Pasaulis sugebėjo išsigelbėti, nors pasekmes jaučiame dar ir dabar - ar sugebėsime tai pakartoti? Pamokanti ozono istorija (Video)

Kadangi žaliosios technologijos dažniausiai būna brangesnės už įprastas ir finansuojamos mokesčių mokėtojų pinigais, jos – gan politizuota sritis, kur paprastam žmogui gali būti sunku susigaudyti, kokių sprendimų ir investicijų reikia, o kas – tik proga „įsisavinti“ pinigus. Todėl panagrinėsime vienos klimato problemos – ozono skylės – atradimą, kodėl tai svarbu ir kaip buvo rastas sprendimas. Galų gale, klimato kaitos problemos yra realios, ir tik laiko ir mūsų visų pastangų klausimas, ar jas pavyks išspręsti.

Ozonas, \(O_3\) – deguonies alotropinė atmaina, jo molekulę sudaro trys deguonies atomai. Deguonies, kuriuo kvėpuojame, molekulėje yra du atomai, jo formulė \(O_2\). Ozonas yra gerokai nestabilesnis ir Žemės paviršiuje jo atmosferoje yra itin mažai ir jis dažniausiai susijęs su elektros poveikiu. Žmonės gali užuosti ozoną ir būtent ozoną užuodžia po žaibo išlydžio. Ozonas pasižymi dar didesniu oksidacijos poveikiu ir šiems tikslams naudojamas pramonėje. Dėl tos pačios priežasties, žmonėms ir kitiems įprastu dviatomiu deguonimi kvėpuojantiems organizmams per didelė ozono koncentracija ore (> 1 ppm) gali būti pavojinga. Didelės koncentracijos ozonas taip pat gali sprogti, skildamas į atominį deguonį ir dviatomį deguonį. Aukštai atmosferoje ozonas formuojasi be elektros išlydžių. Ultravioletinė Saulės spinduliuotė suskaldo įprasto molekulinio deguonies molekules į atskirus deguonies atomus, kuriuos gali prisijungti kitos dviatomės deguonies molekulės ir virsti triatome deguonies molekule – ozonu. Ozonas dar efektyviau sąveikauja su ultravioletine spinduliuote ir skyla vėl į dviatomį deguonį ir deguonies atomą, kurie vėl gali virsti ozonu.

Ozonas buvo atrastas dar 1785 metais, chemikui Martinus von Marum eksperimentuojant su elektros iškrovomis ties vandens paviršiumi. Vis dėlto, Martinusas nesuprato, kad taip jis susintetino ozoną ir jam charakteringą kvapą priskyrė elektros reakcijoms. 1839 m. Christian Friedrich Schönbein pavyko izoliuoti ir identifikuoti ozoną kaip dujas, tiriant specifinį kvapą, atsirandantį po žaibo išlydžio. Jis ir pavadino ozoną pagal graikišką žodį ozein (ὄζειν), reiškiantį kvapą. Jau 1873 m. James Dewar ir John Gray McKendrick parodė, kad ozonas neigiamai veikia gyvūnų kvėpavimą, o smulki gyvūnai gali netgi nugaišti. Nepaisant to, natūralistai siejo ozono šviežumo kvapą su teigiamu poveikiu sveikatai ir tai buvo populiarios kultūros dalis.

Ozonas itin efektyviai sugeria ultravioletinę spinduliuotę ir ši jo savybė mums svarbiausia. Žemės atmosferoje, apatinėje stratosferos dalyje, 30-50 km aukštyje, yra palankios sąlygos didesnei ozono koncentracijai. Ši koncentracija yra pakankamai didelė, kad sugertų 97-99 % Saulės ultravioletinės spinduliuotės. Tai buvo pastebėta vystantis spektroskopijai. Saulės spektras apytiksliai atitinka 5777 K temperatūros absoliučiai juodo kūno spinduliuojamos spinduliuotės spektrą. 1913 m. Charles Fabry ir Henri Buisson pastebėjo, kad nepaisant to, trumpesnės, nei 310 nm (iki 200 nm) bangos žemės praktiškai nepasiekia. Vadinasi, kažkas atmosferoje jį sugeria. Vėliau buvo nustatyta, kad sugerties spektras gali atitikti tik vieną cheminį elementą atmosferoje – ozoną. Jo koncentracijai matuoti meteorologas Gordon M. B. Dobson sukūrė paprastą antžeminį spektrografą ir nuo 1928 iki 1958 m. sukūrė pasaulinį ozono sluoksnio matavimo stočių tinklą. Jo garbei ozono sluoksnio storio matavimo vienetai vadinami Dobsono vienetais (DU)

