kunstbus

Ben jij de slimste mens? Test je kennisniveau op YaGooBle.com.
Dit artikel is 06 02 2018 13:55 voor het laatst bewerkt.

ozon

(Hoge) ozon (O3) in de stratosfeer is noodzakelijk voor onze gezondheid omdat ozon het leven tegen schadelijke UV-straling van de zon beschermt, terwijl (lage) ozon in de troposfeer juist erg schadelijk is. Bij mensen en dieren tast ozon onder andere het longweefsel aan. Bij planten beschadigt ozon de bladeren en remt het de groei.

De vorming van ozon vindt plaats doordat zeer energierijke ultraviolette straling (korte golflengten) zuurstofmoleculen O2 splitst in zuurstofatomen O. Deze kunnen vervolgens met andere zuurstofmoleculen reageren tot ozonmoleculen O3. Stikstof werkt hierbij als katalysator. De natuurlijke afbraak van ozon (naar 2O2) gaat op dergelijke wijze. Behalve deze reacties vinden in de stratosfeer veel meer reacties met ozon plaats. Hierbij zijn waterdamp, stikstofoxiden en methaan betrokken.

Lage ozon (troposfeer)
De troposfeer wordt sterk beïnvloed door de mens. Door industriële activiteiten en de verbranding van fossiele brandstoffen worden vele miljoenen tonnen gas en stofdeeltjes in de atmosfeer gebracht. Het verbazingwekkende is dat de atmosfeer tot nu toe dergelijke hoeveelheden kan absorberen zonder dat er al te veel permanente veranderingen te merken zijn. Toch treden er wel degelijk veranderingen op in de hedendaagse atmosfeer als gevolg van dit menselijk handelen. Er is sprake van luchtvervuiling, wat vooral rond industriegebieden en steden met veel verkeer merkbaar is.

Het verkeer en de (chemische) industrie stoten allerlei gassen uit, zoals koolwaterstoffen, koolstofmonoöxide (CO) en stikstofoxiden (NOx). Onder invloed van zonlicht gaan deze stoffen chemische reacties aan, waardoor onder andere ozon ontstaat.

Smog
De concentratie van een luchtverontreinigende stof kan gedurende een korte tijd verhoogd zijn (piekconcentratie). Dit kan bijvoorbeeld voorkomen tijdens een smogperiode, waarbij de ozonconcentratie flink verhoogd is. Smog is vettige mist die onder andere ozon, zwaveldioxide (SO2) en roet bevat. Ozon is de meest reactieve en giftige component van smog. Direct of korte tijd na een periode met verhoogde concentratie kunnen in de bevolking acute gezondheidseffecten optreden. De meest typische klachten van acute blootstelling aan ozon zijn irritatie van de luchtwegen en de ogen. Ook kan men last krijgen van duizeligheid, misselijkheid of hoofdpijn, hoesten en benauwdheid, verergering van luchtwegklachten en hart- en vaatziekten door moeilijkere ademhaling, meer astma-aanvallen, ziekenhuisopnames en een hoger medicijngebruik. Ook de longfunctie kan hierdoor afnemen. De klachten verdwijnen meestal weer zodra de concentratie van de stoffen in de lucht weer daalt. Acute effecten komen vooral voor bij mensen in risico-groepen. De klachten nemen toe als de hoeveelheid ozon en de duur van de blootstelling toenemen. Naar schatting is bij meer dan 10% van de kinderen in de leeftijd van 7 tot 12 jaar (ofwel 230.000 kinderen) de longfunctie op tenminste één dag in de zomer tijdelijk verminderd door smog (RIVM, 1997). Daarnaast kan smog het aantal sterfgevallen verhogen. Op dit moment is nog onduidelijk of ozon de longen en de slijmvliezen blijvend kan beschadigen.

In zowel dieselmotoren als benzinemotoren komen bij de verbranding stikstofoxiden vrij als er stikstof (N2) aanwezig is. Wat er tijdens de verbranding onder hoge temperatuur met N2 gebeurt, ziet er in reactievergelijking als volgt uit: N2(g) + O2(g) → 2NO(g). Deze reactie treedt bij normale temperaturen niet op vanwege de sterke binding tussen de zuurstofatomen (O2) en de stikstofatomen (N2) onderling.

