Озон

Озон (грч. Το όζον, „мириса“) — бледосин високоотровен гас со силен мирис. Озонот се смета за загадувач на Земјино ниво, но озонската обвивка во горните делови на атмосферата го заштитува животот на Земјата од штетното сончево ултравиолетово зрачење.
Озонот е една од трите форми, наречени алотропи, на елементот кислород. Озонот е триатомски кислород, што значи дека има три атоми во секоја молекула (формула О<sub>3</sub>). Обичниот, или двоатомски кислород (O2) е повеќе стабилен од озонот и затоа е голема неговата застапеност во атмосферата. Електрични искри и ултравиолетово зрачење можат да предизвикаат обичниот кислород да се претвори во озон. Присуството на озон понекогаш предизвикува забележителен мирис близу електрични излези.
Во долните делови на атмосферата, озонот се содржи во мали концентрации. Обвивката на атмосферата од 19 до 48 km над морско ниво, во слојот стратосфера, содржи поголемо количество на озон, создаден под дејство на ултравиолетовите зраци од Сонцето. Дури и во оваа обвивка, процентот на озон е само 0,001 по волумен. Атмосферските нарушувања носат големи количини озон на Земјата. Човечката активност додава озон во долниот дел од атмосферата, каде станува загадувач и може да предизвика голема штета.
Озонската обвивка стана предмет на загриженост во раните 1970-ти, кога се пронајдени хемикалии познати како хлорофлуројаглероди (CFC), односно фреони, кои се издигнувале во атмосферата во големи количини заради нивната употреба во фрижидери и аеросол распрскувачи. Загриженоста се фокусирала на можноста дека овие соединенија, преку дејството на сончевата светлина, можат хемиски да го нападнат и уништат стратосферскиот озон, кој ја штити Земјината површина од преголемо ултравиолетово зрачење. Како резултат на ова, индустриите во светот ги замениле CFC супстанциите во скоро сите нивни употреби.
1 Својства
При нормални теператури и притисок озонот е гас со специфична тежина од 2,144 (околу 1,5 пати од густината на кислородниот гас). Озонот се смета за само мал процент од атмосферата и е невидлив, но високи концентрации на озонскиот гас се бледо сини. Гасот се кондензира на -111,9°С , а замрзнува на -192,5°С. Течниот озон е темносин и е диамагнетичен (се одбива од магнетни полиња). Цврстиот озон е темновиолетов. Озонот е многу повеќе хемиски реактивен од обичниот кислород. Се користи за прочистување на вода, стерилизирање на воздухот и за избелување на одредени видови храна.
2 Ефект врз животната средина
Озонот на земно ниво претставува опасност по здравјето, предизвикувајќи респираторни заболувања како бронхитис и астма. Исто така ја оштетува и растителноста и предизвикува гумата и некои пластики да се декопензираат. Азотните оксиди и штетните органски гасови емитувани од автомобилите комбинирани со индустриските извори предизвикуваат формирање на озон. Во 1998, Агенцијата за Заштита на Животната Средина на Соединетите Американски Држави (ЕРА), имплементирала нов закон дизајниран да се намали количеството на азотни оксиди ослободени од фабриките со погон на јаглен. Многу градови издаваат јавни предупредувања кога нивото на озон во воздухот достигне опасно ниво.
Озонот, пак, во горниот дел од атмосферата, е витален за животот. Овој озон се формира од дејството на ултравиолетовите зраци од Сонцето на молекулите на обичен кислород. Озонската обвивка го апсорбира ултравиолетовото зрачење така што тоа никогаш не стигнува до пвршината на Земјата. Одредени индустриски соединенија предизвикуваат озонот да се распаѓа, отворајќи дупки во озонската обвивка и го изложува живиот свет на површината на опасни нивоа на ултравиолетово зрачење. Еден единствен атом на хлор, на пример, може да уништи стотици или илјадници молекули на озон бидејќи хлорот делува како катализатор и не е вклучен во процесот.
