FYZIKA |
|
Školský
Informačný
|
|
OZÓNOVÁ DIERA
"Naša Zem je zrejme jedinou planétou v celom vesmíre, na ktorej sa vyskytuje život. Alebo je taktiež možné, a pravdepodobnejšie, že vo vesmíre existujú miliardy ďalších obývaných planét. My však vieme len o našom svete. Je našim veľkým privilégiom, že žijeme a sme si toho vedomí. Ale toto privilégium nám tiež ukladá zodpovednosť - používať svoj intelekt na dobré účely." John Seymour Žijeme v dobe supervýkonných počítačov. Žijeme v čase luxusu a biedy zároveň. Narodili sme sa, aby sme nepchali hlavu do piesku, ale aby sme začali rozmýšľať a konať. Situácia je veľmi vážna, aj keď si to väčšina ľudí ešte neuvedomuje. Ak neustále znečisťovanie životného prostredia potrvá aj naďalej, tak v blízkej budúcnosti ekologická nerovnováha ovplyvní život každého z nás. Očami fyzika si teraz prezrime súčasný stav niektorých chorôb, ktoré trápia našu Zem.
Nebezpečné UV - žiarenie a poruchy ozónovej vrstvy zeme Úbytok ozónu je prvou z troch hrozieb lokálneho (a nielen lokálneho alebo regionálneho) formátu, ktoré súvisia so znečistením ovzdušia. Ďalšími dvoma sú znížená oxidácia atmosféry (čo je hrozba málo známa, ale potenciálne závažná) a globálne otepľovanie. 1. Charakteristika uv-žiarenia Ultrafialové žiarenie (z angl. ultra violet radiation), je tá časť elektromagnetického vlnenia, ktorá sa nachádza medzi viditeľným svetlom a röntgenovým žiarením s vlnovou dížkou od 400 do 100 nm. S ohľadom na biologický účinok možno UV-žiarenie rozdeliť ešte na menšie rozsahy, a to na: UV-A: 400-320 nm, UV-B: 320-280 nm, UV-C: 280-100 nm. Obr. 1 Elektromagnetické spektrum (I - infračervené žiarenie, S - viditeľné svetlo, R - röntgenové žiarenie, g - žiarenie).
Slnečná radiácia obsahuje taktiež UV-žiarenie, z ktorého len malá časť preniká až na Zem, pretože je vo výškach 20-30 km vo vlnových dĺžkach menších ako 290 nm silne absorbované ozónom a v dĺžkach menších ako 180 nm dvojatómovým kyslíkom obsiahnutým v atmosfére. Z týchto dôvodov je pre pozemského pozorovateľa slnečné žiarenie okolo ~ 290 nm náhle prerušené (obr.2). Zrakové orgány mnohých živočíchov (napr. vtákov, včiel, múch a iného hmyzu) sú schopné UV-žiarenie vnímať, zatiaľ čo ľudské oko túto schopnosť nemá. Naopak, je ním poškodzované, pričom dochádza v očnej šošovke k nevratným zákalom. Chemický účinok UV - žiarenia spočíva v jeho absorbcii látkou a v následnej excitácii príslušných atómov a molekúl, na ktoré naväzujú chemické procesy. Zo vzťahu pre výpočet energie elektromagnetického žiarenia E = h.v = h.c/l je zrejmé, že čím má absorbované UV-žiarenie kratšiu vlnovú dĺžku, tým má väčšiu energiu a jeho fyziologické účinky sa zosilňujú. K biologickým účinkom UV - žiarenia patrí i stmavnutie pokožky následkom tvorby melanínu (pigmentu), pričom podiel jednotlivých vlnových rozsahov na tvorbe pigmentu je rôzny . Intenzívne krátkovlnné UV-B žiarenie môže viesť ku svetelným erythemom (sčervenanie pokožky), k popáleninám a kožným nekrózam, ale taktiež ku vzniku zhubných ochorení - melanómov (rakoviny), pokiaľ je vplyv žiarenia dostatočne dlhý.
