🌍

Ατμοσφαιρική Ρύπανση – Θερμοκήπιο – Όζον

Φωτοχημικό νέφος, τρύπα του όζοντος, κλιματική αλλαγή

Πώς γίνεται το ίδιο αέριο να είναι «καλό» ψηλά και «κακό» στον δρόμο σου;

Το όζον $O_3$ στα $20$ – $30\ km$ πάνω από το κεφάλι σου είναι ασπίδα: απορροφά την επικίνδυνη υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου. Το ίδιο αέριο στο επίπεδο του δρόμου, σε μια ζεστή μέρα στην Αθήνα, ερεθίζει τα μάτια και τους πνεύμονες. Εδώ μαθαίνεις πώς σχηματίζονται και πώς καταστρέφονται οι ρύποι της ατμόσφαιρας — από το νέφος μέχρι το θερμοκήπιο.

Ατμοσφαιρική ρύπανση

Ο καθαρός αέρας αποτελείται κυρίως από άζωτο ( $\approx 78\%\ v/v$ ), οξυγόνο ( $\approx 21\%$ ), ευγενή αέρια ( $\approx 0{,}9\%$ ) και λίγο $CO_2$ ( $\approx 0{,}03-0{,}04\%$ ). Ατμοσφαιρική ρύπανση είναι η αλλοίωση αυτής της σύστασης (ποιοτική ή ποσοτική), που μπορεί να έχει βλαβερές επιπτώσεις στην υγεία, στους οργανισμούς και στο υλικό και πολιτισμικό περιβάλλον.

Πρωτογενείς ρυπαντές: εκπέμπονται απευθείας από τις καύσεις — αιωρούμενα σωματίδια, $NO$ , $SO_2$ , $CO$ , άκαυστοι υδρογονάνθρακες.
Δευτερογενείς ρυπαντές: σχηματίζονται από τους πρωτογενείς στην ατμόσφαιρα με την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας — όζον ( $O_3$ ), αλδεΰδες, τα τοξικά PAN's (νιτρικά υπεροξυακετύλια).

Τα οξείδια του αζώτου και το $SO_2$ προκαλούν επίσης όξινη βροχή.

Φωτοχημική ρύπανση («νέφος»)

Προέρχεται κυρίως από τα καυσαέρια των αυτοκινήτων. Το $NO_2$ ερεθίζει τα μάτια και το αναπνευστικό και διασπάται με το ηλιακό φως. Το ελεύθερο άτομο O σχηματίζει όζον:

$NO_2 \xrightarrow{h\nu} NO + O \qquad O + O_2 \rightarrow O_3$

Το όζον της τροπόσφαιρας (έως $\approx 10\ km$ ) είναι το κύριο συστατικό της φωτοχημικής ρύπανσης: προκαλεί ισχυρούς ερεθισμούς στο αναπνευστικό και στα μάτια. Ευνοείται από υψηλές συγκεντρώσεις $NO_x$ και πτητικών οργανικών ενώσεων, έντονη ηλιοφάνεια και υψηλή θερμοκρασία — γι' αυτό η Μεσόγειος και ιδιαίτερα η Αθήνα είναι «πόλη-μοντέλο» φωτοχημικής ρύπανσης. Μέτρα: καταλυτικοί μετατροπείς, λιγότερη κυκλοφορία, δημόσιες συγκοινωνίες, έλεγχος εκπομπών (κάρτα καυσαερίων).

Όζον – η τρύπα του όζοντος

Στη στρατόσφαιρα (περίπου $20-30\ km$ ) το όζον είναι ευεργετικό: απορροφά την επικίνδυνη υπεριώδη ακτινοβολία (ιδιαίτερα UV-B), που προκαλεί καρκίνους του δέρματος, βλάβες στα μάτια και στο ανοσοποιητικό και ζημιές σε οικοσυστήματα και γεωργία.

