Ozon - dobry, zły, zabójczy

Czym jest ozon? Jest niebieskawym gazem, którego cząsteczki są zbudowane z trzech atomów tlenu. Występuje naturalnie w atmosferze, ale najwięcej jest go w jej górnej części – 10 do 50 kilometrów od powierzchni Ziemi. Ta część atmosfery nazywa się stratosferą, a cały ozon, który się w niej znajduje, warstwą ozonową. Na pewno słyszeliście, że warstwa ta chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem UV, że na skutek wprowadzania zanieczyszczeń do powietrza zmniejsza się jej grubość, a nawet że nad Antarktydą (wokół bieguna południowego) powstaje dziura ozonowa.

 

ozone.mp4, po jlitman

Zmniejszająca się grubość warstwy ozonowej na półkuli południowej latem 2018 r.
Kolory niebieski i fioletowy – najmniejsza grubość, kolor czerwony – największa.
animacja: NASA / Goddard Space Flight Center

Co tak naprawdę dzieje się w warstwie ozonowej, gdy z góry bombardują ją promienie słoneczne, a z dołu zadymiamy ją zanieczyszczeniami przemysłowymi? Z lekcji chemii być może pamiętamy, że gazy nie lubią występować w postaci pojedynczych atomów, dlatego tworzą dwuatomowe cząsteczki. Jest tak nie tylko z tlenem, ale i z wodorem, helem, chlorem itd. Skąd w takim razie bierze się ozon?

Przede wszystkim potrzebna jest cząsteczka tlenu oraz dodatkowa energia, aby rozbić ją na dwa pojedyncze atomy. Energii dostarcza promieniowanie słoneczne. Tak powstałe atomy nie są w stanie długo wytrzymać w stanie wolnym i szukają sobie bezpieczniejszego miejsca. Znajdują je u boku kolejnej dwuatomowej cząsteczki tlenu i razem są już ozonem. To tak, jak spełnienie marzenia o powiększaniu rodziny u małżeństwa. Początkowo mąż spacerował w parze z żoną, a teraz prowadzą za rękę malucha. Tak samo na tlen zadziała wyładowanie atmosferyczne, czego sami jesteśmy świadkami, wyczuwając po burzy zapach ozonu.

Powstawanie ozonu - schemat

 

W stratosferze, na wysokości około 30 tysięcy kilometrów, jest pod dostatkiem promieniowania słonecznego i wystarczająco dużo tlenu, aby tworzył się ozon. I gdyby zachodziły wyłącznie takie reakcje, ozonu nieustannie by przybywało. Jednak ozon nie jest trwałą cząsteczką. Okazuje się, że niezwiązane atomy tlenu potrafią również odebrać cząsteczce ozonu jeden atom, aby samemu się z nim połączyć w parę. W takich warunkach ilość ozonu nie zmienia się w dłuższym czasie – natura dąży do równowagi.

Przypomina to naszą rodzinę. Każdy z jej członków jest jak jeden atom tlenu w cząstce ozonu. Rodzice idą zgodnie pod rękę – jak na stabilną dwuatomową cząsteczkę tlenu przystało – natomiast żywiołowego malucha trudno utrzymać przy sobie, bo nieustannie odłącza się od rodziców. A to zapatrzy się na jakiś cud natury, a to przystanie, żeby pogłaskać psa, a to złapie za rękę innego kolegę, spacerującego ze swoją rodziną i pobiegną gdzieś razem. Tak rzeczywiście zachowuje się mało stabilna cząsteczka ozonu – wystarczy mały bodziec, aby jeden atom tlenu odłączył się od niej.

Co może być tym bodźcem? Również energia promieniowania słonecznego. Taka dodatkowa porcja energii dostarczona do cząsteczki ozonu spowoduje oderwanie jednego z atomów tlenu. Co się z nim dalej dzieje? Teoretycznie ma dwie możliwości: albo znajdzie sobie parę, albo przyłączy się do innej cząsteczki tlenu i ponownie stworzy ozon. Teoretycznie, bo niestety my, ludzie, daliśmy mu jeszcze jedną alternatywę – nieodwracalne połączenie z atomem innego gazu, który znalazł się w atmosferze jako zanieczyszczenie wyprodukowane przez nas.