3 Влијанието на озонот врз човечкиот организам
При повисоки концентрации, озонот е штетен по здравјето на човекот. Со осиромашување на озонската обвивка настануваат климатски промени како и зголемување на УВ зрачење. Со појава на климатски промени се јавуваат и киселите дождови при што се формира тропосферски озон кој има многу штетно влијание. Осиромашување на озонската обвивка предизвикува нарушување на биолошките врски во човечкиот синџир на исхрана односно намалување на рибите во океаните. Исто така осиромашувањето на озонската обвивка штетно влијае и врз растенијата т.е. го намалува нивниот раст. Синтетичките полимери, материјали боја пластика исто така се негативно погодени од сончевото УВ зрачење. Како што споменавме озонот штетно влијае и врз човекот. Тој ги надразнува сите патишта на органите за дишење (носот, грлото) и во споредба со ЅО2, многу подлабоко навлегува во белите дробови Особено ја надразнува слузницата на очите и солзните канали поради што предизвикува солзење. УВ зрачење предизвикува рак на кожата, перде како и заболувања поврзани со промени во имунолошкиот систем. Концетрацијата само од 0,04 mg/м<sup>3</sup> може да биде отровна за човекот и животинските организми за неколку часовен престој во таков воздух. Концетрацијата од 0,53 mg/м<sup>3</sup> за време од 1 час предизвикува смалување на респираторниот капацитет на белите дробови. Поголеми концентрации предизвикуваат пулмонален едем, хеморагии и смалување на размената на гасовите преку алвеоларните мембрани. Максимално дозволени концетрации за 8 – часовно делување изнесува 0,22 mg/м<sup>3</sup>.
4 Озонот како штетен еколошки фактор за растенијата
Озонот е хемиски многу активен и станува во реакција со составните делови на воздухот формирајќи вторични соединенија. Во ноќните часови, во атмосферата на поголемите урбени средини, озонот е присутeн во незначајни количини. Започнува да се формира пред самата зора, се задржува во текот на денот, а во поголеми количини го има за време на мошне топлите сончеви денови, особено во попладневните часови. Овој факт укажува дека озонот се создава фотохемиски од нечистотиите на воздухот.
За човекот може да биде токсична концетрација само од 0,04 mg/м<sup>3</sup> воздух, а максимални дозволени концентрации за осум часовното делување изнесува 0,22 mg/м<sup>3</sup> воздухот.
Токсичното влијание на озонот врз растителните организми било забележано во 40-тите години од овој век, а во денешно време на изучувањето на штетното влијание на озонот врз растителните организми се посоветува големо влијание. И покрај многубројните истражувања, станува збор за силен оксиданс, сè уште нема потполни податоци за механизмите на штетното делување на озонот врз растението.
Познато е дека со навлегување на озонот во внатрешноста на растителните организми низ стомниот апарат, се зголемува количината на феноли, шеќери особено растворливи форми и некои аминокиелини. Озонот стапува во реакција со липидните системи на клеточните мембрани, а на дејство на озонот особено се чувствителни незаситните масни киселини на мембраните, бидејќи незаситените јаглеводороди со двојни врски најактивно стапуват во реакција со атомскиот кислород и озонот при што се формираат алдехиди, кетони или алкохоли.
На клеточно ниво озонот предизвикува плазмолиза и умртвување на клетките. Физиолошките аномалии предизвикани од озонот се изражуваат преку нарушување на процесиите на фотосинтезата и дишењето, изменување на функцијата на мембраните и стомите, како и ред други физиолошки нарушувања.
Спорд Рожаја и Јаблановиќ (1980), при проценувањето и чувствителноста на одделни видови, за критериум се земаат максималните концентрации кои предизвикуваат видливи оштетувања за време на едночасова експозиција. Врз основа на такви критериуми се издвоени три групи на растенија и тоа:
* Чувствителни, кај кои видливи оштетувања се јавуваат при концетрација на озон од 0,22 mg/м<sup>3</sup> воздух. Во оваа група спаѓа: тутун, спанаќ, овес, компир, домат и некои украсни растенија;
* Средно чувствотелни, при концентрација од 0,42 mg, како што се бегонија, кромид, пченица, хризантеми и др;
* Резистентни видови коишто минимални видливи оштетувања доживуваат при концентрација на озон од 0,75 mg/м<sup>3</sup> воздух. Тука спаѓаат: репа, морков, орев, јагода и др.