Obrázok č.2: Absorbcia slnečného žiarenia atmosférou vo výške 30km a nahladine mora.
2. Charakteristika ozónu Ozón O3 je modifikáciou kyslíka, ktorého molekula je tvorená tromi atómami, na rozdiel od bežného atmosferického kyslíka s dvoma atómami (O2). Relatívna molekulová hmotnosť je 48. Za normálnych podmienok je ozón plynná látka s hustotou 2,143 kg/m3.
V prírode vzniká ozón v ovzduší z dvojatómového kyslíka rôznymi fotochemickými procesmi vplyvom slnečného žiarenia alebo aj pri prírodných elektrických výbojoch. Príprava či tvorba ozónu sa deje taktiež pomocou elektrických výbojov. Ozón tvorí asi len 10-6 až 10-5 objemových percent (10 - 100 ppbv ; ppmv = objemovo 1 diel z milióna; ppbv = 1 diel z miliardy; pptv = 1 diel z biliónu) vzdušného obalu Zeme. 10 až 20 % ozónu sa nachádza vo výškach asi do 10 km v troposfére. V stratosfére sa nachádza asi 80 - 90 % z celkového množstva ozónu s koncentráciou asi 10 ppmv. V spomínaných výškach okolo 25 km sa nachádza jeho maximum, pričom tam dochádza aj ku jeho vzniku pôsobením UV žiarenia na dvojatómové molekuly kyslíka (O2). Množstvo ozónu vo vertikálnom stĺpci vzduchu nad povrchom Zeme sa udáva v Dobsonových jednotkách ( D.U.), pomenovaných po oxfordskom profesorovi G. Dobsonovi. 1 Dobsonova jednotka predstavuje celkové množstvo ozónu vo vertikálnom stĺpci atmosféry, ktoré by pri tlaku 1013 hektopascalov a pri teplote –150C vytvorilo vrstvu hrubú 0,01 mm. Príklad: Pri celkovom množstve ozónu 300 D.U. by táto ozónová vrstva bola hrubá 3 mm. Ozón má v oblasti UV spektra elektromagnetického žiarenia, a tým aj slnečného žiarenia, okolo vlnovej dĺžky 250 nm extrémne vysokú absorbciu. Preto stačí atmosferická vrstva ozónu aj napriek jej nepatrnej koncentrácii dokonale chrániť živú prírodu pred UV žiarením Slnka, predovšetkým o vlnových dĺžkach 240-320 nm, ktoré je rovnako ako žiarenie s kratšími vlnovými dĺžkami životu nebezpečné. Z fyziologického hľadiska je ozón vysoko jedovatým plynom, ktorý pôsobí najprv dráždivo na oči a sliznicu. Hlavné poškodenie však nastáva pri vdychovaní, kedy dochádza k bolestiam hlavy, na prsiach a k poruchám dýchania. Toxický účinok ozónu spočíva pravdepodobne v jeho schopnosti rozrušovať dvojité väzby u organických látok. Táto vlastnosť je výhodná pri použití k dezinfekcii, ale je však krajne škodlivá pri pôsobení na rastliny, pretože rozrušuje chlorofyl.