Οι χλωροφθοράνθρακες (CFCs), π.χ. $CF_2Cl_2$ (freon-12) και $CFCl_3$ (freon-11), είναι μη τοξικοί, μη εύφλεκτοι, χημικά αδρανείς και φθηνοί — γι' αυτό χρησιμοποιήθηκαν σε ψυγεία, κλιματιστικά, αεροζόλ και διογκωμένα πλαστικά. Επειδή είναι αδρανείς, ζουν 55–140 χρόνια και φτάνουν στη στρατόσφαιρα, όπου η UV τους διασπά και ελευθερώνει ρίζες χλωρίου $Cl\cdot$ . Αυτές καταστρέφουν το όζον σε κύκλο, αναγεννώντας συνεχώς το $Cl\cdot$ — μία μόνο ρίζα καταστρέφει περίπου 1.000.000 μόρια $O_3$ .

Αντικαθίστανται σταδιακά από υδροφθοράνθρακες (HFCs) και υδρογονάνθρακες (π.χ. ψυγεία με προπάνιο–βουτάνιο).

Κόλπο μνήμης

«Ψηλά καλό, χαμηλά κακό»: στη στρατόσφαιρα το όζον μάς προστατεύει (και το καταστρέφουν τα CFCs), στην τροπόσφαιρα μάς βλάπτει (και το φτιάχνουν τα $NO_x$ με τον ήλιο). Και μην το μπερδεύεις με το θερμοκήπιο: η τρύπα αφορά την UV, το θερμοκήπιο τη θερμότητα.

$Cl\cdot + O_3 \rightarrow ClO\cdot + O_2 \qquad ClO\cdot + O\cdot \rightarrow Cl\cdot + O_2 \qquad \text{Συνολικά: } O_3 + O\cdot \rightarrow 2O_2$

Ήξερες ότι;

Το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ (1987) απαγόρευσε σταδιακά τα CFCs και θεωρείται από τις πιο πετυχημένες διεθνείς περιβαλλοντικές συμφωνίες. Σύμφωνα με την επιστημονική αξιολόγηση του ΟΗΕ του 2023, το στρώμα του όζοντος πάνω από την Ανταρκτική αναμένεται να επανέλθει στα επίπεδα του 1980 γύρω στο 2066.

Φαινόμενο του θερμοκηπίου

Αέρια της ατμόσφαιρας — υδρατμοί, $CO_2$ , $CH_4$ , οξείδια του αζώτου, CFCs, όζον — είναι διαφανή στην εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία, αλλά απορροφούν μέρος της θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπει η Γη και την επιστρέφουν, θερμαίνοντας το σύστημα Γη–κατώτερη ατμόσφαιρα (όπως το γυαλί ενός θερμοκηπίου).

Το φυσικό φαινόμενο είναι ευεργετικό: χωρίς αυτό η μέση θερμοκρασία της Γης θα ήταν αρκετές δεκάδες βαθμούς χαμηλότερη. Οι ανθρώπινες εκπομπές όμως το ενισχύουν. Συμμετοχή (κατά το βιβλίο): $CO_2$ περίπου $50\%$ (καύσεις ορυκτών καυσίμων, αποψίλωση δασών), $CH_4$ $18\%$ ( $1\ kg$ $CH_4$ απορροφά περίπου 70 φορές περισσότερη ενέργεια από $1\ kg$ $CO_2$ ), CFCs $14-16\%$ , όζον $12\%$ , οξείδια του αζώτου $8\%$ .

Συνέπειες της υπερθέρμανσης: λιώσιμο πάγων και άνοδος της στάθμης της θάλασσας, ξηρασίες και πλημμύρες, μείωση αποθεμάτων νερού, υφαλμύρωση υπόγειων υδροφορέων, μετακινήσεις πληθυσμών. Μέτρα: ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, βιοκαύσιμα, εξοικονόμηση ενέργειας, προστασία δασών. Ανάλογη ευθύνη έχουμε και για τα πλαστικά, που ρυπαίνουν ως μικροπλαστικά τα θαλάσσια οικοσυστήματα — μείωση χρήσης, επαναχρησιμοποίηση, ανακύκλωση.

Άσκηση: Να χαρακτηριστούν ως πρωτογενείς ή δευτερογενείς ρυπαντές: $CO$ , $O_3$ (τροπόσφαιρας), $SO_2$ , PAN's, $NO$ , αλδεΰδες του νέφους.

