Природни убијци на озон од земја - Университ; т Хајделберг
Сега е добро познато дека хлорофлуоројаглеродите, или скратено, CFC, значително придонесуваат за формирање на озонска дупка. Фактот дека природата произведува и супстанции што го осиромашуваат озонот, треба да биде изненадување за многумина. Зачудува тоа што научниците сега знаат повеќе од 3.500 убијци на природен озон произведени од бактерии, алги, габи, лишаи или инсекти, кои се одговорни за околу 30% од осиромашувањето. Сепак, досега познатите извори не можат да ги објаснат количините на концентрациите на природните соединенија што го уништуваат озонот, измерени во атмосферата. Научниците од Институтот за геохемија на животната средина можеби го пронајдоа сè уште исчезнатиот извор во копнената средина: почвата. Френк Кеплер и Хајнц Фридрих Шелер известуваат за нивната возбудлива истражувачка работа.
Во 1985 година, атмосферските истражувачи од британското истражување на Антарктикот објавија потполно неочекувано откритие: од 1977 до 1984 година, озонската колона забележана над антарктичката истражувачка станица Хали Беј се намали за повеќе од 40 проценти. Другите истражувачки групи наскоро го потврдија овој наод. Тие демонстрираа дека областа на осиромашување дури и се протегаше на Антарктичкиот континент и опфаќаше надморска височина од околу дванаесет до 24 километри - тоа е скоро целата долна стратосфера. Имаше она што стана добро познат термин: „озонска дупка“ во јужната поларна атмосфера.
Ова откритие ги вознемири научниците и јавноста подеднакво: се чини дека слојот на озонската стратосфера на Земјата е позагрозен отколку што се предвидуваше врз основа на атмосферските модели - показател дека знаењето е едноставно недоволно и дека факторите на околината се зголемуваат на неочекуван начин. Еден од овие фактори, појавата на многу ниски температури во зимските и пролетните месеци, всушност се должи на природен процес. Ова откритие ја илустрира огромната важност на евидентирањето на промените во животната средина - предизвикани од природни и антропогени процеси - и потребата да се прошират на целиот свет.
Научните студии сега ја разјаснија тајната на брзото губење на озонот во горниот дел од атмосферата. Без сомнение, намалувањето се должи на фотохемиски реакции кои го уништуваат озонот активирани од реактивни соединенија на хлор; овие се формираат во стратосферата со дејство на ултравиолетово зрачење врз хлорофлуоројаглеродите (CFC) и другите гасовити халогени соединенија.
Како што сугерира нивното име, хлорофлуоројаглеводородите се јаглеводороди во кои водородот е делумно или целосно заменет со хлор и флуор. Од нивното воведување пред околу 65 години, овие гасови се користат и сè уште се користат во некои земји како средства за ладење за ладилници и системи за климатизација, како погони за аеросолни спрејови и за пенење пластика. Овие соединенија првично се сметаа за идеални индустриски хемикалии затоа што се многу стабилни, хемиски инертни и затоа не се токсични. Но, токму оваа инерција ги прави CFC можните опасности, бидејќи тие непречено минуваат низ долната атмосфера и се фотохемиски разградени само во стратосферата. Во тој процес се формираат високо реактивни атоми на хлор, кои предизвикуваат брзо осиромашување на озонот.
Озонот (О3) во стратосферата ги штити луѓето, флората и фауната од високо-енергетското зрачење од вселената. Озонот се формира кога високо-енергетското зрачење удира во молекула на кислород (О2), ослободувајќи два многу реактивни атоми на кислород (О), кои потоа се комбинираат со молекулите на кислород во близина. Озонот формиран на овој начин постојано се распаѓа од фотони на ултравиолетовата и видлива светлина, се формира повторно веднаш и може повторно да ја апсорбира светлината.
Под постојани услови, се воспоставува динамичка рамнотежа со тоа што се формира озон колку што е уништен по единица време. Хлорот ја менува оваа рамнотежа и ја намалува концентрацијата на озон во стратосферата бидејќи ја забрзува конверзијата на озонот во молекули на кислород. Уште поважно, хлорот делува како катализатор, што значи дека останува непроменет во овој процес. Како резултат, секој атом на хлор може да уништи до 100.000 молекули на озонот пред да се деактивира самостојно или на крајот да се врати во долната атмосфера (тропосфера), каде што се отстранува од атмосферата со врнежи или други процеси.