3. Charakteristika atmosféry Slovo atmosféra pochádza z gréčtiny (atmos = para, sfaira = guľa) a je všeobecne používaným výrazom pre plynný obal Zeme. Hrúbka atmosféry je minimálne 10 000 km. Celková hmotnosť je cca 5,3 .1015 ton, čo predstavuje necelú milióntinu hmotnosti Zeme a približne dve desaťtisíciny hmotnosti zemskej kôry. Vlastnosti atmosféry, napr. teplota, hustota, obsah vody a celkové chemické zloženie, nie sú rovnaké a vykazujú podstatnú závislosť od vzdialenosti od Zeme. Z celkového množstva atmosféry sa 50% nachádza v oblasti 0 - 5,6 km, 90% v oblasti 0 - 48 km nad povrchom Zeme. Jednotlivé časti atmosféry sa klasifikujú podľa niekoľkých kritérií. Najznámejším kritériom je závislosť teploty od výšky. Podľa neho sa vzdušný obal Zeme rozdeľuje na 5 základných oblastí: troposféru, stratosféru, mezosféru, termosféru a exosféru. Podrobnejšie si rozoberieme dve najspodnejšie sféry -troposféru a stratosféru. Troposféra (z gréckeho tropos-zmena) je najbližšou, a tým i najdôležitejšou časťou atmosféry. Siaha od povrchu Zeme do výšky 8-17 km (v závislosti od zemepisnej výšky a od ročného obdobia). Za bežných okolností je troposféra typická poklesom teploty s rastúcou výškou, pričom v najvyšších oblastiach dosahuje okolo –560C. Nad troposférou sa nachádza stratosféra (z lat. stratum - pokrývka). Siaha do výšky približne 50 km. Vo výške okolo 32 km teplota dosahuje okolo 00 C. Tento vzrast teploty sa vysvetľuje tým, že sa tu nachádza vysoká koncentrácia ozónu. Jeho najvyššia koncentrácia je vo výškach 25 - 30 km nad zemským povrchom. Táto oblasť sa často nazýva ozonosféra.
4. Troposferický ozón Vplyvom nadmerného výskytu NO2 a NO vo vzduchu dochádza ku nežiadúcemu zvyšovaniu koncentrácie troposferického ozónu. NO2 vzniká oxidáciou NO, ktorý je predovšetkým produktom premávky motorových vozidiel a spaľovacích procesov vôbec. Hlavným zdrojom ozónu sú potom nasledovné reakcie, prebiehajúce v troposfére: a) Vznik jednoatómovej častice O ( reakcia (2) prevažuje):
O2 + h.n ( < 242 nm) NO2 + h.n ( < 400 nm) b) Vlastný vznik ozónu: O2 + O + M M je tretia neutrálna kolízna častica (obyčajne A3 a pod.) ktorá sa na vlastnej reakcii nepodieľa, ale vyrovnáva energetické pomery reakcie. Ako už bolo uvedené, ozón je plyn, ktorý nepriaznivo pôsobí na zdravie človeka. Preto nadmerné množstvo ozónu v prízemných vrstvách atmosféry, v troposfére, je rovnako škodlivé ako jeho nedostatok v stratosfére. Na druhej strane, vzhľadom k tomu, že troposferický ozón má voči UV - žiareniu rovnaké chovanie ako stratosferický ozón (je to jeho fyzikálna vlastnosť), môže aj on zachytávať škodlivé UV - žiarenie. V tejto súvislosti dochádza k paradoxnému javu, keď prítomnosť zvýšenej koncentrácie ozónu v troposfére má negatívnu a súčasne pozitívnu úlohu. Dá sa však konštatovať, že táto situácia zodpovedá nežiadúcemu stavu, ktorý sa niekedy označuje ako stav chorej atmosféry.
5. Stratosferický ozón - vznik Vo výške medzi 20 - 30 km vzniká ozón pôsobením slnečného UV - žiarenia s vlnovou dížkou kratšou než 242 nm, ktoré je schopné štiepiť molekuly dvojatómového kyslíka na jednotlivé atómy: O2 + h.v ( < 242 nm) Tie potom reagujú s ďalšími molekulami kyslíka za vzniku ozónu podľa reakcie: O2 + O + M Vzniknutý ozón sa v atmosfére ďalej nehromadí, ale opäť sa rozkladá pôsobením dlhovlnného UV a viditeľného žiarenia ( < 1140 nm) na molekulárny a atómový kyslík: O3 + h.v ( < 1140 nm) Takto vzniknutý kyslík je (podľa energie absorbovaného fotónu) buď v základnom, alebo v excitovanom stave a rozkladá ďalšiu molekulu ozónu podľa reakcie: O3 + O Dôsledkom týchto fotochemických reakcií v stratosfére je vedľa vzniku a rozpadu ozónu nielen podstatné zoslabenie toku dopadajúceho slnečného ultrafialového žiarenia, ale i prenos (absorbcia) energie, a tým i nárast teploty v príslušných vrstvách atmosféry.
