Περιβαλλοντικά Συστήματα Ενότητα 5: Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος Χαραλαμπίδης Γεώργιος Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος και Μηχανικών Αντιρρύπανσης
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα του ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας και της Ανώτατης Εκκλησιαστικής Ακαδημίας Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας Μετά την ολοκλήρωση της ενότητας 5 ο φοιτητής θα πρέπει να:. Γνωρίζει τη σημασία και τους βασικούς μηχανισμούς δημιουργίας του στρατοσφαιρικού όζοντος. Κατανοεί και να ερμηνεύει τις αιτίες καταστροφής της στοιβάδας του όζοντος. Σχεσιάζει και προτείνει λύσεις για τον περιορισμό της μείωσης του στρατοσφαιρικού όζοντας. 4
Περιεχόμενα ενότητας (1/2) Η Σημασία του Όζοντος. Το Στρατοσφαιρικό Όζον. Η καταστροφή της Στοιβάδας του Όζοντος της Στρατόσφαιρας. Ερμηνεία του Φαινομένου. Η Μείωση του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στον Ελλαδικό Χώρο. 5
Περιεχόμενα ενότητας (2/2) Διεθνείς Κανονισμοί για τους Αλογονάνθρακες. Ενέργειες για τον περιορισμό της Καταστροφής. 6
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος(1/10) Η σημασία του όζοντος. Το όζον (Ο3) αποτελεί μία αλλοτροπική μορφή του οξυγόνου, καθώς συγκροτείται από συγκροτείται από τρία άτομα οξυγόνου συνδεδεμένα σε μορφή ισόπλευρου τριγώνου. 7
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος(2/10) Το όνομα του όζοντος προήλθε από την ελληνική λέξη «όζω» (μυρίζω άσχημα). Λόγω της ασταθούς δομής του αποτελεί ένα από τα πλέον οξειδωτικά στοιχεία, ενώ η παρουσία του προκαλεί ερεθισμό στα μάτια και τους βλεννογόνους, καθώς και σοβαρές διαταραχές στην αναπνοή. 8
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος(3/10) Η ωριαία συγκέντρωση του όζοντος στην ατμόσφαιρα που ενεργοποιεί τους μηχανισμούς προειδοποίησης ισούται με 180 μg/m 3. 9
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος(4/10) Σχήμα 1. Απλοποιημένη απεικόνιση της δομής μορίου του όζοντος, wikipedia. 10
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος(5/10) 360 μg/m 3 : Συγκέντρωση του όζοντος στην ατμόσφαιρα για την οποία ενεργοποιείται λήψη μέτρων πρώτου βαθμού. 0,12μg/m 3 : Μέγιστη συγκέντρωση εισπνοής όζοντος η οποία θεωρείται ότι δεν προκαλεί προβλήματα στην ανθρώπινη υγεία. 11
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος(6/10) Το όζον αποτελεί το μόνο συστατικό της ατμόσφαιρας που εμφανίζεται σε αποτελεσματική ποσότητα και πάχος ώστε να λειτουργεί αποτελεσματικά ως φίλτρο της ηλιακής υπεριώδους ακτινοβολίας. 12
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος(7/10) Η αφθονία του όζοντος καθορίζεται από την επίδραση των φωτοχημικών διεργασιών που το παράγουν και το καταστρέφουν, όπως και από την ατμοσφαιρική μεταφορά. Περίπου 330 εκατομμύρια τόνοι παράγονται και καταστρέφονται κάθε μέρα. 13
