Kémiai Nobel-díj légköri kutatásokért
Ózon a bioszféra védelmében
 |
 |
 |
Crutzen, Rowland és Molnia (balról jobbra), akik felismerték a sztratoszféra ózonrétegének elvékonyodását
A történet a múlt század közepén kezdődött, amikor Schönbein német kutató laboratóriumban felfedezte, hogy elektromos kisülések alkalmával különös szagú anyag keletkezik. Ezt az anyagot görög eredetű szóval ózonnak nevezte el. Később kiderült, hogy az oxigén háromatomos (O3) módosulatáról van szó. Abban az időben, mint ez már lenni szokott, senki sem volt tudatában a felfedezés jelentőségének. 1881-ben Hartley, helyesen, azt a gondolatot vetette fel, hogy a napsugárzás spektrumából a talaj közelében hiányzó kb. 0,3 mm-nél rövidebb hullámhosszú ibolyántúli (UV) tartományt az ózon szűri ki. Századunk első három évtizedében az is kiderült, hogy az ózon kb. 90%-a nem a földfelszín közelében, hanem a légkör magasabb rétegeiben, a 15-55 km közötti sztatoszférában helyezkedik el.
A légköri ózon keletkezésének és elbomlásának első magyarázatára 1930-ig kellett várni. Ekkor Chapman feltételezte, hogy az ózon a molekuláris oxigén (az O2 molekulák a 0,2 mm-nél rövidebb hullámhosszú sugarakat nyelik el) fotokémiai felbomlásával létrejövő atomos, és a levegőben mindenütt jelen lévő molekuláris oxigénből keletkezik:
O2 + UV -> O +
O (1)
O + O2 -> O3
(2)
Az ózon bomlása két folyamat eredménye:
O3 + UV -> O2
+ O (3)
O3 + O2
-> 2O2 (4)
Mindez azt jelenti, hogy a ciklusban csak az oxigén módosulatai vesznek részt. A végzett számítások arra az eredményre vezettek, hogy az említett négy reakcióval a légköri ózon mennyisége és eloszlása jól értelmezhető. Így tűnt, hogy minden rendben van. Az ötvenes-hatvanas években végzett pontosabb laboratóriumi mérésekből derült ki, hogy az utóbbi két reakció sebessége sokkal kisebb, mint azt régebben gondolták. Jóval több ózonnak kellene lenni a sztratoszférában, mint azt a mérések mutatták. A másik, sokkal valószínűbb magyarázat az volt, hogy a Chapman-féle modell önmagában alkalmatlan az ózonciklus leírására.
Ekkor léptek színre Nobel-díjas tudósaink. Crutzen úgy gondolta, hogy a probléma csak akkor oldható meg, ha feltételezzük, hogy az ózon bomlásában más anyagok is részt vesznek. Ha ezt az anyagot X-szel jelöljük, akkor
X + O3 ->
XO+ O2 (5)
XO + O -> X + O2
(6)
Összegezve: O3
+ O -> 2O2
Crutzen 1970-ben, majd 1971-ben megjelentetett tanulmányaiban feltételezte, hogy X a talaj mikrobiológiai folyamataiból származó dinitrogén-oxid gáz elbomlásából származó nitrogén-monoxid. A dinitrogén-oxid az alsó légkörben, a troposzférában kémiailag teljesen inert, mivel az UV-sugárzás, amely elbomlasztja, a talaj közelébe nem jut el, pontosan a sztratoszferikus ózon miatt. Ezért tartózkodási ideje hosszú (kb. 100 év), ami lehetővé teszi, hogy a sztratoszférába jusson. Az ott már jelen lévő UV sugárzás hatására a dinitrogén-oxid-molekulák elbomlanak és nitrogén-monoxid keletkezik. Ezek a közlemények kimutatták, hogy az ózon nemcsak védi a bioszférát, hanem a bioszféra is aktívan részt vesz az ózonciklus szabályozásában. Másrészt a sztratoszférában repülő szuperszonikus gépek nitrogén-oxid-kibocsátása, valamint a műtrágyázás miatt az ózon elbontásában az emberi tevékenység is szerepet játszhat. Az igazsághoz hozzátartozik, hogy ez utóbbi lehetőséget Harold Johnston amerikai kutató is felvetette.