6. Poškodzovanie stratosferického ozónu V dôsledku ľudskej činnosti sa dostávajú do atmosféry látky, ktorých množstvo niekoľkonásobne presahuje normálnu hodnotu výskytu v atmosfére. Tým dochádza ku ubúdaniu ozónu v ozonosfére a ku výraznému narušovaniu prirodzenej štruktúry atmosféry, ktorá prepúšťa oveľa viac UV - žiarenia o vlnových dĺžkach, ktoré nepriaznivo pôsobia na živé organizmy na Zemi. Okrem základných spôsobov rozpadu stratosferického ozónu reakciami (6) a (7) sa asi 30 % na rozpade ozónu podieľajú aj nasledovné katalytické reakcie, vyvolávané reaktívnymi zlúčeninami (radikálmi) H, OH, NO, a Cl (označíme ich X) X + O3 = OX + O2 ( 8 ) OX + O = O2 + X ( 9 ) Z reakcií vidieť, že radikál X sa nespotrebuváva a reakciou (9) sa regeneruje. Jeden radikál X môže preto postupne vyvolať rozklad stoviek molekúl ozónu. Vrstva stratosferického ozónu je v stále sa zvyšujúcej miere narušovaná pôsobením chlórofluórovodíkov (tzv.CFC látok, resp. freónov). Freóny boli vyvinuté v 30 - tych rokoch a majú veľmi široké použitie. Sú ľahšie ako vzduch a vystupujú do stratosféry. Sú schopné pôsobením UV - žiarenia uvoľňovať atómy halových prvkov (chlór, bróm), ktoré premieňajú ozón na obyčajné molekuly kyslíka (reakcia (8), (9)), ktoré nepohlcujú UV. Podobne pracujú i atómy vodíka, hydroxylová skupina OH a oxid dusnatý NO uvoľňovaný pri spaľovacích procesoch u lietadiel a automobilov. Tab.č.1 ukazuje najvýznamnejšie ozón rozkladajúce chemikálie.
Tabuľka č.1
7. Ozónová diera Výsledkom dlhodobého poškodzovania ozónu je vznik tzv. "ozónovej diery" nad Antarktídou, ktorej rozloha je v súčasnosti 4-násobne väčšia ako je rozloha USA bez Aljašky. Pojmom ozónová diera označujeme miesto v atmosfére, kde množstvo celkového ozónu dočasne pokleslo pod 50 % normálnej hodnoty. Od druhej polovice 80-tych rokov sa v jarných juhopolárnych mesiacoch (september až december) objavuje ozónová diera nad Antarktídou pravidelne a jej rozsah (plošne aj v celkovom úbytku ozónu) sa stále zväčšuje. Najväčšie straty ozónu boli zatiaľ zaznamenané v roku 1994 (o dva týždne skôr ako kedykoľvek predtým) kedy boli namerané hodnoty celkového ozónu pod 100 DU, čo predstavuje úbytok viac ako 70 %. Výrazný úbytok stratosferického ozónu v polárnych oblastiach je spojený so špecifickými meteorologickými podmienkami počas zimného vortexu (vír) , ktoré vytvárajú priaznivé podmienky pre vznik polárnej stratosferickej oblačnosti (PSO). Prvou podmienkou je zvláštna cirkulácia s centrom v polárnej oblasti, tzv. južný cirkumpolárny vír, vďaka ktorému sa oblasť vzdušne izoluje od okolitého sveta. Druhou podmienkou sú extrémne nízke teploty, ktoré umožňujú vznik PSO a na nich potom prebiehajú veľmi účinné reakcie ničiace ozón. Sú to heterogénne reakcie vedúce k denitrifikácii a dehydratácii polárnej stratosféry a k uvoľňovaniu chlóru a brómu z neaktívnych zlúčenín do aktívnejšej podoby (napr. Cl2). Po ožiarení polárnej stratosféry dochádza k rozkladu molekuly chlóru na atomárny