5 Осиромашување на озонската обвивка
Во механизам на настанување на озонската дупка во поларните региони многу важна улога имаат хлор и бром кои го катализираат процесот на разложување на озонот. Најзначајни катализатори за разложувањето на озонот:
* Халогени елементи (од антропогени и природни извори).
* Хлорот:
** активна форма: Cl∙ (катализатор), 1%,
** неактивна форма: HCl и ClONO2 (хлорнитрат), 99%
* Бромот:
** активна форма: Br∙ (катализатор), 99%
** неактивна форма: HBr, 1%
Значи, бромот е поефикасен агенс за разложување на озонот од хлорот (бидејќи речиси целото количество бром е во активна форма), но за среќа во атмосферата ги има помалку од хлорот.
Од природни извори: CH3Cl и CH3Br, кои се разложуваат до Cl∙ и Br∙ радикали, кои се катализатори за разложување на озонот.
6 Озонска обвивка
Озонската обвивка претставува дел од атмосферата која според едни научници се наоѓа на височина од 19 до 48 km од Земјината површина, иако дебелината на слојот варира со годишните времиња и географски. Единица за мерење на атмосферскиот озон е Dobson. Една Dobson единица се однесува на еден слој на озонот кој ќе биде од 10 μm дебелина под стандардна температура и притисок. Просечната количина на озон во атмосферата изнесува 300 DU при што ќе се формира слој од само 3 mm дебелина со височина од 2 пени заедно. Научниците докажале дека концентрација на озонот во областа на озонската дупка над Антарктикот изнесува околу 100 DU, при што ќе се формира слој од само 1 mm дебелина во висина од 1 пара.
Според тоа каде се наоѓа озонот, тој може да го заштити или да му наштети на живиот свет. Најголем дел од озонот (над 91%) се наоѓа во озонската обвивка во стратосферата, каде делува како штит кој ја заштитува Земјината површина од штетното ултравиолетово зрачење.
Со слабеењето на оваа обвивка, луѓето и живиот свет би биле поизложени на УВ зрачења кои предизвикуваат рак на кожата, перде и заболувања поврзани со промени во имунолошкиот систем. Поблизу до Земјата, во тропосферата (обвивка на атмосферата од површината до 10 км височина), озонот е штетен загадувач што предизвикува оштетувања на белодробното ткиво и на растенијата.
7 Озонот во природата
Во стратосферата, озонот се создава главно од ултравиолетовото зрачење. Кога високо енергетските УВ зраци ги погодуваат обичните кислородни атоми (О2), тогаш тие ја делат молекулата во двоатомски кислород.
О<sub>2</sub> + hv → <sub>2</sub>О
Слободниот кислороден атом тогаш се соединува со друга кислородна молекула и со некоја трета молекула на пример молекуларен азот (условно М), или со друга молекула на кислород при што се формира молекула на озон О<sub>3</sub>
О + О<sub>2</sub> + М → О<sub>3</sub> + М
Озонот е мошне важен, бидејќи ги апсорбира штетните ултравиолетови зраци. Тој апсорбира ултравиолетово зрачење со бранова должина 290 nm, при што тој се разложува во обична молекула на кислород и слободен кислороден атом.
О<sub>3</sub> + hv → O<sub>2</sub> + O
Обично слободниот кислороден атом бргу пак се соединува со молекула на обичен кислород, формирајќи друга молекула на озон.
O + O<sub>3</sub> → 2O<sub>2</sub>
Заради овој озонско - кислороден циклус, штетните ултравиолетови зраци постојано се претвораат во топлина.
8 Озонот во ниските слоеви на атмосферата
Бидејќи озонот и атомите на слободен кислород се многу реактивни, тие лесно реагираат со соединенија на азот, водород и хлор кои природно се наоѓаат во Земјината атмосфера (ослободени и од копнени и од океански извори). Еден извор на NO е реакција на N<sub>2</sub>O со ексцитиран кислороден атом
N<sub>2</sub>O + O → 2NO
Во овој случај N<sub>2</sub>O има природни извори како што се извори на мочуришта и други слободно кислородни (аноксични) води и почви. На кислородниот атом во оваа реакција може да дојде од неколку тропосферски фотолитички реакции вклучувајќи OH или OOH.