Būtent ši nuolatinė ozono sluoksnio stebėsena ir parodė, kad nuo aštuntojo praėjusio amžiaus dešimtmečio ozono sluoksnis pradėjo nuosekliai plonėti, ypač – virš Antarktidos. Žemės paviršių pasiekiantys ultravioletiniai spinduliai gali neigiamai paveikti žmonių sveikatą, sukelti vėžį. Ne menkesnė problema – ozono sluoksnio nesugeriama spinduliuotė pakeistų planetos klimatą. Nors atrodytų, kad Saulė tuomet turėtų labiau įkaitinti Žemę, iš tikro labiau pasireikštų ozono sluoksnio gebėjimo sulaikyti nuo Žemės atspindėtą spinduliuotę – ozonas yra šiltnamio dujos. Dėl to vidutinė temperatūra per dešimtmetį būtų pažemėjusi 0,5 °C.

Didžiausias ozono sluoksnio sumažėjimas buvo nustatytas 1985 m. Joseph C. Farman ir kt. virš Antarktidos ozono sluoksnis buvo iki 60 % plonesnis užpasaulio vidurkį. Tai paskatino didesnį mokslinės bendruomenės susidomėjimą šia problema ir buvo nustatyta, kad pats pasaulinis ozono sluoksnio storio vidurkis sumažėjo daugiau, nei 50 % lyginant su istoriniais duomenimis!

Kadangi ozonas, kaip cheminė medžiaga, žinomas ir jo reakcijos su kitomis dujomis gali būti nesunkiai tiriamos laboratorijos sąlygomis, pasipylė daug hipotezių, kas gali ardyti ozono sluoksnį. Viena pirmųjų hipotezių buvo, kad ozono sluoksnį gali ardyti chloras, nes jo junginius gali efektyviai suskaldyti UV spinduliuotė virš ozono sluoksnio, o chloras gali tiek efektyviau, nei dviatomis deguonis, prisijungti deguonies atomus, tiek chemiškai skaidyti patį ozoną. Visgi, kadangi reaktyvių chloro junginių emisijos virš Antarktidos negalėjo paaiškinti ozono sluoksnio retėjimo spartos, buvo siūloma daugybė kitų galimų hipotezių. Vis dėlto, 1987 metais buvo galutinai įrodyta, kad ozono sluoksnį plonina būtent chloro junginiai.

Žiemą virš Antarktidos susiformuoja sūkurys, kuris izoliuoja orą virš Antarktidos nuo likusio pasaulio. Dėl itin šalto oro virš ašigalio (mažiau, nei -80 °C) poliarinę naktį susiformuoja poliariniai stratosferiniai debesys 12-22 km aukštyje. Šiuos debesis sudaro ledo kristalai, kurių paviršiuje yra itin palanki terpė cheminėms reakcijoms, kurių metu mažai reaktyvūs chloro junginiai virsta reaktyviais, pvz., dviatomiu chloru. Pavasarį, pasibaigus poliarinei nakčiai, Saulės šviesa suskaldo šias molekules į atominį chlorą, kuris savo ruožtu, ardo ozono sluoksnį tol, kol poliarinis sūkurys nustoja veikti, dažniausiai lapkritį. Analogiškas sūkurys susiformuoja ir virš Arkties, bet jis ne toks stiprus ir šaltas, kaip virš Antarktidos. Nepaisant to, yra užfiksuota sezoninių Arkties ozono sluoksnio praretėjimų iki 40 %. Tai įvyksta tik itin šaltais metais, kai temperatūros pasiekia panašias kaip Antarktidoje ir lygiai taip pat pastebimos išaugusios chloro koncentracijos.