Najgroźniejszymi zanieczyszczeniami przemysłowymi dla warstwy ozonowej są freony i halony. Co kryje się pod tymi nazwami? Są to organiczne związki chemiczne, dokładniej m.in. chloro- i fluoropochodne węglowodorów. Docierają w niezmienionej postaci aż do stratosfery, gdzie dopiero promienie słoneczne powodują wybicie z ich cząsteczek atomów chloru, bromu czy fluoru. Te z kolei bardzo łatwo odbierają ozonowi atom tlenu, łącząc się z nim w bardziej trwałe cząsteczki. Dlatego jest to zjawisko nieodwracalne, powodujące powstawanie dziur ozonowych, czyli miejsc o dużo mniejszej zawartości tego gazu.

Niszczenie warstwy ozonowej - schemat

Na szczęście dzisiaj ustawowo znacznie ograniczone jest wprowadzanie do atmosfery tzw. f-gazów, wykorzystywanych między innymi jako czynniki chłodnicze, środki spieniające i gaśnicze, a także w aerozolach, dlatego naukowcy zauważyli już, że dziura ozonowa się nie powiększa, a nawet zaczyna nieznacznie maleć.

Wracając do znaczenia ozonu. Jeśli ozon pozostaje „na swoim miejscu”, czyli na wysokości kilkudziesięciu kilometrów nad nami, jest dla nas bardzo cenny. Chroni nas przed promieniowaniem ultrafioletowym, które powoduje raka skóry, przedwczesne starzenie skóry poprzez niszczenie włókien kolagenowych, podrażnienie oczu, uszkodzenia wzroku (śnieżna ślepota, zaćma), osłabienie sytemu odpornościowego (wzmożone infekcje wirusowe, np. opryszczka). Bez ozonu intensywne promieniowanie Słońca mogłoby być dla nas poważnym zagrożeniem.

Jeśli jednak ozon znajdzie się w pobliżu powierzchni Ziemi, będzie nam szkodził. Wszystko dlatego, że tak łatwo wchodzi w reakcje z innymi substancjami. To on przyspiesza starzenie i pękanie opon, niszczy roślinność (szczególnie w okresie wegetacyjnym) i uszkadza tkanki płucne. Bardziej bezbronne wobec niego są dzieci, osoby starsze czy astmatycy. Jest to dokładnie ta sama grupa,  której najbardziej szkodzą zanieczyszczenia powietrza. Nie bez powodu, bo ozon to także składnik smogu. Różnica jest tylko taka, że zazwyczaj jest go najwięcej latem. Dzieje się tak, gdyż tuż przy ziemi powstaje w nieco inny sposób – w wyniku reakcji tlenków azotu (NOx) z lotnymi związkami organicznymi (VOC) pod wpływem światła słonecznego, którego najwięcej jest właśnie w miesiącach letnich.

Jakość powietrza w Katowicach

Ozon potrafi być też bezlitosnym zabójcą. Na szczęście nauczyliśmy się wykorzystywać tę jego cechę do walki z bakteriami, grzybami, pleśnią, wirusami, roztoczami, a nawet brzydkimi zapachami. Jest aseptyczny czyli zapobiega dostaniu się drobnoustrojów chorobotwórczych do środowiska. Stosuje się go do dezynfekcji pomieszczeń (szpitale, sale operacyjne, hotele, zakłady przemysłu mięsnego), do usuwania zapachów (w mieszkaniach, restauracjach, kabinach samochodów), do odkażania instalacji klimatyzacyjnych czy do uzdatniania wody (pitnej, basenowej i w hodowli ryb). Ten proces nazywa się ozonowaniem i polega na rozkładzie ozonu, podczas którego wolny atom tlenu łączy się z niepożądanymi substancjami, neutralizując je. Plusem jest to, że ozon maksymalnie po godzinie całkowicie rozpada się do dwuatomowego tlenu, nieszkodzącego człowiekowi. Czyli genialny zabójca, który nie zostawia po sobie śladu… chemicznego.

Czy zatem ozon jest dobry czy zły dla nas? I taki, i taki. Zależy, gdzie się znajduje…

Aleksandra Jędrzejczak