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος(8/10) Η συνεχιζόμενη απελευθέρωση βιομηχανικών αλογονανθράκων (χλωροφθοριωμένων κυρίως) προξένησε και προξενεί έντονη καταστροφή στη στοιβάδα του στρατοσφαιρικού όζοντος. 14
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος(9/10) Λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής πολλών εξ αυτών των αλαγονανθράκων η καταστροφή θα συνεχίζεται για πολλά χρόνια μετά από τη διακοπή της εκλύσεως αυτών των χημικών ενώσεων. 15
Το Φαινόμενο της Καταστροφής του Ατμοσφαιρικού Όζοντος (10/10) Η συλλογή δεδομένων σχετικά με την ποσότητα του όζοντος στην ανώτερη ατμόσφαιρα γίνεται με δύο τρόπους:. Με όργανα που είναι εγκατεστημένα σε επίγειους σταθμούς. Με όργανα που βρίσκονται σε δορυφορικούς σταθμούς. 16
Ενδεικτική κατανομή του όζοντος μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα Σχήμα 2. Ενδεικτική κατανομή του όζοντος μέσα στη γήινη ατμόσφαιρα, τροποποίηση από: Καλδέλης Κ.Ι. & Χαλβατζής Ι.Κ.: Περιβάλλον και Βιομηχανική Ανάπτυξη, 2005, Τόμος Ι., σελ.214, Εκδόσεις Α.Σταμούλη. 17
Το στρατοσφαιρικό όζον (1/10) Η απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας (200 300 nm του ηλιακού φάσματος) από το όζον αποτελεί την μεγαλύτερη πηγή θέρμανσης της στρατόσφαιρας, γεγονός που οδηγεί σε θετική τιμή ης θερμοβαθμίδας της και επομένως στη δυναμική της ευστάθεια. 18
Το στρατοσφαιρικό όζον (2/10) Περίπου το 90% του συνόλου του ατμοσφαιρικού όζοντος παρατηρείται μεταξύ 19 και 40 km. 19
Το στρατοσφαιρικό όζον (3/10) Η παραγωγή του όζοντος γίνεται στη στρατόσφαιρα πάνω από τη ζώνη του ισημερινού, όπου είναι η περιοχή που δέχεται την περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία, σε ύψος από 25 km - 40 km. 20
Το στρατοσφαιρικό όζον (4/10) Στη συνέχεια μεταφέρεται από τους ανέμους σε κάθετη και οριζόντια κατεύθυνση από τον ισημερινό έως τα μεσαία πλάτη και τους πόλους. Έτσι το στρώμα του όζοντος είναι λεπτότερο στον ισημερινό [μεγαλύτερο ύψος ης τροπόπαυσης (17-18 km)] και πιο παχύ στους πόλους (8-10 km το ύψος της τροπόπαυσης). 21
Το στρατοσφαιρικό όζον (5/10) Η δομή της ατμόσφαιρας στα όρια τροπόσφαιρας και στρατόσφαιρας. Εικόνα Δομή της Ατμόσφαιρας, Διαφ. 2 (Ανακτήθηκε 10 Νοεμβρίου, 2014). 22
Το στρατοσφαιρικό όζον (6/10) Έχει υπολογισθεί ότι υπό την πίεση μίας ατμόσφαιρας το μέσο πάχος του στρώματος του όζοντος δεν θα ξεπερνούσε τα 3 mm ως πλήρες κάλυμμα όλης της Γης. 23
Το στρατοσφαιρικό όζον (7/10) Η υπεριώδης ακτινοβολία βοηθά στη δημιουργία του όζοντος, αλλά συγχρόνως το διασπά και το καταστρέφει, με αποτέλεσμα τη μακροχρόνια ισορροπία τόσο της περιεκτικότητας όσο και του πάχους του στην στρατόσφαιρα. 24
Το στρατοσφαιρικό όζον (8/10) Ο σχηματισμός και η διάσπαση του όζοντος στα μεγάλα ύψη μετατρέπει τη μικρού μήκους κύματος ηλιακή ακτινοβολία σε θερμότητα, η οποία παραμένει αποθηκευμένη στη στρατόσφαιρα. 25
Το στρατοσφαιρικό όζον (9/10) Σε αντίθεση με το στρατογραφικό όζον, το τροποσφαιρικό όζον (ως απόβλητο των ανθρώπινων δραστηριοτήτων) επικίνδυνο αέριο ρύπο για τον άνθρωπο, τα ζώα, τα φυτά και τις κατασκευές. 26
