PRAHA. Atmosféra, plynný obal našej planéty, pozostáva zo zmesi plynov a disperzných častíc, inertných a reaktívnych molekúl, ktoré sú vystavené neustálemu pôsobeniu širokého spektra žiarenia od rádiových vĺn až po vysokoenergetické γ-žiarenie.
Môžeme ju rozdeliť na troposféru a vrchné sféry, kde zaraďujeme stratosféru, mezosféru, termosféru a ionosféru. Každá zo spomenutých oblastí je charakteristická so svojimi špecifickými vlastnosťami.
Jednou z mnohých, pre život dôležitých reakcií, je fotolýza ozónu, t.j. rozklad ozónu pohltením žiarenia o konkrétnej vlnovej dĺžke.
Ozón absorbuje žiarenie v troch charakteristických absorpčných pásoch, ktoré spadajú od 200 nm do 750 nm. Typickým príkladom je pohltenie UV-žiarenia ozónom za tvorby molekulového kyslíka, čím sa zabezpečí, že toto žiarenie prakticky neprechádza do nižších vrstiev atmosféry a chráni tak pozemský život.
Ozónová diera
Na základe prirodzeného chemizmu vzniku a zániku ozónu v atmosfére vytvorili niekoľko výpočtových dynamických modelov, u ktorých výsledky koncentrácií ozónu boli vyššie, ako naozaj pozorované hodnoty jeho koncentrácie.
Vznikla teda domnienka, že uvedené teórie nie sú správne, prípadne že nezahŕňajú všetky deje prebiehajúce v atmosfére.
Na poli fotochemických reakcií sa tak začal lov na zložky a reakcie v atmosfére, ktoré by mohli významnou mierou ovplyvniť rozklad ozónu.
Vedecké práce odhalili, že takýmito zložkami sú halogenované uhľovodíky, ktoré sa vo veľkej miere používali v chladiarenských zariadeniach - poznáme ich pod označením freóny, a oxidy dusíka, ktorých množstvo umelo narastá spaľovaním.
Práve v reakčných cykloch týchto zložiek podlieha rozkladu významné množstvo ozónu.
Objav ozónovej diery nad Antarktídou dokázal, že reakcie vedúce k tvorbe reaktívnych radikálov neprebiehajú v plynnej fáze, ale sú dôsledkom heterogénnych reakcii na časticiach ľadu polárnych stratosférických mrakov (PSC).
Stratosféra je suchá a s malou relatívnou vlhkosťou, čo spôsobuje, že je málo náchylná na tvorbu mrakov. PSC sa preto môžu tvoriť len za špecifických predpokladov, akými sú extrémne nízke teploty počas polárnej zimy.
PSC sa tvoria vo výškach 15 až 25 km nad povrchom. Obsahujú mikrokvapky kyselín (kyseliny dusičnej a kyseliny sírovej) a molekuly halogénovodíkov (chlorovodík a podobne), ktoré vznikajú v jednotlivých cykloch a sú absorbované na povrchu PSC.
Takto vzniknuté heterogénne povrchy môžu vhodne katalyzovať vybrané typy chemických reakcií v atmosfére. Dochádza k obrovskej džungli reakcií, ktoré majú rovnaký cieľ – likvidáciu ozónu.
Výsledkom toho je fakt, že sa nad Antarktídou v jarných mesiacoch zaznamenáva najväčší úbytok ozónu, teda. zväčšovanie sa ozónovej diery.
Otázkou však zostáva, ako možno takéto reakcie študovať experimentálne? Je možné experimentálnym spôsobom dokázať či vyvrátiť pravdivosť teoretických modelov, ktoré predpovedajú vývoj ozónu do budúcnosti?
Polárne stratosférické mraky v Antarktíde. FOTO - François Guerraz
Mraky v laboratóriu
Medzinárodný tím s účasťou slovenských vedcov pod vedením Michala Fárníka pôsobiaci na Ústave fyzikálnej chémie J. Heyrovského Akadémie vied Českej republiky, má teraz v rukách zariadenie, ktoré im to umožňuje.
Vo svojom experimente sú vedci schopní vytvárať klastre molekúl vody (takzvané ľadové nanočastice), ktoré letia v molekulovom lúči vo vákuu.
Tento lúč molekúl prechádza komorou, ktorá je napustená konkrétnym plynom a pod vplyvom zrážok klastrov v lúči s molekulami plynu môže dôjsť k záchytu molekuly na vodný klaster - čo predstavuje skvelé priblíženie na atmosférické mraky, kde sú zachytené rôzne molekuly.
Následne takto dopovaný klaster môžeme sledovať pomocou rôznych experimentálnych techník, či ide o rozpad molekuly na ľadovej nanočastici pôsobením UV žiarenia, alebo samotnú tvorbu a zloženie mrakov.
Nedávno časopis The Journal of Chemical Physics uverejnil štúdiu z tohto laboratória, v ktorej vedci sledovali zrážky vodných nanočastíc s rôznymi molekulami plynov a merali zmenu rýchlosti po zrážke.
Tá je závislá najmä na počte dopovaných molekúl a ich hmotností. Z týchto meraní určili účinný prierez vodných klastrov pre záchyt atmosférických molekúl, teda ako veľký klaster v skutočnosti vidí molekula, teda z akého veľkého priestoru je klaster schopný pochytať dané molekuly.
Aký súvis to však má s deštrukciou ozónu v stratosfére?
Nesmieme zabúdať, že všetky procesy sa uskutočňujú na povrchu PSC - a tie narastajú pomocou homogénnej (ak ide o molekulu vody) alebo heterogénnej (ak ide o inú molekulu ako voda) nukleácie a záchytom molekúl na ľadovej nanočastici.
Ľadová nanočastica sa nabaľuje okolitými molekulami. Takéto procesy vedú k vzniku PSC v stratosfére, čo má priamy dopad na úbytok ozónu.
Preto sa na proces nukleácie kladie veľký dôraz a bolo vytvorených niekoľko matematických modelov, ktoré používajú parametre veľkosti klastrov na simuláciu záchytu okolitých molekúl, z ktorých predpovedajú vývoj do ďalších rokov.
Nové experimentálne merania však ukázali, že molekuly sú ku klastrom priťahované z väčších vzdialeností, než ich skutočný geometrický prierez.
Tento fakt nie je však ničím prekvapivým, keďže od nástupu na strednú školu sa na hodinách chémie a fyziky učíme o medzimolekulových silách. Avšak predpokladá sa, že tieto sily sú zanedbateľné voči veľkosti geometrického prierezu (nie sú dostatočne silné, teda sú krátkeho dosahu).
Hodnoty získané z experimentov však naznačujú, že tieto predpoklady sú nezanedbateľné, a v prípade niektorých molekúl sú efekty tak obrovské, že rádovo menia rýchlosť nukleácie, čo môže viesť významným odchýlkam od predpovedí.
Aký výrazný dopad to môže mať? To zatiaľ nikto nevie.
Publikovaný článok však mal veľký ohlas. Zaradili ho najskôr medzi „research highlights“, na ktorý nadväzovala tlačová správa Amerického inštitútu pre fyziku. Zároveň sa ocitol medzi dvadsiatimi najčítanejšími článkami prestížneho vedeckého časopisu v mesiacoch júl a august.
Teraz už len ostáva čakať, aký postoj k tomu zaujmú kompetentní klimatológovia.
Ústav fyzikálnej chémie J. Heyrovského, v.v.i., AV ČR v Prahe
Autor: Jozef Lengyel