Λύση:

Πρωτογενείς (εκπέμπονται απευθείας από καύσεις): $CO$ , $SO_2$ , $NO$ .
Δευτερογενείς (σχηματίζονται στην ατμόσφαιρα με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός): $O_3$ , PAN's, αλδεΰδες.

Κριτήριο: πού γεννιέται ο ρύπος — στην εξάτμιση/καμινάδα ή στην ατμόσφαιρα.

Άσκηση: Να δειχθεί ότι στον κύκλο καταστροφής του όζοντος το χλώριο δρα ως καταλύτης.

Λύση: Προσθέτουμε κατά μέλη τις δύο αντιδράσεις:

$Cl\cdot + O_3 + ClO\cdot + O\cdot \rightarrow ClO\cdot + O_2 + Cl\cdot + O_2$

Τα $Cl\cdot$ και $ClO\cdot$ εμφανίζονται και στα δύο μέλη και απαλείφονται: συνολικά $O_3 + O\cdot \rightarrow 2O_2$ . Το $Cl\cdot$ δεν καταναλώνεται — ξαναβγαίνει στο τέλος κάθε κύκλου και ξαναρχίζει. Γι' αυτό λίγα άτομα χλωρίου καταστρέφουν τεράστιο αριθμό μορίων όζοντος.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιος από τους παρακάτω είναι δευτερογενής ρυπαντής;

Γρήγορος έλεγχος

Οι CFCs προκαλούν την «τρύπα του όζοντος» επειδή:

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Ένα αυτοκίνητο καταναλώνει $5{,}7\ kg$ βενζίνης ανά $100\ km$ . Θεωρούμε ότι η βενζίνη είναι καθαρό οκτάνιο και καίγεται πλήρως.

Δεδομένα: $m = 5{,}7\ kg = 5700\ g$ , $M_r(C_8H_{18}) = 114$ .

Ζητούμενα: (α) η μάζα του $CO_2$ που εκπέμπεται ανά $100\ km$ , (β) ο όγκος του σε STP, (γ) τα γραμμάρια $CO_2$ ανά χιλιόμετρο.

Λύση:

$2C_8H_{18} + 25O_2 \rightarrow 16CO_2 + 18H_2O$

(α) $n_{C_8H_{18}} = \frac{5700}{114} = 50\ mol$ . Κάθε mol οκτανίου δίνει $8\ mol$ $CO_2$ : $n_{CO_2} = 400\ mol$ , $m = 400 \cdot 44 = 17600\ g = 17{,}6\ kg$ .

(β) $V = 400 \cdot 22{,}4 = 8960\ L \approx 9\ m^3$ .

(γ) $\frac{17600\ g}{100\ km} = 176\ g/km$ .

Απάντηση: (α) $17{,}6\ kg$ , (β) $8960\ L$ , (γ) $176\ g$ $CO_2$ ανά km — τριπλάσια μάζα από τη μάζα του καυσίμου, γιατί στο $CO_2$ προστίθεται το οξυγόνο του αέρα.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο αέριο ευθύνεται για το μεγαλύτερο μέρος της ενίσχυσης του φαινομένου του θερμοκηπίου;

Γρήγορος έλεγχος

Το «καλό», προστατευτικό όζον βρίσκεται:

Πρόκληση

πόσο όζον «φτιάχνει» μια πόλη. Τα αυτοκίνητα μιας πόλης εκπέμπουν σε μια ηλιόλουστη μέρα $4{,}6$ τόνους $NO_2$ . Θεώρησε ότι όλο διασπάται φωτοχημικά και ότι κάθε άτομο O σχηματίζει ένα μόριο όζοντος. (α) Γράψε τη συνολική αντίδραση. (β) Πόσοι τόνοι $O_3$ σχηματίζονται; ( $A_r$ : N = 14, O = 16)

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Προσθέτεις κατά μέλη τα δύο στάδια· το άτομο O σχηματίζεται και καταναλώνεται, οπότε φεύγει:

