Dziura ozonowa

Ozon

OZON odmiana alotropowa tlenu o cząsteczce trójatomowej O₃. Jest to niebieskawy gaz o charakterystycznym zapachu; temp. topn. -192,7^o C, temp. wrz. -111,9^o C, gęstość 2,144 g/dm³ (w temp. 0^o C); ok. 10 razy lepiej rozpuszcza się w wodzie niż tlen O₂ i jest silniejszym od niego utleniaczem. Przyłącza się do podwójnego wiązania w cząsteczkach nienasyconych związków organicznych. Jest nietrwały, rozkłada się łatwo na cząsteczkę tlenu O₂ i tlen atomowy. Powstaje z tlenu atmosferycznego pod wpływem wyładowań elektrycznych (np. podczas burzy) lub promieniowania ultrafioletowego, tworzy się też w niektórych reakcjach chemicznych (np. elektroliza związków tlenowych). Przemiana tlenu O₂ w ozon polega na powstawaniu tlenu atomowego, który się przyłącza do cząsteczki tlenu, tworząc ozon. W technice otrzymywany za pomocą cichych wyładowań elektrycznych w czystym tlenie lub (rzadziej) w powietrzu, w tzw. ozonizatorach. Stosowany jako środek utleniający i bakteriobójczy (np. do oczyszczania wody pitnej), do bielenia, niektórych syntez organicznych oraz jako utleniacz w rakietowych materiałach pędnych. W dolnych warstwach atmosfery ozon występuje w małych ilościach (ok. 2 * 10^-5 g/dm³ , w większym stężeniu szkodliwy dla zdrowia). Jego zawartość znacznie zwiększa się w górnych warstwach atmosfery (ozonosfera).

Jest gazem niepalnym (ma jednak zdolność, podobnie jak ditlen - O₂, podtrzymywać proces spalania), dobrze rozpuszczalny w wodzie, dość nietrwały, jest silnym utleniaczem.

Ozon jest gazem trującym dla ludzi, zwierząt i roślin. Aby zapobiec wzrostowi jego stężenia trzeba ograniczyć przede wszystkim emisję z transportu. Najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie innych napędów niż spalinowe. Najlepszym rozwiązaniem były by pojazdy na ogniwa słoneczne, jednak i te maja duży minus, ponieważ cena takiego pojazdu jest kilkakrotnie wyższa niż cena zwykłego "benzyniaka". Jest jeszcze inne wyjście, a mianowicie rowery, lecz w dzisiejszych czasach ludzie są zbyt wygodni, aby przesiąść się na ten środek lokomocji. Szczególnie poważne są skutki zaniedbań w zakresie transportu miejskiego. W ramach walki z zanieczyszczeniem powietrza automobiliści Aten, Mediolanu, Meksyku czy Rzymu mają prawo używać swoich samochodów raz na dwa dni, zależnie od numeru rejestracyjnego. W Tokio nasyceniu transportem towarzyszy brak wolnych przestrzeni pod zabudowę. Ta sytuacja doprowadziła do rozważań nad projektem "lotniczej linii podziemnej" łączącej Tokio z Osaką w ciągu pięćdziesięciu minut. Wiele miast prowadzi politykę zniechęcania do używania samochodu. W krajach skandynawskich paliwa oraz dostęp do centrów miast są surowo opodatkowane. W Norwegii istnieją rogatki miejskie. Jedynym rozwiązaniem pozostaje rozwój transportu zbiorowego, ale wymaga on daleko idących udoskonaleń:

rozszerzenia sieci połączeń,
rozładowania przeciążonych linii,
zwiększenia bezpieczeństwa zarówno pasażerów jak i kierowców,
poprawy czystości i restrykcji, co do zanieczyszczeń.

Największe zanieczyszczenia środowiska naturalnego związane z transportem przypada na kraje wysoko rozwinięte, gdzie liczba samochodów jest bardzo duża, a liczba mieszkańców przypadająca na jedno auto waha się od 1 - 5.