Το στρατοσφαιρικό όζον (10/10) Σχήμα 3. Μηχανισμός δημιουργίας όζοντος στην στρατόσφαιρα, τροποποίηση από: Καλδέλης Κ.Ι. & Χαλβατζής Ι.Κ.: Περιβάλλον και Βιομηχανική Ανάπτυξη, 2005, Τόμος Ι., σελ.218, Εκδόσεις Α.Σταμούλη. 27
Καταγραφή του Φαινομένου της Καταστροφής (1/6) Με τη χημική διεργασία της φωτόλυσης σχηματίζονται μέσα στη στρατόσφαιρα μία σειρά από ρίζες (NO, NO 2, H+, OH, Cl, Br, I, ClO, BrO και άλλες), οι οποίες επιταχύνουν τη διάσπαση του όζοντος μέσα από διάφορους καταλυτικούς μηχανισμούς. 28
Καταγραφή του Φαινομένου της Καταστροφής (2/6) 1987 και 1989: Για πρώτη φορά παρατηρήθηκε ραγδαία μείωση της στήλης του όζοντος πάνω από την Ανταρκτική (η μισή από τη στήλη είχε εξαφανισθεί σε έξι εβδομάδες!). Τα στοιχεία έδειξαν ότι η καταστροφή γινόταν σε περιορισμένο υψόμετρο, 12 και 22 km. Πάνω από το 95% του όζοντος είχε απομακρυνθεί. 29
Καταγραφή του Φαινομένου της Καταστροφής (3/6) 1992-1993: Παρατηρήθηκαν εξαιρετικά χαμηλές τιμές του όζοντος σχεδόν στο σύνολο του πλανήτη με την πιο έντονη τρύπα του όζοντος στην Ανταρκτική. 30
Καταγραφή του Φαινομένου της Καταστροφής (4/6) 1991: Έκρηξη του ηφαιστείου «Pinatubo» στις Φιλιππίνες: Προκάλεσε την αύξηση των συγκεντρώσεων των θειικών αιωρημάτων, τα οποία μέσω χημικών διεργασιών ενεργοποίησαν τα ανθρωπογενούς προέλευσης Cl και Br, με αποτέλεσμα την επιτάχυνση, εν μέρει, της αραίωσης του στρατοσφαιρικού όζοντος. 31
Καταγραφή του Φαινομένου της Καταστροφής (5/6) Παρά το γεγονός όμως ότι τα κατάλοιπα της τεράστιας αυτής ηφαιστειακής έκρηξης έπαψαν να υπάρχουν, η επιτάχυνση της αραίωσης του στρώματος του όζοντος συνέχισε να υφίσταται. 32
Καταγραφή του Φαινομένου της Καταστροφής (6/6) 1995: Καταγράφηκε μείωση της συγκέντρωσης του όζοντος μεγαλύτερης του 35% στη Σιβηρία. 1999: Η «τρύπα του όζοντος» πάνω από την Ανταρκτική καλύπτει 25 εκ. km 2, όταν το 1988 η περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης δεν ξεπερνούσε τα 5 εκ. km 2. 33
Μείωση του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Ελλάδα (1/4) Οι ερευνητές συμφωνούν ότι το ολικό όζον πάνω από την Ελλάδα μειώνεται σε ετήσιο ρυθμό κατά περίπου 0.4%, τιμή που παρατηρείται σε ολόκληρη τη Μεσόγειο. 34
Μείωση του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Ελλάδα (2/4) Η μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος στην Ελλάδα δεν οφείλεται τόσο στα φαινόμενα χημικών διεργασιών όσο κυρίως στα φαινόμενα μεταφοράς αέριων μαζών, φτωχών σε όζον από τα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη της υδρογείου. 35
Μείωση του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Ελλάδα (3/4) Η παρατηρούμενη μείωση εμφανίζεται ισχυρότερη τη χειμερινή περίοδο (αγγίζει το 11% ανά δεκαετία) και ασθενέστερη τη θερινή περίοδο (2% ανά δεκαετία). 1993: Καταγράφεται η σοβαρότερη μείωση του στρώματος του όζοντος στις περιοχές της εύκρατης ζώνης του Β. ημισφαιρίου, συμπεριλαμβανομένης και της Ελλάδας. 36