Бромот исто така може да го уништи озонот исклучително ефикасно: како хлорот, тој предизвикува синџир на реакции и е дури 50 пати поефикасен при разградувањето на озонот. Значи, мали количини на бром ослободен во стратосферата се друга закана за озонскиот слој.
| Мексиканскиот физички хемичар Марио Молина и неговиот британски колега Шервуд Роланд се сомневаа уште во 70-тите години на минатиот век дека флуорохлорираните јаглеводороди придонесуваат за исцрпување на озонот во стратосферата. Заедно со холандскиот метеоролог Питер Круцен (десно), тие ја добија Нобеловата награда за хемија во 1995 година. | ||
Кога во 1974 година подоцнежните добитници на Нобеловата награда Марио Молина и Шервуд Роланд ја изложија својата хипотеза за CFC за исцрпување на озонот во стратосферата, почетната снимка беше дадена за интензивно истражување на соединенијата што го уништуваат озонот во нашата околина. Сега е познато дека CFC, кои луѓето ги пуштаат во оптек во големи количини, значително придонесуваат за формирање на озонска дупка. Во текот на овие истраги, сепак, стана јасно дека природата пронашла многу начини на практикување „природна хемија на хлор“, така да се каже, и долго време емитувала големи количини на гасовити халогени соединенија во атмосферата. Особено, едноставни, испарливи органски молекули, како што се метаните, кои содржат атом на халоген (хлор, бром, јод), се произведуваат во значителни количини.
Во однос на количината, број 1 природно формиран „органохлор“ е хлорометан. Количината емитувана во атмосферата на годишно ниво се проценува на најмалку четири милиони тони. Ова е околу 100 пати повеќе од она што се произведува индустриски. Природно формираниот хлорометан сега е одговорен за 20 проценти од содржината на стратосферичен хлор и затоа е исто така вклучен во осиромашување на озонот. Во 1950 година беше 85 проценти и дури во 1970 година, индустриски произведените соединенија ја надминаа содржината на стратосферичен хлор предизвикана од хлорометан.
200 000 тони бромометан произведени секоја година по природа се исто така од големо значење за атмосферата, бидејќи бромот може да го уништи озонот дури и поефикасно од хлорот. Двете природни соединенија, како и синтетичките CFC, не се уништуваат во долниот дел на атмосферата (тропосфера) и непречено стигнуваат до стратосферата. Според најновите проценки, природно произведениот метан на хлор и бром е одговорен за околу 30 проценти од осиромашувањето на озонот.
Долго време се веруваше дека природата не произведува хемикалии за хлор. Во 1934 година, структурата на составот на лишаите диплоицин е разјаснета. Ова соединение е првата природна супстанција која содржи хлор и долго време потоа беше отфрлена како уникатен навивач на природата.
Сега се познати над 3.500 природни халогени-органски соединенија, кои се произведени од бактерии, габи, алги, инсекти и други организми или се предизвикани од абиотички процеси во вулкански ерупции, шумски пожари или распаѓање на мртов растителен материјал. Скоро секоја недела се опишува ново соединение на хлор од природата.
Како тековен пример може да се наведе винил хлорид. Досега, винил хлорид се сметаше за врвен пример на опасни производи од репертоарот на хемијата на индустриски хлор. Тоа е најчесто произведено органохлорно соединение и почетен материјал за полимеризација на пластичниот ПВЦ. Винил хлорид е токсична супстанца што предизвика рак на кожата и црниот дроб кај хемиските работници.
Нашата работна група на Институтот за геохемија на животна средина успеа да докаже дека винил хлорид е природно формиран во почвата. Зошто оваа врска е произведена од природата и какви ефекти има врз нашата околина, може да се шпекулира само во овој момент во времето. Повеќето хлорирани природни супстанции сигурно не се создадени случајно, туку исполнуваат важни задачи. Сепак, не треба да се остава без споменување дека природата ниту предизвикала катастрофи како во Севесо или Бопал, ниту се провлекувала во животната средина со постојани хемикалии како што се инсектицидот ДДТ или полихлорираните бифенили (ПХБ) кои се користат како средства за запалување на пламен. Улогата на вештачки органохлорините треба да продолжи да се гледа критички заради нивната упорност и токсичност.
Додека нивото на емисија на синтетички халогени соединенија е често познато, сепак во природата има големи знаци на прашалник. Особено во случај на соединенија што го уништуваат озонот хлоро и бромометан, нема извори за концентрациите измерени во атмосферата. Најмалку четири милиони тони хлорометан се произведуваат во природата секоја година. Само половина од ова може да се објасни со познати извори (шумски пожари, производство на алги и печурки). На крајот, недостасуваат два милиони тони.
Истата дилема се појавува со метил бромид, а неодамна проблемот со исчезнатите извори беше насловен како „Мистеријата на исчезнатите гасови“ во списанието „Природа“. Ние се справувавме со овој проблем во последниве години и веројатно го пронајдовме изворот што сè уште недостасува во копнената средина.
| Изворите на околу два милиони тони соединение хлорометан што го уништува озонот во атмосферата (графикон погоре) беа мистерија до сега. Овој извор што сè уште недостасува е почвата. Сликата подолу покажува влегување на соединенија што го уништуваат озонот во стратосферата. Таму ултравиолетовото зрачење е доволно силно да ги разгради молекулите и да ослободи атоми на хлор и бром кои го напаѓаат озонот. |
Постапките за формирање на почва, како што се карпести атмосферски влијанија, формирање минерали и ново формирање, распаѓање на органски отпадоци, формирање хумус и преместување на материјалот создаваат услови за природна хемија на хлор. Халогените јаглеводороди се ослободуваат при распаѓање и претворање на мртвиот растителен материјал. Потребно е само доволни количини на хумус, сол, вода и тривалентно железо. Форматорите на сол (хлорид, бромид, јодид) се одлучувачки за видот на халометан: Во зависност од концентрацијата во која е достапен халид, се формира повеќе или помалку хлор, јод и бромометан.