Niewygody i szkody powodowane przez infrastrukturę transportu pociągają za sobą negatywną reakcję ze strony części opinii publicznej. Wybór lokalizacji szlaków komunikacyjnych ma poważne konsekwencje: TGV, gdy jego linia przechodzi przez dany region, traktowany jest jako "spustoszenie" dla środowiska naturalnego czy rolnictwa; jeżeli nie - region jest "zaniedbywany".

Logika ekologiczna, która nakazywałaby ze względu na ochronę środowiska, korzystanie przede wszystkim z korytarzy już istniejących rzadko bywa respektowana. Zmniejszyć zanieczyszczenie powietrza tak aby przywrócić jego naturalny skład można dzięki:

tworzeniu bezkolizyjnych skrzyżowań dla pojazdów mechanicznych, zwłaszcza w dużych miastach,
stosowaniu katalizatorów w silnikach samochodowych, gdyż unieszkodliwiają one 90% spalin,
zakładaniu pasów zieleni w pobliżu dróg i osiedli mieszkaniowych.

Poprawić jakość powietrza można nie tylko kosztami technologicznymi i drogimi inwestycjami, ale również przez:

eliminowanie zbytecznych wyjazdów samochodowych i zastąpienia ich korzystaniem ze środków komunikacji komunalnej lub roweru,
polepszenie stanu środowiska przez usuniecie transportu samochodowego z niedostosowanych do tego celu ulic w centrach miast i wsi, dzięki czemu ograniczymy powstawanie smogu.

Transport samochodowy, jak podają wszystkie źródła statystyczne, jest najbardziej szkodliwy dla środowiska. Przez ekologów samochód nazywany jest "najukochańszym mordercą". Tlen jest potrzebny do oddychania - jest także niezbędny w procesie spalania benzyny w samochodach. Kojarząc te informacje ekolodzy policzyli, że w ciągu godziny drzewo liściaste wytwarza 1200 litrów tlenu. Z tego człowiek zużywa ok. 30 litrów, natomiast samochód 6000 litrów, a zatem na jeden samochód musi "pracować" 5 drzew. W tym czasie mogłoby oddychać 200 osób. Dalsze porównania prowadzą do stwierdzenia, że jeden silnik autobusu miejskiego przewozi średnio 90 osób, a jeden silnik samochodu osobowego - 1,3 osoby.

Jedynym rozwiązaniem jest modyfikacja silników spalinowych (konwencjonalnych) tak, aby zmniejszyć emisję ozonu podczas spalania paliwa w komorze silnika. Paliwo też powinno być odpowiednie, dlatego powinno się często sprawdzać jego jakość.

Dziura ozonowa

Dziura ozonowa to zjawisko zmniejszania się stężenia ozonu w stratosferze atmosfery ziemskiej.

Ozon stratosferyczny powstaje w wyniku oddziaływania promieniowania ultrafioletowego słońca z cząsteczkami atmosferycznego tlenu. Powstały ozon rozpada się reagując z niektórymi związkami chemicznymi, szczególnie chloru i fluoru.

W czasie zimy polarnej produkcja ozonu ulega redukcji. Duże obszary podbiegunowe znajdują się w półmroku albo są całkowicie nieoświetlone przez Słońce. Naturalny oraz wywołany zanieczyszczeniami rozpad trójatomowej cząsteczki tlenu nie zatrzymuje się w tym okresie, co prowadzi do zmniejszenia grubości warstwy ozonowej.

Problem pojawił się gdy zaczęto używać freonu oraz innych fluoropochodnych metanu i etanu (nazwanych wspólnie freonami) do produkcji aerozoli. Związki te wykorzystywane były w konstrukcji systemów chłodniczych:

w sprężarkach lodówek
chłodniach i urządzeniach klimatyzacyjnych
do produkcji lakierów
w przemyśle kosmetycznym
w medycynie

Po pewnym czasie stwierdzono, jak katastrofalne skutki przynosi używanie tych związków dla warstwy ozonowej. Cząsteczki freonów nie wchodzą w reakcję z innymi substancjami i nie rozpadają się, mogą więc żyć w atmosferze ponad 100 lat. Owa niezniszczalność freonów oraz lekkość pozwalająca na przenikanie aż do ozonosfery zaniepokoiły dwóch chemików. Z ich założeń wynikało, że w ozonosferze miliony ton lekkich freonów pod wpływem promieniowania ultrafioletowego rozkładają się na pierwiastki: węgiel, fluor i chlor. Wprawdzie węgiel spala się, ale fluor i jeszcze silniej chlor rozpoczynają reakcję łańcuchową z ozonem powodując tworzenie się tlenków i powstanie zwykłego tlenu dwuatomowego.

