Természetes ózonölők a földről - Universit; t Heidelberg
Ma már közismert, hogy a klór-fluorozott szénhidrogének, röviden CFC-k jelentősen hozzájárulnak az ózonlyuk kialakulásához. Az a tény, hogy a természet ózonréteget lebontó anyagokat is termel, sokak számára meglepetést okozhat. Megdöbbentő, hogy a tudósok ma már több mint 3500 természetes ózonölőt ismernek, amelyeket baktériumok, algák, gombák, zuzmók vagy rovarok állítanak elő, amelyek az ózonréteg becslésének 30% -áért felelősek. Az eddig ismert források azonban nem tudják megmagyarázni a légkörben mért természetes ózonréteget lebontó vegyületek koncentrációinak mennyiségét. A Környezeti Geokémiai Intézet tudósai megtalálhatták a földi környezetben még hiányzó forrást: a talajt. Frank Keppler és Heinz Friedrich Schöler számol be izgalmas kutatómunkájukról.
1985-ben a brit Antarktiszi Felmérés légköri kutatói teljesen váratlan felfedezést tettek közzé: 1977 és 1984 között a Halley Bay-i Antarktisz kutatóállomás felett tavasszal megfigyelt ózonoszlop több mint 40 százalékkal csökkent. Más kutatócsoportok hamarosan megerősítették ezt a megállapítást. Kimutatták, hogy az ózonréteg-kibomlás területe még az Antarktisz kontinensén is kiterjedt, és mintegy 12–24 kilométeres magasságtartományt - azaz szinte az egész alsó sztratoszférát - magában foglal. Volt, ami mára közismert kifejezés lett: "ózonlyuk" a déli sarki légkörben.
Ez a felfedezés riasztotta a tudósokat és a közvéleményt egyaránt: a föld sztratoszférikus ózonrétege veszélyeztetettebbnek tűnt, mint azt a légköri modellek alapján előre jelezték - ez arra utal, hogy a tudás egyszerűen nem volt elegendő, és a környezeti tényezők váratlan módon jöttek össze. Ezen tényezők egyike, a nagyon alacsony hőmérséklet előfordulása a téli és a tavaszi hónapokban valójában egy természetes folyamatnak köszönhető. Ez a felfedezés szemlélteti a természeti és antropogén folyamatok által okozott környezeti változások nyilvántartásának óriási jelentőségét, valamint annak szükségességét, hogy kiterjesszék azokat az egész világra.
A tudományos vizsgálatok mára tisztázták a légkör felső részén bekövetkező gyors ózonvesztés titkát. Kétségtelen, hogy a csökkenés a reaktív klórvegyületek által kiváltott fotokémiai, ózonromboló reakcióknak köszönhető; ezek az ultraibolya sugárzás hatására keletkeznek a sztratoszférában klór-fluorozott szénhidrogénekre (CFC-k) és más halogén halogénvegyületekre.
A klórfluor-szénhidrogének - nevükből következően - olyan szénhidrogének, amelyekben a hidrogén részben vagy teljesen klórral és fluorral helyettesített. Körülbelül 65 évvel ezelőtti bevezetésük óta ezeket a gázokat egyes országokban hűtőközegként hűtőközegként és légkondicionáló rendszerként, aeroszolos spray-k hajtóanyagaként és habosító műanyagokként használják és használják. Ezeket a vegyületeket eredetileg ideális ipari vegyszereknek tekintették, mivel nagyon stabilak, kémiailag inertek és ezért nem mérgezőek. De éppen ez a tehetetlenség teszi a CFC-ket lehetséges veszélyt jelentővé, mivel akadálytalanul haladnak át az alsó légkörben, és csak fotokémiai úton bomlanak le a sztratoszférában. A folyamat során rendkívül reaktív klóratomok képződnek, amelyek gyors ózonréteg-csökkenést okoznak.
A sztratoszférában található ózon (O3) megvédi az embereket, a növény- és állatvilágot az űrből érkező nagy energiájú sugárzástól. Az ózon akkor képződik, amikor a nagy energiájú sugárzás eléri az oxigénmolekulát (O2), és két erősen reaktív oxigénatomot (O) szabadít fel, amelyek ezután kombinálódnak a közelében lévő oxigénmolekulákkal. Az így képződött ózont az ultraibolya és a látható fény fotonjai többször is feltörik, azonnal újra képződik és újra képes elnyelni a fényt.