$NO_2 \xrightarrow{h\nu} NO + O \qquad O + O_2 \rightarrow O_3 \qquad \Rightarrow \qquad NO_2 + O_2 \rightarrow NO + O_3$

Έλεγχος: $N$ $1 = 1$ , $O$ $2 + 2 = 4 = 1 + 3$ ✓

(β) $m_{NO_2} = 4{,}6\ t = 4{,}6 \cdot 10^6\ g$ → $n = \frac{4{,}6 \cdot 10^6}{46} = 10^5\ mol$ . Αναλογία $NO_2 : O_3 = 1 : 1$ → $10^5\ mol$ $O_3$ ( $M_r = 48$ ) → $4{,}8 \cdot 10^6\ g = 4{,}8\ t$ .

Απάντηση: (α) $NO_2 + O_2 \rightarrow NO + O_3$ , (β) $4{,}8$ τόνοι όζοντος — μάζα μεγαλύτερη από το $NO_2$ που εκπέμφθηκε, γιατί κάθε μόριο «δανείζεται» οξυγόνο από τον αέρα.

Συνηθισμένα λάθη

Τρύπα του όζοντος = φαινόμενο του θερμοκηπίου. Είναι διαφορετικά προβλήματα: το πρώτο αφορά την UV (στρατόσφαιρα, CFCs), το δεύτερο τη θερμική ακτινοβολία (κυρίως $CO_2$ ).
Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι εξ ορισμού κακό. Το φυσικό φαινόμενο κρατά τη Γη κατοικήσιμη· πρόβλημα είναι η ενίσχυσή του.
Όζον = πάντα ρύπος. Στη στρατόσφαιρα προστατεύει· στην τροπόσφαιρα βλάπτει.
Οι CFCs είναι τοξικοί. Δεν είναι — η αδράνειά τους είναι ο λόγος που φτάνουν στη στρατόσφαιρα.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Πρωτογενείς ρυπαντές ( $CO$ , $NO$ , $SO_2$ , σωματίδια, υδρογονάνθρακες) $\rightarrow$ δευτερογενείς ( $O_3$ , PAN's, αλδεΰδες) με το ηλιακό φως.
Φωτοχημικό νέφος: $NO_2 \rightarrow NO + O$ , $O + O_2 \rightarrow O_3$ (τροπόσφαιρα).
Τρύπα του όζοντος: CFCs $\rightarrow Cl\cdot$ που καταστρέφει καταλυτικά το στρατοσφαιρικό $O_3$ (συνολικά $O_3 + O \rightarrow 2O_2$ ).
Θερμοκήπιο: $CO_2$ ( $\approx 50\%$ ), $CH_4$ , CFCs, $O_3$ , $NO_x$ ενισχύουν ένα φυσικά ευεργετικό φαινόμενο $\rightarrow$ κλιματική αλλαγή.

Ατμοσφαιρική ρύπανση

Ο καθαρός αέρας αποτελείται κυρίως από άζωτο (

\approx 78\%\ v/v

), οξυγόνο (

\approx 21\%

), ευγενή αέρια (

\approx 0{,}9\%

) και λίγο

CO_2

(

\approx 0{,}03-0{,}04\%

). Ατμοσφαιρική ρύπανση είναι η αλλοίωση αυτής της σύστασης (ποιοτική ή ποσοτική), που μπορεί να έχει βλαβερές επιπτώσεις στην υγεία, στους οργανισμούς και στο υλικό και πολιτισμικό περιβάλλον.

Πρωτογενείς ρυπαντές: εκπέμπονται απευθείας από τις καύσεις — αιωρούμενα σωματίδια,

NO

SO_2

CO

, άκαυστοι υδρογονάνθρακες.

Δευτερογενείς ρυπαντές: σχηματίζονται από τους πρωτογενείς στην ατμόσφαιρα με την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας — όζον (

O_3

), αλδεΰδες, τα τοξικά PAN's (νιτρικά υπεροξυακετύλια).

Τα οξείδια του αζώτου και το

SO_2

προκαλούν επίσης όξινη βροχή.