Dziura ozonowa została zaobserwowana po raz pierwszy w 1985 roku, nad Antarktydą. Doprowadziło to do uchwalenia Konwencji Wiedeńskiej o Ochronie Warstwy Ozonowej. Zakłada ona konieczność ograniczenia produkcji freonów, halonów i tlenków azotu, bezpośrednio odpowiedzialnych za zanikanie warstwy ozonowej. W 1982 roku dr Farman w czasie badań na Antarktydzie Zachodniej odkrył, że znaczna część pokrywy ozonowej nad biegunem zanikła. Przez następne lata dziura ozonowa nad biegunem powiększała się tak, że w październiku 1987 roku ilość ozonu była tam o 50% mniejsza niż przed jej odkryciem, w 1989 roku w wyższych warstwach zniknęło nawet ponad 95% ozonu. Według różnych badań stwierdzono, że za zanik ozonu odpowiedzialna jest rosnąca koncentracja freonów. W 1986 i 1987 przeprowadzono pomiary w Antraktydzie i zaproponowano mechanizm ubywania ozonu stratosferycznego związany z heterogeniczną reakcją, w której katalizującą rolę odgrywają Polarne Chmury Stratosferyczne. Za te badania Susan Solomon otrzymała nagrodę Amerykańskiego Towarzystwa Meteorologicznego za podstawowy wkład w zrozumienie chemii atmosfery i wyjaśnienie tajemnicy powstawania dziury ozonowej.

Badania stężenia ozonu w atmosferze ziemskiej wykazały, że w ciągu ostatnich kilkunastu lat zmniejsza się ono (średnio 0,2% rocznie). Obniżanie się zawartości tego gazu opisuje się jako powiększanie dziury ozonowej. Zjawisko to obserwuje się nie tylko nad Antarktydą, ale również na innych szerokościach geograficznych, m.in. nad Polską. Regularne badania nad grubością warstwy ozonowej rozpoczęto w latach 80. XX wieku - posłużyły do tego satelity. Z ich pomocą udało się stwierdzić, że ubytki ozonu mają charakter sezonowy. W grudniu 2000 roku prasa popularnonaukowa podała, że dziura ozonowa nad Antarktydą jest gigantyczna i nie wykazuje tendencji do zmniejszania. Uznano to za pośredni skutek niezwykle ostrej zimy. Sytuacja powtórzyła się niedawno nad Arktyką.

Konwencja Wiedeńska przyniosła wymierne efekty, w związku z czym przyszłość rysuje się jednak w jasnych barwach. Emisja freonów powoli, ale systematycznie maleje, jednakże na pełne odbudowanie warstwy ozonowej musimy jeszcze poczekać około 50 lat.

Ozon to wróg czy przyjaciel?

Na to pytanie nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Ozon jest gazem trującym dla ludzi, zwierząt i roślin. Jednakże jego zastosowanie i rola w przyrodzie jest bardzo duża i nie da się bez niego obyć. Argumenty przemawiające za ozonem to:

zastosowanie w medycynie (ozonoterapia stosowana w leczeniu zwyrodnienia barwnikowego siatkówki)
ozon jest zarówno bardzo silnym utleniaczem, jak i dezynfektantem. Cechy te powodują, iż jest on stosowany w oczyszczaniu wody jako czynnik dezynfekujący lub jako utleniacz (by poprawić jakość wody pitnej, ozonowaniem zastępuje się dotychczasowe napowietrzanie wody podziemnej)
lampa ozonowa stosowana do wyjaławiania pomieszczeń (np. w szpitalach)
stosuje się go do utleniania paliwa rakietowego
w atmosferze spełnia funkcje filtra pochłaniającego promieniowanie ultrafioletowe. Ozon stratosferyczny pochłania część promieniowania ultrafioletowego docierającego do Ziemi ze Słońca. Niektóre rodzaje promieniowania ultrafioletowego są szkodliwe dla organizmów żywych, ponieważ mogą uszkadzać komórki (oparzenia), oraz mogą uszkadzać materiał genetyczny komórek.