chlór, resp. aktívny chlór, ktorý dokáže v už známych katalytických cykloch rozložiť obrovské množstvo ozónu. Vďaka uzavretosti oblasti sa tento ozón nemôže dopĺňať zvonku, takže vzniká typický obrázok "diery". Arktický vortex-vír nie je tak stabilný, preto sú tam aj menej priaznivé podmienky pre vznik PSO. Analýza dlhodobých meraní celkového ozónu ukazuje, že ozón ubúda s výnimkou tropických oblastí na celej zemeguli. V našich zemepisných šírkach bol úbytok celkového ozónu len mierny, približne len 1,5 % za desaťročie. V poslednom desaťročí sa tento úbytok zdvojnásobil a v zimných mesiacoch predstavuje dokonca až 6 %. Od decembra 1991 je v stredoeurópskej oblasti pozorovaný trvalý deficit ozónu v stratosfére. Veľmi nízke hodnoty boli namerané v januári 1992 (denné minimum 28.1. 1992: 40 % , obr.3) a vo februári 1993 (denné minimum 12.2.1993 - 38 %). Priemerné hodnoty celkového ozónu v D.U. závisia od zemepisnej šírky (obr.4)
 
Obr. 3 (vľavo hore): Anomálny pokles celkového ozónu nad Európou dňa 28.1.1992 v D.U.. Obr.4(vpravo hore): Závislosť priemerných hodnôt celkového ozonu v D.U.od zemepisnej šírky. Čiarkované krivky znázorňujú kolísanie zistených hodnôt Obr. 5(dole): Časové rozloženie zmien obsahu celkového ozónu v období od r.1979 do r.1992 v oblasti medzi 65o s.š. a 65oj.š...
8. Prognóza poškodzovania ozónovej vrstvy Jediným spôsobom, ako spomaliť a zastaviť zoslabovanie ozónovej vrstvy, je čo najrýchlejšie ukončenie výroby a spotreby látok, ktoré ju ohrozujú. A hoci sú už dohodnuté a čiastočne prijaté regulačné opatrenia pre tieto látky (Montrealský protokol a jeho dodatky), podľa odborníkov nás roky najhoršej redukcie ozónu ešte len čakajú. Ak najprísnejšiu verziu regulačných opatrení (Kodaňský protokol) splnia všetci signatári montrealského protokolu, zoslabenie ozónovej vrstvy vyvrcholí okolo r. 2010 a jej normálne hodnoty môžu byť realitou v 2. polovici budúceho storočia. Zníženie obsahu ozónu v atmosfére vedie nutne k rastu intenzity a dávok UV-B žiarenia na zemskom povrchu. Živé organizmy sú prispôsobené prirodzeným zmenám hustoty toku a dávok UV-B žiarenia. Tieto súvisia s dennou a sezónnou zmenou polohy Slnka, oblačnosti, obsahu aerosólu a ozónu v atmosfére, so zmenami snehovej pokrývky. Modelové výpočty pre bezoblačnú atmosféru, v niektorých oblastiach už potvrdené meraniami, pripisujú pre úbytok celkového ozónu o 1 % rast biologicky aktívneho UV-žiarenia na zemskom povrchu o 1 až 2 %, a to v závislosti od zloženia atmosféry a príslušného biologického efektu (biologicky aktívne UV-žiarenie je UV-žiarenie zhodnotené príslušnou účinnosťou biologického efektu, najčastejšie erythemu kože). Podľa odborných odhadov zvyšuje úbytok celkového ozónu o 1 % pravdepodobnosť výskytu kožnej rakoviny o 1 až 5 % (v závislosti od citlivosti kože), očných zákalov približne o 1%. 
Obr.6 Prognóza obnovy prirodzeného stavu ozónovej vrstvy pri realizácii Montrealského protokolu (1987) a jeho úprav z Londýna (1990) a z Kodane (1992).
