Утворення дірки озону: Хлор, холод та повернення сонця

Озоновий шар: утворення та руйнування сонячним світлом

Стрітзотрофний озон утворюється та руйнується безперервно тим самим фактором: ультрафіолетовим випромінюванням. У циклі Ч апмена, ультрафіолетове світло розщеплює O₂ на два атоми кисню, кожен з яких об'єднується з іншим O₂ для утворення O₃; окремо, ультрафіолетове світло також розпадає O₃. За природних умов ці реакції виробництва та втрати приблизно збалансовані, підтримуючи стабільний озоновий шар, який, в свою чергу, поглинає УФ-випромінювання, яке інакше досягло б поверхні. Жодна з цих природних реакцій не створює діру — діра виникає тоді, коли додається додатковий, штучно створений шлях руйнування.

Як CFC розривають баланс

Хлорфтору탄ні (CFC) є хімічно неактивними в нижній атмосфері — ця неактивність є точною причиною, чому їх раніше цінували як холодоагенти та засоби для розпилення — тому вони витримують достатньо часу, щоб піднятися в стратосферу. Там інтенсивне ультрафіолетове випромінювання нарешті робить те, що не зміг тропіка: воно руйнує вуглетно-хлорний зв'язок та вивільняє вільні атоми хлору, які потім знищують озон через каталітичний цикл:

Cl + O3 -> ClO + O2 ClO + O -> Cl + O2 (Cl відновлюється — каталізатор) ефект: O3 + O -> 2 O2 Оскільки хлор повертається з другого кроку незмінним, один атом може пройти цей цикл приблизно сто тисяч разів, перш ніж його нарешті зафіксують у молекулі неактивного резервуару — це механізм, який розробили Маріо Моліна та Ф. Шедфорд Роуленд у 1974 році, робота, яка пізніше принесла їм частку Нобелівської премії з хімії.

Cl  + O3 -> ClO + O2
ClO + O  -> Cl  + O2      (Cl is regenerated — a catalyst)

net effect:  O3 + O  ->  2 O2

Чому Антарктида конкретно: полярні стратосферні хмари

Зазвичай більшість хлору безневинно закритий у резервних молекулах, таких як HCl та ClONO2. Антарктична зима змінює це. Полярний віз – смуга швидкого обертання повітря над полюсом – дозволяє стратосферним температурам опуститися нижче приблизно −78°C, щоб утворилися полярні стратосферні хмари (PSC) навіть у надзвичайно сухому stratosphere. Лід і на поверхнях частинок нітратної кислоти всередині цих хмар служать для гетерогенних реакцій, які перетворюють неактивний резервний хлор на форми – Cl2 та HOCl – готові до фотолізу в руйнівні радикали, як тільки повернеться світло. Ця хімія відбувається у темряві під час полярної зими, накопичуючи резерв «активованого» хлору, який поки що нічого не робить, оскільки немає сонця для його запуску.

Весна: раптове виснаження

Коли антарктичне сонце з’являється знову в серпні та вересні, воно фотолізе активні хлорні сполуки одночасно, вивільняючи спалах радикалів Cl і ClO в стратосферний повітря, яке все ще холодне, щоб домінував особливо ефективний шлях руйнування — цикл димеров ClO, де дві молекули ClO об’єднуються, поглинають сонячне світло та розпадаються, вивільняючи два атоми хлору, одночасно знищуючи дві молекули озону на цикл. Загальна колонка озону, виміряна в Dobson units (DU), може обійтися від нормального базового рівня приблизно 300 DU до нижче порогу 220 DU, який формально визначає «дірку», протягом кількох тижнів — одне з найшвидших масштабних хімічних перетворень в атмосфері.

Відновлення та Монреальський протокол

У 1987 році Монреальський протокол, який був прямо спричинений відкриттям антарктичної діри, поступово вимкнув виробництво фторуглецевих газів у всьому світі та часто вважається найбільш успішним міжнародним екологічним договором досі. Відновлення відбувається повільно, оскільки вже випущені фторуглецеві гази мають тривалість у атмосфері від 50 до 100 років – хлор, який був введений в стратосферу десятиліття тому, все ще працює, щоб вплинути на неї. Поточні оцінки прогнозують, що антарктичний озоновий шар повернеться до рівнів 1980 року приблизно посеред цього століття, багатопокольовий часовий масштаб, який сам по собі є уроком того, як довго може пам’ятати атмосферна хімія одну клас молекул.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Ozone Hole Formation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.