Vooral de uitlaatgassen van slecht afgestelde automotoren bevatten koolstofmonoöxide (CO) en stikstofoxiden (NOx). Sinds 1993 zijn daarom alle nieuwe benzineauto’s uitgerust met een katalysator die ervoor zorgt dat deze in de uitlaatgassen weer worden omgezet in stikstof (N2) en koolstofdioxide (CO2):
2NO(g) + 2CO(g) → N2(g) + 2CO2(g) en: 2NO(g) + 4CO(g) → N2(g) + 4CO2(g)
Helaas lukt het niet om alle NOx in N2 om te zetten en komt er alsnog een heleboel NOx in de lucht terecht. Het gevolg daarvan is dat ozon (O3) kan worden gevormd. Dit gebeurt als volgt: Stikstofmonoöxide die laag in de troposfeer blijft (tot 12 km hoogte), wordt onmiddellijk geoxideerd (d.w.z. reageert met zuurstof) tot stikstofdioxide: 2NO(g) + O2 → 2NO2(g).
Onder invloed van zonlicht treden chemische reacties op van zuurstof met stikstofdioxide waardoor onder andere ozon ontstaat. Dit gebeurt in twee stappen:
1 Door de absorptie van elektromagnetische straling (zie aerosolen) valt een stikstofdioxidemolecuul uiteen in een stikstofmonoöxidemolecuul en een los zuurstofatoom: NO2(g) + h.f(=E) → NO(g) + O(g)
2 Het zeer reactieve zuurstofatoom reageert met een zuurstofmolecuul tot een ozonmolecuul: O(g) + O(g) → O3(g)

Hoge ozon (stratosfeer)
 Hier wordt nader ingegaan op de aantasting van de hoge ozonlaag door stikstofoxiden (NOx) en chloorfluorkoolwaterstoffen, kortweg CFK’s.

De ozonlaag
In de eerste jaren van het decennium verschenen in het nieuws regelmatig berichten over de aantasting van de ozonlaag. Er werd gesproken over het ‘gat’ in de ozonlaag boven Antarctica. Beelden van de OMI-satelliet lieten dit ozongat boven Antarctica duidelijk zien. Uit onderzoek bleek het gat in de ozonlaag in de lente (op het betreffende halfrond) het grootst te zijn. Voor ieder jaar tussen 1997 en 2006 is er een piek in het ozonverlies rond oktober te zien. Dit is de periode waarin op het zuidelijk halfrond de lente begint. Waarom is het ozonverlies het grootst in de lente?

CFK's
Gassen die nu een heel belangrijke rol spelen bij de extra ozonafbraak in de stratosfeer zijn de chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK’s). CFK’s werden in de 20ste eeuw toegepast als drijfgas in spuitbussen (bijv. deodorant), als vulgas in schuimrubber en piepschuim en als koelvloeistof in koelkasten, vriezers en airco’s.
CFK’s worden gerekend tot de inerte gassen, dat betekent dat ze ‘nergens’ mee reageren, niet oplossen in water en een gunstig kookpunt hebben. Omdat ze zo inert zijn is de levensduur van CFK’s in de atmosfeer erg lang. Er komen in de troposfeer vrijwel geen processen voor die leiden tot afbraak van CFK’s. Een gemiddelde levensduur van 100 tot 200 jaar voor CFK’s is geen uitzondering.
Als CFK’s eenmaal in de atmosfeer terecht zijn gekomen, bewegen ze zeer snel door de troposfeer. In 1 à 2 weken tijd worden de CFK’s van het aardoppervlak naar de tropopauze getransporteerd. Het transport vanaf de tropopauze naar de ozonlaag verloopt een stuk trager. Dit komt door de stabiele opbouw van de stratosfeer. Daarom kan het 10 tot 15 jaar duren voordat de CFK’s de ozonlaag bereiken en hun afbrekende werk gaan verrichten.