Μείωση του Στρατοσφαιρικού Όζοντος στην Ελλάδα (4/4) Μέσα από τα διαθέσιμα στοιχεία επιβεβαιώνεται η θεωρητική πρόβλεψη ότι η μείωση είναι μεγαλύτερη στη βόρεια Ελλάδα από ότι στη Κεντρική και Νότια. 37
Αεροσκάφη και Καταστροφή του Όζοντος (1/3) Ερευνητές έχουν φθάσει στο συμπέρασμα, βάσει στοιχείων μιας περίπου δεκαετίας, ότι η επίδραση των εκπομπών ΝΟx από τα υπερηχητικά αεροπλάνα στο στρατοσφαιρικό όζον είναι καταστροφική και συμβάλλουν στη μείωση αυτού του στρώματος. 38
Αεροσκάφη και Καταστροφή του Όζοντος (2/3) Προτείνουν τον περιορισμό και στη συνέχεια την αναστολή κατασκευής αεροπλάνων μεγάλου ύψους πτήσεων. Αντιθέτως η NASA έχει θέσει ως στόχο τη μείωση των εκπομπών οξειδίων του αζώτου κατά 10%. 39
Αεροσκάφη και Καταστροφή του Όζοντος (3/3) Είναι σημαντικό επομένως οι μελετητές του στρατοσφαιρικού όζοντος να εισάγουν ως πρόσθετη παράμετρο, εκτός των χλωροθφορανθράκων (CFC), και την επίδραση των υπερηχητικών αεροσκαφών. Ο ρυθμός της σημερινής μείωσης του όζοντος είναι 4-5% ανά δεκαετία στα μέσα γεωγραφικά πλάτη και στα δύο ημισφαίρια, με ταχύτερους ρυθμούς κατά την περίοδο χειμώνα-καλοκαίρι. 40
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (1/10) Η καταστροφή του όζοντος οφείλεται κυρίως στις ελεύθερες ρίζες χλωρίου και βρωμίου στην στρατόσφαιρα, βάσει των φωτοχημικών αντιδράσεων με τη βοήθεια της Ultra Violet (UV) και των αποθεματικών αερίων (HCl, ClNO3 για το Cl): 41
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (2/10) C12 δίνει 2C1-. Br2 δίνει 2Br-. 42
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (3/10) 43
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (4/10) Οι μεγάλες εκρήξεις ηφαιστείων παράγουν μεγάλες ποσότητες αποθεματικών αερίων, αλογόνα (για παράδειγμα Cl, Br, I) που μετατρέπονται σε ελεύθερες ρίζες. 44
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (5/10) Οι οργανικοί αλογονάνθρακες (CFC = χλωροθφοράνθρακες) μεταφέρονται ευκολότερα στην ατμόσφαιρα και συμβάλλουν στην άμεση παραγωγή ριζών. Η συνεχιζόμενη παραγωγή CFC δημιουργεί μεγάλες ποσότητες αποθεματικών αερίων. 45
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (6/10) Το κυριότερο απόθεμα για το φθόριο είναι το υδροφθόριο (HF), το οποίο δεν υπήρχε στη στρατόσφαιρα πριν τη μαζική παραγωγή CFC. Έχει υπολογισθεί ότι ένα άτομο χλωρίου μπορεί να καταστρέψει έως και 100.000 άτομα όζοντος πριν αδρανοποιηθεί πλήρως. 46
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (7/10) Η φυσική παρουσία του Cl και Br στη στρατόσφαιρα από δύο αλογονάνθρακες: CH 3 Cl. CH 3 Br. Αυτοί οι δύο αλογονάνθρακες παράγονται πλέον και βιομηχανικά, δεν αποτελούν όμως παρά μόλις το 10% της φυσικής παραγωγής. 47
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (8/10) 1900: Παραγωγή σημαντικού αριθμού βιομηχανικών αλαγονανθράκων (CFC, χλωροφόρμιο κ.α.), τα οποία σταδιακά αποτέλεσαν δυστυχώς συστατικά της ατμόσφαιρας. 48