Stručná história ozónu: 1839 - C.F. Schönbein objavuje ozón 1860 - počiatky merania ozónu v prízemnej vrstve atmosféry 1880 - Hartley vyslovuje predpoklad, že slnečné žiarenie v intervale 200-320 nm nie je absorbované vo vrchnej časti atmosféry 1913 - pri meraní intenzity UV-žiarenia bolo dokázané, že väčšina ozónu sa vyskytuje v stratosfére 1926 - prvých šesť Dobsonových spektrofotometrov je umiestnených na zemskom povrchu k meraniu celkového množstva ozónu 1929 - objav umožňujúci meranie vertikálneho rozdelenia ozónu, zistená ozónosféra 1930 - vyslovená teórie fotochemickej tvorby ozónu 1934 - sondy a balóny ukazujú, že maximálna koncentrácia ozónu sa vyskytuje vo výške okolo 20 km 1955 - navrhnutá sieť meracích ozónových staníc 1957 - Svetová meteorologická organizácia (WMO) ustanovuje globálnu sieť meracích staníc 1965 - objavuje sa teória fotochemickej deštrukcie ozónu radikálom OH 1966 - prvé družicové meranie 1971 - upozornenie, že ozón môže byť ničený NOx plynmi 1974 - základy CIOx chémie ako deštrukčného mechanizmu ozónovej vrstvy 1975 - prvé stretnutie vedcov zvažujúcich stav globálneho ozónu 1981 až 1991 - pravidelné semináre a stretnutia špecialistov 1984 - prvá správa o ozónovej diere v Antarktíde v 1982 1985 - Viedenská dohoda o ochrane ozónovej vrstvy 1987 - Montrealský protokol 1988 - neustále zvyšovanie ozónovej diery až o 10 % za desaťročie, dôkazy antropogénneho poškodenia 1990 - Londýnske upresnenie a dodatky k Montrealskému protokolu 1991 - dôkazy o poklese ozónu nielen v zimných mesiacoch , ale i v priebehu celého roku vo všetkých zemepisných šírkach s výnimkou trópov 1992 - Kodaňské dodatky k Montrealskému protokolu 1993 - dôkaz zvyšovania intenzity UV-B žiarenia v stredných zemepisných šírkach
Pár slov namiesto záveru Poškodzovanie ozónovej vrstvy Zeme predstavuje i z hľadiska poznania jeden veľmi dôležitý fakt, že totiž súčasná ľudská aktivita už nechtiac dosiahla globálne rozmery, to znamená, že človek môže svojou činnosťou ovplyvniť celoplanetárne javy a procesy. Už toto jednoduché poznanie by malo byť varovaním pred ďalšími neuváženými aktivitami ovplyvňujúcimi nad únosnú mieru prirodzený chod prírodných procesov. Na prirodzených prírodných procesoch je závislý i súčasný človek, či si to pripúšťa alebo nie. Rizika vyplývajúce z omylov pri aplikovaní poznatkov vedy sú v súčasnosti príliš veľké, preto sa musíme snažiť na školách upozorňovať na takéto javy. Musíme vychovávať žiakov tak, aby vedeli zaujať postoj k využívaniu poznatkov vedy (fyziky, chémie, biológie…) a techniky. Možno to však dosiahnuť iba adekvátnou ekologickou výchovou t.j. zavádzaním ekologických prvkov do vyučovania fyziky. Problematiku ozónovej diery a UV žiarenia, ktorú som tuná načrtol, navrhujem použiť pre posilnenie ekologického myslenia vo 4. ročníku, v tematickom celku Elektromagnetické žiarenie, ako rozširujúce učivo alebo na seminári z fyziky.
Informačné zdroje:
3. J.Plamínkova, Deravý ozonový deštník, VTM, 8, str.10, 1992. 4. Z.Slanina, První invazní stratégie proti ubývaní ozónu,, VTM, 2, str.32, 1992. |
O2
+
O), pričom stredná doba života O3 je pri teplote 20 0 C
3 dni, pri –15 0 C 8 dní, pri –25 0 C 18 dní a pri
–50 0 C 3 mesiace.
Posledná aktualizácia: 09.02.2001