Hoe verloopt de afbraak van ozon door CFK's? Eerst moeten de CFK’s gedissocieerd (een proces waarbij een groter deeltje in twee of meer kleinere uit elkaar valt) worden. Dit gebeurt onder invloed van UV-straling. Als er dissociatie plaatsvindt, ontstaan er chlooratomen die kunnen optreden als katalysator bij de afbraak van ozon. Losse chlooratomen zijn zeer reactieve deeltjes. Ze worden ook wel radicalen genoemd. Een veel gebruikt CFK was freon-12: CF2Cl2.
Een model voor het proces van dissociatie en ozonafbraak onder invloed van CFK’s, met freon-12 als voorbeeld, gaat als volgt:
Eerst de reactie waarbij het CF2Cl2 onder invloed van UV-straling wordt gedissocieerd en er een chloorradicaal beschikbaar komt: CF2Cl2 + h.f(=E) → CF2Cl + CL.
Dan wordt een ozonmolecuul daadwerkelijk afgebroken door de binding van het chloorradicaal met één van de zuurstofatomen van het ozonmolecuul: CL + O3 → CLO + O2.
Vervolgens komt het zuurstofatoom weer los van het chloorradicaal en bindt het zich aan een van de zuurstofatomen van een ozonmolecuul. Hierbij worden twee zuurstofmoleculen gevormd: CLO + O3 → CL + 2O2.

Het proces rond de ozonafbraak is zo desastreus omdat een chloorradicaal steeds weer actief terugkeert in het proces: zie de laatste stap in het bovenstaande proces. Hierdoor kan één chloorradicaal ongeveer 1000 ozonmoleculen vernietigen, voordat het via andere chemische reacties verwijderd wordt. Welke gevolgen de ozonafbraak in de praktijk had, werd pas in de jaren '90 duidelijk. Lange tijd ontkende de CFK-producerende en -verwerkende industrie de problemen, zodat het tot de 80-er jaren duurde voordat de eerste overheden maatregelen troffen. In de VS en Canada werden CFK-houdende spuitbussen het eerst verboden, later volgde Europa. Begin jaren 90 kwamen er ook alternatieven op de markt voor de koelvloeistoffen in koelkasten, vriezers en airco’s. Inmiddels zijn vrijwel alle producten CFK-vrij. Maar een goede verwerking van afgedankte apparatuur en producten waar nog wel CFK’s in verwerkt waren, is van groot belang. Als er geen afdoende recyclingtechnieken voor deze producten gehanteerd worden, blijven de CFK’s naar de atmosfeer verdwijnen en zullen de gevolgen nog lang merkbaar blijven. Gezien de lange levensduur van de CFK’s zal het, vanwege de reeds aanwezige gassen, zeker nog de hele 21e eeuw duren voordat de aantasting van de ozonlaag stopt en het herstel kan beginnen.

stikstofmonoöxide
Een ander gas dat als katalysator optreedt bij de afbraak van ozon in de hoge atmosfeer is stikstofmonoöxide (NO). Dit komt vrij bij de hoge verbrandingstemperaturen in motoren van auto’s. Komt de stikstofmonoöxide in de hoge atmosfeer terecht, dan treedt dit op als katalysator bij de afbraak van ozon. Dit gaat chemisch gezien als volgt: NO(g) + O3 → NO2(g) + O2(g)
Ozonmoleculen reageren met het gevormde stikstofdioxide (NO2) waarbij weer stikstofmonoöxide en zuurstofmoleculen vrijkomen. Dit ziet er in reactievergelijking als volgt uit: NO2(g) + O3 → NO(g) + 2O2(g)
De stikstofmonoöxide werkt duidelijk als katalysator: het verdwijnt niet, maar wordt steeds weer opnieuw gevormd, terwijl ozon wordt afgebroken tot zuurstofmoleculen. Netto beschouwd vindt de volgende reactie plaats: 2O3(g) → 3O2(g)

Dat de afbraak van ozon juist het grootst is rond de poolgebieden en juist in de lente heeft met drie zaken te maken:
1 de extreme koude gedurende en kort na het winterseizoen,
2 de hoeveelheid licht die dan weer beschikbaar is na de poolnacht en
3 de geringe aanvoer van ozon vanuit de gematigde breedten.