OH + O<sub>3</sub> → OOH + O<sub>2</sub>
OOH + O → OH + O<sub>2</sub>
O + O<sub>3</sub> → 2O<sub>2</sub>
Друг извор на топлина на NO е реакција помеѓу N<sub>2</sub> и O<sub>2</sub>
N<sub>2</sub> + O<sub>2</sub> → 2NO
Откако ќе се формира молекула од NO таа се разложува со реакции во кои стапува и озонот на следниот начин:
NO + O<sub>3</sub> → NO<sub>2</sub> + O<sub>2</sub>
NO<sub>2</sub> + O → O<sub>2</sub> + NO
O + O<sub>3</sub> → 2O<sub>2</sub>
Се забележува дека вистинскиот резултат е загуба на озонот.
NO може да се оксидира и со О при што се добива азот диоксид NO<sub>2</sub>
NO + O → NO<sub>2</sub>
Доколу азот диоксидот дојде во контакт со влага од воздухот се создава азотна киселина која што е многу корозивна.
NO<sub>2</sub> + OH∙ → HNO<sub>3</sub>
NO<sub>2</sub> + O → NO<sub>3</sub>
NO<sub>2</sub> + NO<sub>3</sub> → N<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
N<sub>2</sub>O<sub>5</sub> + H<sub>2</sub>O → 2HNO<sub>3</sub>
OH радикалот се создава во тропосферата при реакција на гасните молекули на вода со возбудените атоми на кислород, добиени со фотохемиско разложување на озонот.
O<sub>3</sub> + UV → O<sub>2</sub> + O∙
O∙ + H<sub>2</sub>O → 2OH∙
Како што веќе споменавме доколку азот диоксид дојде во контакт со влага од воздухот се создава азотна киселина која паѓа со киселите дождови. Киселите дождови настануваат со оксидација на сулфур диоксид, азотни оксиди и производи на нивна оксидација, озон, водород преоксид ит.н. Загадување на воздухот може да настане и со реакции од сончева светлина и загадувачи при сто се формира фотохемиски смог, а производи се озон, формалдехид, кетони и пероксиацетил нитрати.
VOCs + NO∙ + сончево зрачење → O<sub>3</sub> + HNO<sub>3</sub> + смеса од органски соединенија
Значаен учесник во формирањето на фотохемискиот смог е сончевата енергија. Тој е карактеристичен за сончево и топло време и за градовите во кои има густ сообраќај. Во попладневните часови во фотохемискиот смог се присутни оксидациските агенси: O<sub>3</sub>, H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>, HNO<sub>3</sub> и PAN. Фотохемискиот смог се разликува од класичниот смог, а разликите се наоѓаат во составот. Фотохемискиот смог е составен од O3 и NO2 додека пак класичниот смог е составен од SO<sub>2</sub> и CO.
9 Уништување на озонската обвивка
Научниците веруваат дека нивото на озон се менува периодично како последица на постојаните природни циклуси како што се годишните времиња, ветровите и разните долгорочни варијации на сончевото зрачење. Исто така, вулкански ерупции можат да исфрлат материјал во атмосферата кој може да води до уништување на озонот.
Како што на почетокот беше кажано, почнувајќи од раните 1970-ти, научниците нашле докази дека човечките активности го нарушуваат озонскиот баланс или рамнотежа. Човечкото создавање на хемикалии кои содржат хлор, како што се хлорофлуројаглеводороди (CFC) претставуваат дополнителен фактор кој го уништува озонот. CFC се соединенија составени од хлор, флуор и јаглерод сврзани заедно. Бидејќи тие се многу стабилни молекули, не реагираат лесно со други хемикалии во долниот дел на атмосферата. Еден од неколкуте фактори кој може да ги разложи хлорофлуројаглеводородите CFC е УВ - зрачењето. Во долната атмосфера, CFC молекулите се заштитени од УВ - зрачење од самата озонска обвивка. Така CFC молекулите може да мигрираат недопрени нагоре кон стратосферата. Иако CFC молекулите се потешки од возухот, воздушните струења и процесите на мешање на атмосферата ги носат во стратосферата.