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (9/10) 1960-1985: Περίπου 20.000.000 τόνοι αλογονομένων υδρογονανθράκων ελευθερώθηκαν στην ατμόσφαιρα, από όπου απομακρύνονται με πολύ χαμηλούς ρυθμούς. Από όπου απομακρύνονται με πολύ χαμηλούς ρυθμούς. Έχει υπολογισθεί ότι περίπου το 1/5 θα παραμείνει στην ατμόσφαιρα έως το τέλος του επόμενου αιώνα (2100 μ.χ.). 49
Πηγές Στρατοσφαιρικού Χλωρίου και Βρωμίου (10/10) Έχει διεθνώς συμφωνηθεί να μηδενισθεί η παραγωγή αυτών των ουσιών έως τα τέλη της επόμενης 10ετίας. Παρά ταύτα η παραγωγή έχει φθάσει τους 12.000.000 τόνους. 50
Παραγωγή CFC σε παγκόσμιο επίπεδο Τα CFC-11 και CFC-12 εισήχθησαν αρχικά στα ψυκτικά μηχανήματα, αντικαθιστώντας επικίνδυνες ουσίες και προωθητικά αεροζόλ. 5.000 περίπου εφαρμογές. 30 δισ. Ευρώ ο σχετικός παγκόσμιος κύκλος εργασιών. > 25% χρησιμοποιείται στην παραγωγή αφρωδών πλαστικών. 51
Πλανητική παραγωγή επικίνδυνων οργανικών ενώσεων Σχήμα 4. Πλανητική παραγωγή επικίνδυνων οργανικών ενώσεων, τροποποίηση από: Καλδέλης Κ.Ι. & Χαλβατζής Ι.Κ.: Περιβάλλον και Βιομηχανική Ανάπτυξη, 2005, Τόμος Ι., σελ.226, Εκδόσεις Α.Σταμούλη. 52
Επιπτώσεις από τις Μεταβολές στη Συγκέντρωση του Όζοντος (1/2) Αύξηση της UV: Μείωση κατά 1% του όζοντος: αύξηση κατά 1,3% της UV-β. Μεταβολή της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας. 53
Επιπτώσεις από τις Μεταβολές στη Συγκέντρωση του Όζοντος (2/2) Έμμεσες συνέπειες στο φυσικό κόσμο και στον άνθρωπο. Μείωση ή και καταστροφή ορισμένων καλλιεργειών. Εξαφάνιση θαλάσσιων οργανισμών. Πρόκληση ζημιών στην κτηνοτροφία. 54
Ενέργειες για τον περιορισμό της Καταστροφής του Όζοντος (1/2) Παρά τη διαφαινόμενη παγκόσμια μικρή μείωση της παραγωγής CFC τα αποθηκευμένα μέσα στα ψυκτικά και κλιματιστικά μηχανήματα, αλλά και στα προωθητικά συνεχίζουν να απελευθερώνονται στη ατμόσφαιρα και να φθάνουν στην τροπόσφαιρα μετά από ένα σημαντικό χρονικό διάστημα. 55
Ενέργειες για τον περιορισμό της Καταστροφής του Όζοντος (2/2) Ένα από τα βασικότερα εμπόδια για τη συστηματική αντικατάσταση των CFC είναι το ιδιαίτερα υψηλό κόστος παραγωγής των υποκατάστατών τους. 56
Σχετική Δραστικότητα αερίων που καταστρέφουν το Όζον Πίνακας 1. Σχετική δραστικότητα αερίων που καταστρέφουν το όζον, τροποποίηση από: Καλδέλης Κ.Ι. & Χαλβατζής Ι.Κ.: Περιβάλλον και Βιομηχανική Ανάπτυξη, 2005, Τόμος Ι., σελ.232, Εκδόσεις Α.Σταμούλη. 57
Ενέργειες διατήρησης στοιβάδας στρατοσφαιρικού όζοντος Περιορισμός των αναγκών σε ψύξη θέρμανση με καλύτερη θερμική μόνωση στις κατασκευές. Μείωση των διαρροών CFC στο περιβάλλον. Αποφυγή χρήσης επικίνδυνων για το περιβάλλον προωθητικών. Αγορά οικολογικών ψυκτικών συσκευών. Χρήση αεροπορικών κινητήρων χαμηλών εκπομπών οξειδίων του αζώτου. 58
Πρόβλεψη διαχρονικής εξέλιξης παραγωγής CFC Σχήμα 5. Πρόβλεψη διαχρονικής εξέλιξης παραγωγής CFC, τροποποίηση από: Καλδέλης Κ.Ι. & Χαλβατζής Ι.Κ.: Περιβάλλον και Βιομηχανική Ανάπτυξη, 2005, Τόμος Ι., σελ.227, Εκδόσεις Α.Σταμούλη. 59
Βιβλιογραφία 1. Καλδέλης Κ.Ι. & Χαλβατζής Ι.Κ.: Περιβάλλον και Βιομηχανική Ανάπτυξη, Τόμος Ι., Εκδόσεις Α. Σταμούλη. 60
Τέλος Ενότητας