Ironелезото игра одлучувачка улога: Често се наоѓа во почвата во тривалентна минерална форма како железен хидроксид (= ферихидрит) и лесно може да реагира со хумусот. Таканаречените редокс реакции (оксидација и редукција) помеѓу железните минерали и мртвата органска супстанција се одвиваат континуирано во почвата и создаваат нападна површина за халогените.
| Научниците од Институтот за геохемија на животна средина развија модел (слика погоре) за природно формирање на халогенирани гасови во почвата: Кога мртвиот растителен материјал реагира со железо и соли, се формира јаглерод диоксид и халогенизирани метани. Овие гасови можат брзо да избегаат во атмосферата. Пропорцијата на индустриски произведени CFC и хлорирана храна во осиромашување на озонот е околу 70 проценти; природните извори имаат удел од 30 проценти. |
Прво, го испитавме природното производство на халометани користејќи примероци од вода и почва од природниот резерват „Ротвасер“ во Хесискиот Оденвалд. Според нашите претпоставки, овој процес мораше да се одвива во земјата низ целиот свет. За да дознаете, беа испитани дополнителни примероци на почва во Патагонија во јужниот дел на Чиле и на Хаваите, бидејќи овие региони се скоро целосно ослободени од загадување на животната средина. Сакавме да ја исклучиме можноста откриените халогени метани евентуално да имаат антропогено потекло. Овие истраги беа во можност импресивно да го докажат природното формирање на супстанциите што се бараат.
Друга посебна карактеристика е дека ниту микроорганизмите, ниту другите живи суштества не се неопходни за овие процеси. Можевме да дознаеме со стерилизирање на примероците од почвата и потоа повторно да ги испитаме во средина на вода. Всушност, по кратко време можевме да набудуваме обновено производство на халогени соединенија. Покрај производството на супстанции што го осиромашуваат озонот во почвата, многу други хемикалии за хлор исто така може да се формираат во високо сложеното природно тело на почвата, што ќе претставува интересно поле на истражување во иднина.
Иако почвите складираат огромна количина на органска материја и ги содржат и сите други „состојки“ неопходни за производство на хемикалии за хлор, тие сè уште не биле разгледани во врска со формирањето на халогенирани метани. Огромниот потенцијал за производство на халогенирани метани и нивно ослободување во атмосферата е илустриран со примерот на глобалната дистрибуција на јаглерод: околу 3.000 милијарди тони хумични материи се складираат на глобално ниво во почвата; околу два до три проценти од ова се распаѓа со оксидација секоја година. Поголемиот дел од ова се претвора во јаглерод диоксид (СО2) и се ослободува во атмосферата. Ако само мал дел, околу 0.0001 процент, се испарува во форма на халогенирани метани, тогаш ова може да го затвори јазот во изворите што недостасуваат. Во иднина, ќе биде потребно да се разјасни колку хлор и бромометан навистина доаѓаат од почвата.
Природното формирање на гасовит хлорометан и бромометан сугерира дека постоела природна позадина на осиромашувањето дури и пред луѓето да емитуваат CFC. Ако се врати неколку чекори во минатото, веќе би можело да има значителна формација на органски хлор пред околу 570 милиони години (камбриски), кога морските организми ги освоиле океаните или во Силур (пред околу 430 милиони години), кога копнените растенија ги колонизирале континентите - и соединенија на бром во животната средина. Можно е овие природно формирани „убијци на озон“ да биле во динамична рамнотежа со озонот во стратосферата. Само CFC емитирани од луѓе ја смениле оваа рамнотежа силно во насока на осиромашување и довеле до формирање на озонска дупка.
Во септември 1987 година, 23 нации потпишаа договор за намалување на потрошувачката на ЦФЦ во Монтреал. Бидејќи индустриските емисии продолжуваат да се намалуваат, CFC ќе бидат отстранети од атмосферата во период од 30 до 50 години и природните извори ќе ја вратат важноста. Како основна компонента во целокупната загатка на хемиските процеси во атмосферата, изворите на „природни убијци на озон“ мора детално да се испитаат.
Формирањето на озонска дупка во стратосферата над Антарктикот ја убеди меѓународната заедница во потребата да се работи заедно против глобалната опасност од животната средина и ги поттикнува истражувачите да ја проучат хемијата и динамиката на атмосферата. Овие напори веќе значително го напреднаа нашето знаење за интеракциите помеѓу озонот и другите гасови - од природно и антропогено потекло.