Кога молекулите на CFC се во стратосферата, тие веќе не се заштитени од ултравиолетовите зраци. Бомбардирани од сончевото УВ - зрачење, CFC молекулите се распаѓаат, ослободувајќи атоми на хлор. Слободните атоми на хлор тогаш реагираат со молекулите на озонот, земајќи еден кислороден атом за да формираат хлор моноксид, оставајќи молекули на обичен кислород.
Cl + O<sub>3</sub> → ClO + O<sub>2</sub>
Ако секој атом на хлор ослободен од молекула на CFC уништува само една молекула на озон, тогаш CFC молекулите не би биле сериозна закана за озонската обвивка. Но, кога молекулата на хлор моноксид ќе најде слободен атом на кислород, тогаш кислородниот атом ја расцепува молекулата на хлор моноксид и го одзема кислородниот атом, а со тоа го ослободува атомот на хлор во атмосферата.
ClO + O → Cl + O<sub>2</sub>
Оваа реакција се случува повеќепати, овозможувајќи еден единствен атом на хлор да делува како катализатор, уништувајќи многу молекули на озон.
O + O<sub>3</sub> → 2O<sub>2</sub>
За среќа, атомите на хлор не остануваат во стратосферата засекогаш. Кога слободниот атом на хлор ќе реагира со гасови како што е метанот (СН4), се сврзува во молекула на хлороводород (HCl), кој може да биде носен надолу кон тропосферата, каде тој исчезнува заедно со дождовите.
Cl∙ + CH<sub>4</sub> → CH<sub>3</sub>∙ + HCl
Затоа, доколку луѓето престанат да употребуваат хемикалии како CFC и други кои се штетни по озонот, а одат во стратосферата, можеби озонската обвивка евентуално самата ќе се поправи.
10 Озонската дупка над Антарктикот
Секоја пролет, озонската обвивка над Антарктикот скоро исчезнува, формирајќи озонска дупка над целиот континент. Дупката е создадена како резултат на интеракцијата на некои хемикалии (хлорофлуројаглеводородите) создадени од човекот, на уникатната клима на Антарктикот. Озонот во стратосферата го апсорбира ултравиолетовото зрачење од Сонцето, а со тоа го заштитува живиот свет. По откривањето на озонската дупка, многу од хемикалиите кои го уништуваат озонот се забранети, но тие ќе останат во атмосферата уште десетици години.
Во 2000 година, озонската дупка пораснала побргу од вообичаено и исклучително се проширила. Секоја година се зголемувала површината на озонската дупка при што најголема плоштината на нејзината површина изнесувала околу 11,4 милиони квадратни милји. Дебелината на озонската обвивка се мери во единици Dobson DU (Допсони). Кога вкупниот озон од стратосферата би се спуштил долу на Земјата и притоа да доведе до услови од t=0 °C и p = 105 Pa, дебелината би била во просек околу 3 mm. Просечното количество на зон на умерени географски ширини изнесува околу 300DU.
Во апсолутни единици: 1 DU = 2,69 * 1016 озонски молекули во cm2.
Инструмент со кој се мери вкупниот атмосферски озон од површината на Земјата, преку мерење на интензитетот на сончевото UV зрачење се нарекува Добсонов спектрафотометар. Тој работи со мерење на интензитетот на сончевата светлина на две бранови должини кои се апсорбираат од страна на озонот и две бранови должини кои не се апорбираат од страна на озонот.
Нивоа под 200 добсонови единици се сметаат за значително уништување на озонот. Рекордно ниското ниво на озон се мисли дека е резултат на ниските температури на Антарктикот во есента и зимата. Според група британски истражувачи вкупното количество на озон опаѓало секој октомври. Така да во октомври, дупката се намалила драматично, многу побргу од вообичаено. До крајот на октомври, дупката била само една третина од претходната големина. Во типична година, озонската дупка не исчезнува до крајот на ноември. Во почетокот на октомври 1993 година измерено е рекордно ниво количество на озон од само 90DU. Научниците на НАСА биле изненадени со ова рано намалување на озонската дупка и шпекулираат дека е поврзано со климата во регионот.