De temperatuur boven Antarctica is in de winter en in het vroege voorjaar op ongeveer 20 km hoogte -85 °C en lager. Bij deze zeer lage temperaturen kunnen op deze hoogte wolken ontstaan. In de gevormde bewolking bevinden zich door de zeer lage temperaturen ijskristallen. Bij de afbraak van CFK’s komen twee chloorverbindingen in de stratosfeer terecht: zoutzuurgas (HCl(g)) en chloornitraat (ClONO2). Beide stoffen reageren zelf niet met ozon maar vormen het uitgangsmateriaal voor de chlooratomen die wél ozon afbreken. Dit gaat als volgt: HCl (g) en ClONO2 worden ingevangen door de ijskristallen die zich in de polaire winter in de stratosfeer bevinden. Hier reageren HCl(g) en ClONO2 met elkaar:
HCl (g) + ClONO2 → HNO3 + CL2(g)
Het salpeterzuur (HNO3) vriest vast op het ijsdeeltje en het gevormde chloorgas ontsnapt in de stratosfeer. Het chloorgas wordt vervolgens door het zonlicht gesplitst in twee chloorradicalen:
CL2(g) + h.f → 2CL
Net zoals in de eerder beschreven reacties vindt nu afbraak van ozon plaats onder invloed van de vrije chlooratomen.

Als de temperatuur stijgt in het late voorjaar en de zomer, zijn er geen ijsdeeltjes meer om de HCl(g) en ClONO2 in te vangen, en ontstaan er dus geen vrije chloorradicalen meer.

In de Antarctische winter is er geen UV-straling beschikbaar om de CFK-moleculen te splitsen: het is immers donker (poolnacht). Er ontstaat dan ook weinig zoutzuurgas en chloornitraat. Zodra in september de Antarctische lente aanbreekt, komt er zonlicht ter beschikking waardoor de afbraak van ozon op gang komt volgens de hierboven beschreven reeks reacties. Bij het begin van de lente is het nog zo koud dat de stikstofverbindingen vastvriezen aan de ijskristallen. In oktober loopt de temperatuur weer hoog genoeg op om de ijskristallen te laten verdwijnen.

Boven Antarctica is het in de winter en het vroege voorjaar zo koud dat er geen lucht met verse ozon van de gematigde breedten kan toestromen om het ozontekort aan te vullen. Er ontstaat door de extreme koude een min of meer afgesloten vat van koude lucht boven Antarctica. Eind oktober warmt de lucht boven Antarctica voldoende op om het transport van lucht van de gematigde breedten weer op gang te brengen zodat er verse aanvoer van ozon kan plaatsvinden. Het gat in de ozonlaag wordt dan ‘gedicht’.

Rond half september wordt boven Antarctica aan de drie genoemde voorwaarden voldaan zodat per dag 2-3% van het aanwezige ozon wordt afgebroken. Rond half oktober is ongeveer 60% van alle ozon boven Antarctica afgebroken. Op dit moment is de temperatuur in de stratosfeer 10°C lager dan in de jaren 60, toen er nog geen sprake was van een ozongat. Deze temperatuurdaling wordt veroorzaakt door het ozongat zelf.

Doordat er minder ozon aanwezig is, wordt er minder UV-straling geabsorbeerd, waardoor de stratosfeer minder opgewarmd kan worden en de temperatuur hier lager blijft. Dit is een zichzelf versterkend proces waardoor het ozongat langer blijft bestaan.

Boven de Noordpool doet zich hetzelfde voor, echter in mindere mate omdat het hier minder koud is. Daarnaast is er meer uitwisseling van ozon met de gematigde breedten door luchtstromingen.

Gelukkig is de ozonlaag zich aan het herstellen. De verwachting is dat door de genomen maatregelen tegen het gebruik van CFK’s en door de verminderde uitstoot van stikstofoxiden de ozonlaag zich in de loop van de 21e eeuw zal gaan herstellen.

Creative Commons bronnen:
http://betavak-nlt.nl/dmedia/media/site-files/01304/fadbc/50160/79a17/de847/Aerosolen_leerlingenbestand_1.4.pdf - Aerosolen en Vuile Lucht (SLO)


Test je competentie op YaGooBle.com.

Pageviews vandaag: 103.