Állandó körülmények között dinamikus egyensúly alakul ki abban, hogy annyi ózon képződik időegységenként, amennyit elpusztít. A klór elmozdítja ezt az egyensúlyt, és csökkenti az ózon koncentrációját a sztratoszférában, mivel felgyorsítja az ózon oxigénmolekulává történő átalakulását. Ennél is fontosabb, hogy a klór katalizátorként működik, ami azt jelenti, hogy ebben a folyamatban változatlan marad. Ennek eredményeként minden klóratom akár 100 000 ózonmolekulát is tönkretehet, mielőtt önmagában deaktiválódik, vagy végül visszatér az alsó légkörbe (troposzféra), ahol csapadék vagy más folyamatok segítségével eltávolítja a légkörből.
A bróm az ózont is rendkívül hatékonyan képes tönkretenni: a klórhoz hasonlóan reakcióláncot indít el, és akár 50-szer hatékonyabb az ózon lebontásában. Tehát a sztratoszférába kibocsátott kis mennyiségű bróm újabb veszélyt jelent az ózonrétegre.
| Mario Molina mexikói fizikai vegyész és brit kollégája, Sherwood Rowland már az 1970-es években azt gyanították, hogy a fluor-klórozott szénhidrogének hozzájárulnak az ózon sztratoszférában történő kimerüléséhez. Peter Crutzen holland meteorológussal (jobbra) 1995-ben megkapták a kémia Nobel-díját. | ||
Amikor 1974-ben a későbbi Nobel-díjas Mario Molina és Sherwood Rowland előterjesztette CFC-hipotézisét az ózon sztratoszférában történő kimerüléséről, a kezdő lövés a környezetünkben lévő ózonréteget lebontó vegyületek intenzív kutatására készült. Ma már ismert, hogy a CFC-k, amelyeket az emberek nagy mennyiségben hoznak forgalomba, jelentősen hozzájárulnak az ózonlyuk kialakulásához. E vizsgálatok során azonban az is világossá vált, hogy a természet számos módszert talált a „természetes klórkémia” gyakorlására, úgymond, és régóta nagy mennyiségű gáz halogénvegyületet bocsát ki a légkörbe. Különösen egyszerű, illékony szerves molekulák, például metánok, amelyek halogénatomot (klór, bróm, jód) tartalmaznak, jelentős mennyiségben termelődnek.
Mennyiségét tekintve az 1. számú természetes módon képződött "szerves klór" a klór-metán. A légkörbe évente kibocsátott mennyiséget legalább négy millió tonnára becsülik. Ez körülbelül százszor több, mint amit iparilag gyártanak. A természetes úton képződött klór-metán ma felelős a sztratoszféra klórtartalmának 20 százalékáért, ezért részt vesz az ózonréteg lebomlásában is. 1950-ben ez 85 százalék volt, és csak 1970-ben lépték át az iparilag előállított vegyületek a klór-metán okozta sztratoszférikus klórtartalmat.
A természet által évente előállított 200 000 tonna bróm-metán szintén nagy jelentőséggel bír a légkör szempontjából, mivel a bróm még a klórnál hatékonyabban képes tönkretenni az ózont. A szintetikus CFC-khez hasonlóan mindkét természetes vegyület nem pusztul el a légkör alsó részén (troposzféra), és akadálytalanul jut el a sztratoszférába. A legfrissebb becslések szerint a természetes úton előállított klór- és bróm-metánok felelősek az ózonréteg kb. 30 százalékáért.
Sokáig azt hitték, hogy a természet nem termel klór vegyszereket. 1934-ben tisztázták a diploicin zuzmót alkotó szerkezetét. Ez a vegyület az első természetes anyag, amely klórt tartalmaz, és ezt követően sokáig elutasították a természet egyedülálló korcsaként.
Ma már több mint 3500 természetes halogén-szerves vegyület ismert, amelyeket vagy baktériumok, gombák, algák, rovarok és más organizmusok állítanak elő, vagy amelyeket a vulkánkitörések, az erdőtüzek vagy az elhalt növényi anyagok bomlása során abiotikus folyamatok okoznak. Szinte minden héten leírnak egy új klórvegyületet a természetből.