Argumentem przemawiającym przeciw ozonowi jest to, że jest on trujący i szkodliwy dla ludzi, zwierząt i roślin. Gdyby nie był szkodliwy pytanie: "Ozon to wróg czy przyjaciel?" nie miałoby sensu.

Po zweryfikowaniu argumentów można stwierdzić, że ozon jest zarówno wrogiem jak i przyjacielem.

Gdyby nie warstwa ozonowa na Ziemi mogłoby dojść do zachwiania równowagi i wyginięcia wielu gatunków - hipoteza, według której wymieranie gatunków pod koniec Permu spowodowała emisja gazów wulkanicznych. Weszły one w reakcję z ozonem powodując powstanie dziury ozonowej.

Zatem ozon w górnych warstwach atmosfery, tj. w ozonosferze jest zabezpieczeniem przed promieniowaniem UV, natomiast występujący przy powierzchni ziemi jest zanieczyszczeniem i zagrożeniem dla zdrowia człowieka.

Zapobieganie wzrostowi stężenia ozonu w transporcie

Już nie od dziś wiemy, że zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego przez ozon jest bardzo szkodliwe. Na człowieka działa podrażniając oczy i układ oddechowy. Działa również niekorzystnie na samopoczucie powodując senność i apatię. Największe emisje tego gazu pochodzą z transportu. Trzeba tu wymienić szczególnie komunikację samochodową ale również transport kolejowy, morski, śródlądowy i lotniczy.

Tak gwałtowny rozwój komunikacji rozpoczął się w XX w. W poprzednich stuleciach ludzie wykorzystywali zwierzęta i statki. Niestety nieuchronny rozwój technologiczny doprowadził do szybkiego wzrostu ulepszonej komunikacji. Jednak nie do końca ulepszonej, ponieważ samochody, samoloty i nowoczesne statki potrzebują paliw. Wiele składników tych paliw niekorzystnie wpływają na środowisko podczas spalania. Szczególnie są to tlenki azotu i węglowodory, które są głównym składnikiem powstawania ozonu.

Niemal połowa tych tlenków jest emitowana właśnie przez transport. Dlatego tak ważną rolę odgrywa zmniejszenie emisji gazów pochodzących z transportu. Aby to osiągnąć należy zmniejszyć wykorzystywanie pojazdów spalinowych jak samochody, autobusy czy motory. Można zastąpić je w bardzo prosty sposób bo za sprawą choćby roweru bądź przejścia pieszo. Niestety w dzisiejszych czasach ciężko o taki "obrazek", ponieważ ludziom najzwyczajniej nie chce się korzystać z takiego typu transportu. Z drugiej strony w miastach jest bardzo mało ścieżek rowerowych, co jest jedną z przyczyn takiego obrotu sprawy. Jak podają ekolodzy i same statystyki samochody są najbardziej szkodliwe dla środowiska. Porównując wykorzystywanie tlenu przez samochody ekolodzy wyliczyli że na jeden samochód w ciągu godziny potrzebne jest aż 5 pięć drzew liściastych z czego z jednego drzewa skorzystało by około 200 ludzi.

Kolejnym rozwiązaniem jest modyfikacja silników spalinowych tak aby zmniejszyć emisję ozonu podczas spalania w komorze silnika. Paliwo powinno być odpowiednie, dlatego powinno się często sprawdzać jego jakość.

Podsumowując, twierdzę że zmniejszenie emisji ozonu w atmosferze jest zależne w dużej większości od nas samych i od nas zależy w jakim środowisku będziemy żyć my i przyszłe pokolenia. Mam nadzieję, że prężnie rozwijający się technologicznie przemysł samochodowy w najbliższym czasie stworzy pojazd napędzany wodą czy wodorem, bądź ulepszą samochody napędzane przez słońce, które z roku na rok są coraz lepsze.