A sztratoszferikus repülések jelenlegi és várható számát figyelembe vevő modellszámítások azonban azt valószínűsítették, hogy ez a hatás nem túlságosan jelentős. Molina és Rowland 1974-es, a Nature c. folyóiratban megjelent közleménye azonban a kérdést más megvilágításba helyezte. Ennek hosszabb története van. A különböző halogénezett szénhidrogéneket (a Dupont cég márkaneve szerint freonokat) az ember a harmincas évek elején kezdte alkalmazni (véletlen egybeeséssel pont akkor, amikor az első ózonelmélet megjelent), elsősorban hűtő- és vivőanyagként. Az alkalmazás megkezdését gondos kutatások előzték meg, amelyek kimutatták, hogy ezek az olcsó vegyületek nem tűzveszélyesek és kémiailag teljesen inertek. A továbbiakban senki sem foglalkozott azzal a kérdéssel, hogy mi történik a freonokkal a levegőben. A híres Gaia-hipotézis későbbi megalkotója, James Lovelock azonban nem hagyta a kérdést annyiban. Egyszerű gázkromatográfjához olyan speciális detektort készített, amely lehetővé tette a freonok légköri kimutatását. Eredményei nagy meglepetést keltettek. Kiderült ugyanis, hogy a levegőbe bocsátott freonok mennyiségének (ezt a felhasználásból pontosan ki lehet számítani) kb. a fele hiányzik. Hová lesz a levegőből a freon? Ezt a kérdést egyszer Sherry Rowlandnak is föltették, aki akkor már híres kémikus volt, de légköri kutatásokkal sohasem foglalkozott. Rowland egyik doktorandusát, az akkor még mexikói állampolgárságú Molinát bízta meg, hogy nézzen utána a kérdésnek. Az elvégzett laboratóriumi kísérletek kimutatták, hogy sztratoszferikus feltételek mellett a halogénezett szénhidrogének az UV-sugárzás hatására elbomlanak és atomos klórt hoznak létre. A klór az ózonnal gyorsan reagál (eljátssza X szerepét az (5)-ös egyenletben) és klór-monoxid keletkezik, amely viszont az atomos oxigénnel lép reakcióba. A folyamat a végtelenségig folytatódna, ha más reakciók nem vonnák ki lassan az atomos klórt a levegőből. Így pl. a klórból sósavgőz keletkezik, míg a klór-oxid a nitrogén-dioxiddal egyesül és egy furcsa vegyületet, klór-nitrátot képez (ClNO3). Ezek az ún. „rezervoár” anyagok az ózonbontásban már nem vesznek részt. Később kiderült, hogy klór természetes úton is kerül az ózonrétegbe, nevezetesen biológiai eredetű metil-klorid formájában. Tekintve, hogy a metil-klorid koncentrációja három nagyságrenddel alacsonyabb, mint a dinitrogén-oxidé, az emberi tevékenység a sztratoszferikus klórkoncentrációt sokkal könnyebben befolyásolja, mint a nitrogén-monoxid mennyiségét.