Atominis chloras efektyviai reaguoja su ozonu ir suformuoja dviatomį deguonį ir chloro oksidą. Chloro oksidas taip pat efektyviai sąveikauja su ozonu ir suformuoja dvi dviatomio deguonies molekules ir chloro atomą, kuris vėl gali sąveikauti su ozonu. Šitaip vienas chloro atomas gali ardyti ozoną iki dviejų metų, kol patenka į stabilias molekules, tokias kaip chloro hidridas ar chloro nitratas. Bromas analogišku būdu ozoną ardo dar efektyviau, tačiau jo koncentracija atmosferoje yra gerokai mažesnė. Laboratoriniai eksperimentai rodo, kad tokį patį efektą gali turėti ir fluoro ar jodo junginiai. Visgi, fluoras gan efektyviai kombinuoja su vandeniu ir suformuoja itin stabilias fluoro hidrido molekules, todėl ardo ozoną gerokai trumpiau, nei chloras, o jodo junginiai efektyviai reaguoja žemiau atmosferoje ir ozono sluoksnį pasiekia tik labai maža jų dalis.

Paaiškinus ozono mažėjimo priežastis, buvo pasirašytas tarptautinis Monrealio protokolas, kuriuo susitarta iki 1993 m. minimizuoti chlorofluorokarbidų ir bromidų naudojimą pramonėje ir iki 50 % sumažinti šių cheminių medžiagų gamybą iki 1998 m. Tai nebuvo paprasta, nes šie junginiai buvo plačiai naudojami kompiuterių, plastikinių puodelių, pakavimo priemonių, aerozolinių purškiklių, oro kondicionierių, baldų, šaldytuvų, gesintuvų, riebalų šalinimo priemonių gamyboje. Vėliau Monrealio protokolo šalys praplėtė ozoną adančių medžiagų sąrašą ir sumažino šių medžiagų suvartojimą 90-95 % iki 2005 m.

2014 m. buvo užfiksuotas ozono sluoksnio pastorėjimas, kaip buvo manoma, pirmąkart per dešimtmečius. Tolesni tyrimai 2016 m. iš tikro parodė, kad nuo 2000 m. viršutinėje stratosferoje ozono nuosekliai gausėjo ir ozono skylė virš Antarktidos traukiasi. Vis dėlto, 2018 m. duomenimis, žemutinėje stratosferoje ozono vis dar mažėja ir mažėja sparčiau, nei jo daugėja viršutinėje stratosferoje.

Ozono sluoksnio atsistatymas, manoma, truks dar bent penkiasdešimt metų. Ozono skylės ir bendro viso sluoksnio retėjimo pavyzdys rodo, kaip beatodairiškas vartojimas gali nesunkiai sukelti sunkiai ištaisomus padarinius. Ir tuo tai rodo, kaip nustačius priežastis, tarptautinė bendruomenė gali susitelkti ir rasti sprendimus, pakeisti net itin paplitusias pramonės praktikas į draugiškesnes aplinkai. Tai ypač aktualu šiandienos kontekste, kuomet sprendžiama kitų žmogiškos veiklos išmetamų dujų, anglies dvideginio, problema. Visgi, šios problemos sprendimas dar nėra tiek pažengęs – nors stebima aiški koreliaciją tarp anglies dvideginio emisijų ir klimato kaitos, vis dar nežinome jas siejančio mechanizmo. Nors neabejotinai anglies dvideginio emisijos veikia kaip šiltnamio dujos ir turėtų lemti temperatūros kilimą, esami matematiniai modeliai jo prognozuoti dar negali. O kol kas, ozono, taip pat šiltnamio dujų, trūkumas veikia kaip atmosferą šaldantis ir kiek kompensuojantis veiksnys. Atsikūrus ozono sluoksniui, būsime geriau apsaugoti nuo ultravioletinės spinduliuotės, tačiau anglies dvideginio keliamos problemos turėtų tik paaštrėti.

J. Klevas

Literatūra:

• https://www.britannica.com/science/ozone-depletion
• https://www.britannica.com/science/global-warming
• https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-07/documents/achievements_in_stratospheric_ozone_protection.pdf