A vinil-kloridot aktuális példaként említhetjük. Mostanáig a vinil-kloridot az ipari klórkémia repertoárjából származó veszélyes termékek kiemelkedő példájának tekintették. Ez a leggyakrabban előállított klór szerves vegyület és a műanyag PVC polimerizációjának kiindulási anyaga. A vinil-klorid mérgező anyag, amely bőr- és májrákot okozott a vegyi dolgozóknál.
Munkacsoportunk a Környezeti Geokémiai Intézetben igazolni tudta, hogy a vinil-klorid természetesen képződik a talajban. Hogy ezt a kapcsolatot miért termeli a természet, és milyen hatásai vannak a környezetünkre, csak ezen a ponton lehet találgatni. A legtöbb klórozott természetes anyag természetesen nem véletlenül jön létre, hanem fontos feladatokat lát el. Nem szabad azonban megemlíteni, hogy a természet nem váltott ki olyan katasztrófákat, mint Sevesóban vagy Bhopalban, és nem kúszott a környezetbe olyan tartós vegyszerekkel, mint például a DDT rovarirtó szer vagy a poliklórozott bifenilek (PCB), amelyeket égésgátlóként használnak. A mesterséges szerves klórok szerepét továbbra is kritikusan kell értékelni, tartósságuk és toxicitásuk miatt.
Míg a szintetikus halogénvegyületek kibocsátási szintje gyakran ismert, a természetben még mindig nagy kérdőjelek vannak. Különösen az ózont pusztító klór- és bróm-metán vegyületek esetében nincsenek források a légkörben mért koncentrációkra. Évente legalább négy millió tonna klór-metán termelődik a természetben. Ennek csak a fele magyarázható ismert forrásokkal (erdőtüzek, algák és gombatermesztés). Végül kétmillió tonna hiányzik.
Ugyanez a dilemma merül fel a metil-bromiddal kapcsolatban, és a közelmúltban a hiányzó források problémája "A hiányzó gázok rejtélye" címet kapta a Nature folyóiratban. Az elmúlt években küzdöttünk ezzel a problémával, és valószínűleg a földi környezetben találtuk meg a még hiányzó forrást.
| Körülbelül kétmillió tonna ózonréteget lebontó klór-metán vegyület forrásai a légkörben (fenti ábra) eddig rejtélynek számítottak. Ez a még hiányzó forrás valószínűleg a talaj. Az alábbi képen az ózonréteget lebontó vegyületek sztratoszférába jutása látható. Ott az ultraibolya sugárzás elég erős ahhoz, hogy lebontsa a molekulákat és klór- és brómatomokat szabadítson fel, amelyek megtámadják az ózont. |
A talajképző folyamatok, például a kőzet mállása, az ásványképződés és az új képződés, a szerves alom lebomlása, a humuszképződés és az anyagáthelyezés megteremtik a feltételeket a természetes klórkémia számára. Az elhalt növényi anyagok lebontása és átalakulása során halogénezett szénhidrogének szabadulnak fel. Csak elegendő mennyiségű humusz, só, víz és háromértékű vas szükséges. A sót képző anyagok (klorid, bromid, jodid) meghatározóak a halometán típusa szempontjából: attól függően, hogy milyen koncentrációban áll rendelkezésre halogenid, többé-kevésbé klór, jód és bróm-metán képződik.
A vas meghatározó szerepet játszik: A talajban gyakran háromértékű ásványi formában található meg, mint vas-hidroxid (= ferrihidrit), és könnyen reagálhat a humusszal. Az úgynevezett redox-reakciók (oxidáció és redukció) a vasásványok és az elhalt szerves anyag között folyamatosan zajlanak a talajban, és létrehozzák a halogének támadási felületét.