1. ábra. A teljes légköri ózon változása az Antarktisz fölött tavasszal. Az ordináta azt a vastagságot adja meg, amellyel az óton a földfelszínt beborítaná
A hetvenes évek végére megint úgy tűnt, hogy mindent tudunk az ózonról. Bonyolult meteorológiai-kémiai modellszámításokkal meghatározták az ózon mennyiségének változását adott freonfelhasználás mellett. Ezek a számítások kimutatták, hogy az emberi tevékenység miatti ózoncsökkenés azonos mértékű mindkét félgömbön. A sarkok felé valamit növekszik, ahol értéke az 1980-as évek elejéig összességében eléri a 4-5%-ot. Azután 1985-ben a ~Nature c. folyóiratban ismét megjelent egy olyan tanulmány, amely megint felborított minden addigi elképzelést. Farman és munkatársai (angol kutatók, akik egyébként levegőkémiával sohasem foglalkoztak) egyszerű, a felszínen elhelyezett műszerekkel kimutatták, hogy a tavaszi hónapokban az ózoncsökkenés az Antarktisz fölött eléri a 40-50%-ot. Ez az ózonlyuknak nevezett jelenség kb. 1970 táján kezdődött és azóta is tart (1. ábra). A kutatás nagy erőkkel ismét megindult, elsősorban az Amerikai Egyesült ăllamokban. A kérdés az volt, hogy vajon az ózonritkulást meteorológiai, kémiai, esetleg napfizikai hatások okozzák-e. Az elvégzett mérések a meteorológiai és kémiai hatások kombinációjára utaltak. Télen az Antarktisz fölött a sztratoszférában hatalmas légörvény helyezkedik el, amely megakadályozza a levegő szélességi kör menti keveredését. Ebben az örvényben igen hideg van és a megfigyelések szerint nagyon kicsi a vízgőz és a nitrogén-oxidok, ugyanakkor magas a molekuláris klór (Cl2), illetve klór-oxidok koncentrációja. A levegőben jégkristályok találhatók, amelyekben nagy a nitrát mennyisége. A lezajló kémiai folyamatot Molina (ekkor már neves amerikai professzor) és munkatársai magyarázták meg. Laboratóriumban kimutatták, hogy a keletkezett jégkristályok elnyelik két "rezervoár" vegyület molekuláit:
HCl + ClNO3 -> HNO3 +Cl2 (7)
A keletkező salétromsav a szilárd fázisban marad, míg a molekuláris klór fölszabadul. Mindez télen játszódik le. Tavasszal, amikor megjelenik a napsugárzás, a molekuláris klór fotokémiailag atomos klórrá bomlik és elindítja az (5)-ös reakciót. Természetesen az északi félgömb sem mentes ezektől a hatásoktól. Itt azonban a téli sztratoszferikus örvény kevésbé erős a szárazföldek, illetve magas hegységek miatt létrejövő ún. planetáris hullámok miatt. Ez azt jelenti, hogy az ózoncsökkenés nagyobb területre oszlik el, következésképpen adott helyen kevésbé erős. Végül megemlítjük, hogy a legújabb kutatások azt is kiderítették, hogy a sztratoszférában található szulfátból álló aeroszolrészecskék hasonló szerepet játszhatnak, mint a jégkristályok. Figyelembe véve, hogy az említett részecskék száma vulkánkitörések után magas, nem kizárt, hogy az ózonciklus szabályozásában a vulkanikus tevékenység is szerepet játszik.
Talán e rövid írással is
sikerült érzékeltetni, hogy a légköri ózonkutatás századunk egyik érdekes
tudományos sztorija. Másrészt ezek a kutatások jelentősen módosították
környezetünkhöz való viszonyunkat. Világossá tették, hogy a biológiai eredetű
légköri oxigén nem csak azért fontos, mivel anyagcserénkhez alapanyagot
szolgáltat. Fontos azért is, mivel belőle keletkezik a szárazföldi ökoszisztémákat
a halálos UV-sugárzástól védő magaslégköri ózon is. Ezt a védőernyőt nem
szabad kicsinyes gazdasági okok miatt gyengítenünk. Környezetünkre minden
szennyező anyag valahol, valamilyen módon káros hatást fejt ki. Ha nem
a talaj közelében, akkor a légkör távoli, magasabb tartományaiban. Ezért
úgy gondoljuk, hogy a Nobel-díj Bizottság helyesen döntött, amikor a kémiai
Nobel-díjat a tudomány történetében először az idén légköri, környezeti
kutatásokért ítélte oda. Reméljük, nem utoljára!
Természet Világa, 1996. február