovat s molekulami kyslíku a vytvářet ozón

K rozpadu O₃ vedou podle klasické Chapmanovy teorie následující reakce :

Na rozdíl od fotodisociace kyslíku probíhá fotodisociace ozónu i za účasti viditelného a blízkého infračerveného záření. Ve výškách pod 30 km, kam už se nedostává intenzívnější ultrafialové záření, tedy převažuje rozpad ozónu nad vznikem. Nejrychleji se O₃ vytváří v tropické stratosféře. Odsud se pak meridionálním a vertikálním prouděním dostává do vyšších zeměpisných šířek a do spodní stratosféry a troposféry.

Pro celou řadu dalších reakcí je důležité, při jaké energii k rozpadu ozónu dochází. Jestliže je rozpad O₃ \ způsoben UV radiací o vlnových délkách < 310 nm, vytváří se excitované atomy kyslíku O', které ve fotochemii atmosféry hrají zásadní roli. Vystavení O₃ záření o vlnových délkách > 310 nm vede k atomům kyslíku s normálními energetickými hladinami.

Výpočty koncentrace O₃ podle Chapmanovy teorie dávaly však vyšší hodnoty koncentrací než byly pozorovány. Byla tedy vyvozena domněnka, že klasický Chapmanův cyklus nevystihuje všechny reakce. Teprve po roce 1950 vedlo intenzívní studium fotochemických dějů k odhalení dalších katalytických reakcí vedoucích k rozpadu stratosférického ozónu. Schéma těchto reakcí (písmenem X je označen katalyzátor) je následující:

Ukázalo se, že jako katalyzátor působí zejména NO, H, OH, Cl, Br.

Radikály HO_x , NO,ClO_x a BrO_x , odpovědné za rozpad ozónu ve stratosféře, vznikají zde většinou ze stopových plynů (např. N₂O, freonů) uvolňovaných do troposféry, a to jak v důsledku přirozených procesů, tak v důsledku řady lidských činností. Tyto stopové plyny jsou v troposféře relativně inertní, pronikají postupně do stratosféry a tam teprve se vlivem UV radiace rozkládají nebo vstupují do reakcí s excitovanými atomy kyslíku a OH radikály.

Nejprve byl objeven vodíkový cyklus rozpadu ozónu, tzv. HO_x cyklus, který zahrnuje H, OH a HO₂ radikály. Tyto radikály vznikají ve stratosféře především z vodní páry (H₂O), metanu (CH₄) a vodíku H₂ . Ve výškách nad 40 km působí v roli X zejména OH, výše uvedený cyklus reakcí je ale možný rovněž s atomy H. Ve spodní stratosféře k rozpadu O₃ vedou reakce HO₂ přímo s O₃ místo s O.

Na další katalytický cyklus rozpadu ozónu, tzv. NO_x cyklus, upozornil v roce 1970 Crutzen. Roli X a OX zde hraje NO a NO₂ . Hlavním zdrojem NO je troposférický oxid dusný N₂O

Dalším možným zdrojem NO ve stratosféře může být fotodisociace molekulárního dusíku UV radiací ve výškách nad 80 km. Vytvořené atomy dusíku pak rychle reagují s molekulárním kyslíkem

V roce 1974 se objevily první práce zabývající se vlivem chlóru na stratosférický ozón. Roli X a OX v tomto tzv. ClO_x cyklu hrají Cl a ClO. Hlavním zdrojem atomů chlóru ve stratosféře jsou halogenované uhlovodíky. ClO_x radikály se z těchto látek uvolňují opět pod vlivem UV radiace nebo reakcemi s excitovanými atomy kyslíku nebo OH radikály. K rozpadu stratosférického O₃ silně přispívá rovněž bróm. BrO_x cyklus je ještě destruktivnější než ClO_x cyklus.

Výše uvedené základní mechanismy rozpadu O₃ ve stratosféře je třeba doplnit celou řadou dalších reakcí, týkajících se vytváření zdrojů a propadů pro aktivní látky základních katalytických destrukčních cyklů. Procesy zániku O₃ mohou být zpomaleny či urychleny interakcemi mezi cykly a s dalšími látkami. Tak např. interakce NO_x a HO_x cyklu značně snižuje účinnost rozpadu ozónu, naopak ClO_x cyklus může být značně urychlen brómem. Relativní významnost jednotlivých destruktivních cyklů je uvedena na obr. 4, (převzato z [2]).

Celá chemická stránka problému rozpadu stratosférického O₃ zůstává posud otevřenou záležitostí. Teprve v posledních pěti letech se pozornost obrací k heterogenním reakcím na aerosolových částicích ve stratosférických oblacích. Teprve v současné době jsme tedy schopni alespoň kvalitativně interpretovat chemické procesy probíhající v zimě nad Antarktidou, kde složení stratosférických oblak tvořených pevnou nebo kapalnou vodní fází s rozpuštěnou kyselinou dusičnou hraje zřejmě významnou roli při jarním úbytku . Bylo zjištěno, že od počátku 80. let dochází nad Antarktidou na jaře k tak výrazným poklesům ozónu, že se hovoří o vytváření ozónových děr nad Antarktidou. A právě tyto poklesy nebylo možno vysvětlit pouze homogenními reakcemi.

Literatura:

Štulc M. Zeměpis 7, 3 díl