| A Környezeti Geokémiai Intézet tudósai kifejlesztettek egy modellt (fenti kép) a halogénezett gázok természetes képződéséhez a talajban: Ha az elhalt növényi anyag reagál vassal és sókkal, szén-dioxid és halogénezett metánok képződnek. Ezek a gázok gyorsan kijuthatnak a légkörbe. Az iparilag előállított CFC-k és klórozott élelmiszerek aránya az ózonréteg-csökkenésben körülbelül 70 százalék; a természetes források aránya 30 százalék. |
Először a halometánok természetes termelését vizsgáltuk a hesseni Odenwaldban található "Rotwasser" természetvédelmi terület víz- és talajmintáinak felhasználásával. Feltételezéseink szerint ennek a folyamatnak a földön kellett végbemennie az egész világon. Ennek megismerése érdekében további talajmintákat vizsgáltak Chile déli részén, Patagóniában és Hawaiin, mivel ezek a régiók szinte teljesen mentesek a környezetszennyezéstől. Ezzel azt akartuk kizárni, hogy a kimutatott halogén metánok antropogén eredetűek lehetnek. Ezek a vizsgálatok lenyűgözően bizonyítani tudták a keresett anyagok természetes képződését.
Egy másik különlegesség, hogy sem mikroorganizmusokra, sem más élőlényekre nincs szükség ezekhez a folyamatokhoz. Megtudhattuk a talajminták sterilizálásával, majd ismét a víz közegében történő vizsgálatukkal. Valójában rövid idő elteltével megfigyelhettük a halogénvegyületek megújult termelését. Az ózonréteget lebontó anyagok talajban történő termelése mellett számos más klórvegyület is képződhet a rendkívül összetett természetes talajtestben, amely a jövőben érdekes kutatási területet jelent.
Noha a talajok hatalmas mennyiségű szerves anyagot tárolnak, és tartalmaznak minden egyéb olyan "összetevőt" is, amely a klórvegyületek előállításához szükséges, a halogénezett metánok képződése szempontjából még nem vették figyelembe őket. A halogénezett metánok előállításának és a légkörbe történő kibocsátásának óriási lehetőségeit szemlélteti a globális széneloszlás példája: körülbelül 3000 milliárd tonna humuszanyagot tárolnak globálisan a talajokban; ennek körülbelül két-három százalékát bontja az oxidáció minden évben. Ennek nagy része szén-dioxiddá (CO2) alakul át, és felszabadul a légkörbe. Ha csak egy apró, 0,0001 százalék körüli részt elpárolognak halogénezett metánok formájában, ez megszüntetheti a hiányzó források hiányosságát. A jövőben ezért tisztázni kell, mennyi klór és bróm-metán származik a talajból.
A gáznemű klór-metán és bróm-metán természetes képződése arra utal, hogy az ózonréteg lebomlásának természetes háttere már az emberi CFC-k kibocsátása előtt is megvolt. Ha visszalépünk néhány lépéssel a múltba, akkor már körülbelül 570 millió évvel ezelőtt jelentős mennyiségű szerves klór képződhet (kambriumi), amikor a tengeri élőlények meghódították az óceánt, vagy a Silúrban (körülbelül 430 millió évvel ezelőtt), amikor szárazföldi növények gyarmatosították a kontinenseket - és a brómvegyületek a környezetben. Lehetséges, hogy ezek a természetesen képződött "ózongyilkosok" dinamikus egyensúlyban voltak az ózonnal a sztratoszférában. Csak az emberek által kibocsátott CFC-k erõsen elmozdították ezt az egyensúlyt az ózonréteg csökkenése felé, és az ózonlyuk kialakulásához vezettek.
1987 szeptemberében 23 nemzet írt alá szerződést a CFC-fogyasztás csökkentéséről Montrealban. Amint az ipari kibocsátások egyre inkább korlátozódnak, a CFC-k 30-50 év alatt távoznak a légkörből, és a természetes források ismét fontosabbá válnak. A légkörben zajló kémiai folyamatok átfogó fejtegetésének alapelemeként részletesen meg kell vizsgálni a "természetes ózonölők" forrásait.
Az ózonlyuk kialakulása az Antarktisz feletti sztratoszférában meggyőzte a nemzetközi közösséget arról, hogy együtt kell működni a globális környezeti veszély ellen, és ösztönzi a kutatókat a légkör kémiai és dinamikai tanulmányozására. Ezek az erőfeszítések már jelentősen továbbfejlesztették ismereteinket az ózon és más természetes és antropogén eredetű gázok kölcsönhatásairól.