11 Глобални напори за заштита на озонската обвивка
Процесот на уништување на озонската обвивка претставува сериозна закана за биосферата на нашата планета, вклучувајќи го и здравјето на човекот. Штетните ултравиолетови зрачења предизвикуваат повеќе сериозни заболувања како рак на кожата и перде. Поради овие причини, зачувувањето на ознонската обвивка е витално за нашиот живот. Од откривањето на проблемот до денес, човештвото преземало повеќе мерки за заштита на озонската обвивка од нејзино понатамошно уништување, како и мерки со кои ќе се поправи веќе направената штета:
Во 1988 САД ја забрани употребата на CFC во лакови за коса и други аеросоли. Меѓународна конференција е создадена во САД за контролирање на овие хемикалии, потпишана од 22 земји. Создавањето и употребата на CFC од овој момент понатаму се ограничени.
Во 1987, е донесен меѓународен договор наречен Монтреалски протокол. Тој е потпишан од повеќето индустријализирани земји; во кој се целта е да се целосно исклучат средствата за индустријата која произведува CFC хемикалии, а со тоа и нивна целосна елиминација до годината 2000. Со овој договор е направен ефект, меѓутоа било тешко некои посиромашни нации како Кина и Индија строго да се придржуваат до договорот, поради големата важност на производството на CFC за нивната економија.
Создавање на Виенската Конвенција за Заштита на Озонската Обвивка. Во 1988 раководечкото собрание создало работна група да подготви конвенција во глобални рамки за заштита на озонската обвивка. Нејзините цели биле да обезбедат генерален договор за да се спречи уништувањето на озонската обвивка. Најпрвин, генералниот договор бил донесен; потоа странките почнале да го решаваат потешкиот проблем – донесувањето и одобрувањето на протоколи со кои ќе се естаблираат одредени контроли.
1990 во САД е изгласан „Амандманот за Чист Воздух“.
На 15 мај 1993 се издадени етикети за предупредување кои се испечатени на сите производи кои содржат супстанции кои се штетни за озонот.
CFC хемикалиите се потполно се исфрлени од употреба започнувајќи до 1 јануари 1996.
50% намалување на продукцијата на CFC на глобално ниво до 2000 година. 90 земји станале потписнички на конференцијата .
Направени се обиди да се создадат супстанции кои не се штетни за озонската обвивка. Така на пример, испитуван е HCFCs – 123 (1 – трифлуоро – 2 – дихлоретан, CF3CHCl2). Присуството на водороден атом во молекулата на CF3CHCl2 го прави соединението поосетлив на оксидација. Испуштен во атмосферата би се распаднал уште во тропосферата и никогаш нема да стигне до стратосферата. Меѓутоа, водородот го прави соединението повеќе биолошки реактивно од CFC. Испитувањата покажале дека HCFCs – 123 предизвикува тумор кај глувци, додека неговиот токсичен ефект е непознат.
Со намалувањето на хлорните атоми, научниците предложиле испраќање на флота на авиони кои ќе испрскаат 50000 тони етан (C2H6) или пропан (C3H8) над Антарктикот. Бидејќи хлорниот атом е реактивен, тој би реагирал со испрсканите органски супстанции. Производите на овие реакции нема да влијаат врз концентрација на озонот во стратосферата.
Cl∙ + C<sub>2</sub>H<sub>6</sub> → HCl + C<sub>2</sub>H<sub>5</sub>∙
Cl∙ + C<sub>3</sub>H<sub>8</sub> → HCl + C<sub>3</sub>H<sub>7</sub>∙
Производите C<sub>2</sub>H<sub>5</sub>∙ и C<sub>3</sub>H<sub>7</sub>∙ се радикали кои не би ја повредувале озонската обвивка.
Помалку реактивен план со кој ќе се обнови озонската обвивка е да се создадат големи количини на озон, а потоа истите да се исфрлат во стратосферата преку авиони. Технички ова решение е изводливо, но самата постапка би била скапа и за нејзино извршување би била потребна соработката на повеќе држави.
Во производството на фрижидери се пронајдени неколку алтернативи како на пример, greenfreeze, мешавина од пропан и изобутан. Со тоа се трајно заменети CFC хемикалиите во овие уреди.