Ατμοσφαιρική ρύπανση – Φαινόμενο θερμοκηπίου – Τρύπα όζοντος 🌍

Η σύσταση του αέρα και η έννοια της ατμοσφαιρικής ρύπανσης

Ο καθαρός αέρας που αναπνέουμε έχει μια συγκεκριμένη σύσταση, την οποία αξίζει να έχουμε ως σημείο αναφοράς:

Ατμοσφαιρική ρύπανση ονομάζεται η αλλοίωση αυτής της ποιοτικής και ποσοτικής σύστασης του αέρα, η οποία μπορεί να έχει βλαβερές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία, στους ζωντανούς οργανισμούς, καθώς και στο υλικό και πολιτισμικό περιβάλλον (κτίρια, μνημεία κ.λπ.).

Πρωτογενείς και δευτερογενείς ρυπαντές

Η καύση υγρών και στερεών καυσίμων επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με πολλούς ρυπαντές: αιωρούμενα σωματίδια, μονοξείδιο του αζώτου $NO$, διοξείδιο του θείου $SO_2$, μονοξείδιο του άνθρακα $CO$, άκαυστους υδρογονάνθρακες και άλλους. Αυτές οι ενώσεις, που παράγονται απευθείας από την καύση, χαρακτηρίζονται πρωτογενείς ρυπαντές.

Οι πρωτογενείς ρυπαντές, υπό την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας, αντιδρούν μεταξύ τους και σχηματίζουν νέες ενώσεις, τους δευτερογενείς ρυπαντές. Τέτοιοι είναι το όζον $O_3$, διάφορες αλδεΰδες και τα πολύπλοκα PAN's (νιτρικά υπεροξυακετύλια).

Φωτοχημικό νέφος

Στις σύγχρονες μεγαλουπόλεις παρατηρείται τα τελευταία χρόνια αύξηση των λεγόμενων φωτοχημικών ρύπων: υδρογονάνθρακες, οξείδια του αζώτου και το «τροποσφαιρικό» (ή «κακό») όζον. Η φωτοχημική ρύπανση προέρχεται κυρίως από τα καυσαέρια των εξατμίσεων των αυτοκινήτων.

Τα οξείδια του αζώτου είναι βασικά συστατικά της φωτοχημικής ρύπανσης. Το διοξείδιο του αζώτου προσβάλλει πρωτογενώς τα μάτια και προκαλεί αναπνευστικές επιπλοκές. Επιπλέον, διασπάται με την επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας:

Τα άτομα οξυγόνου που προκύπτουν αντιδρούν στη συνέχεια με το αέριο οξυγόνο της ατμόσφαιρας και σχηματίζουν όζον:

Το όζον που παράγεται με αυτόν τον τρόπο αποτελεί φωτοχημικό ρύπο και συγκεντρώνεται στην ατμόσφαιρα μέχρι το ύψος των 10 km περίπου (τροπόσφαιρα). Στην παραγωγή του συμβάλλουν οι μεγάλες συγκεντρώσεις οξειδίων του αζώτου, οι οργανικές πτητικές ενώσεις, καθώς και η υψηλή ηλιοφάνεια και θερμοκρασία.

Το όζον της τροπόσφαιρας είναι το κυριότερο συστατικό της φωτοχημικής ρύπανσης. Προκαλεί ισχυρούς ερεθισμούς σε ζωτικά όργανα, όπως το αναπνευστικό σύστημα, καθώς και έντονο ερεθισμό στα μάτια. Μαζί με το όζον σχηματίζονται και τα τοξικά PAN's.

Στη λεκάνη της Μεσογείου το πρόβλημα της φωτοχημικής ρύπανσης είναι πολύ πιο σοβαρό απ' ό,τι στην υπόλοιπη Ευρώπη, κυρίως λόγω της έντονης ηλιοφάνειας. Η Αθήνα θεωρείται, μαζί με το Λος Άντζελες, «πόλη-μοντέλο» φωτοχημικής ρύπανσης, φαινόμενο στο οποίο συμβάλλουν ο υπερπληθυσμός και το κυκλοφοριακό.

Ενδεικτικά δεδομένα ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην Αθήνα

Μετρήσεις του Υπουργείου Περιβάλλοντος (μέσες μηνιαίες τιμές σε μg·m⁻³, εκτός από το $CO$ που δίνεται σε mg·m⁻³) από δύο σταθμούς — έναν στο κέντρο και έναν στην περιφέρεια της Αθήνας — δείχνουν καθαρά πώς διαφοροποιείται η ρύπανση ανά περιοχή και ανά εποχή:

Παρατηρούμε ότι στο κέντρο (όπου η κυκλοφορία αυτοκινήτων είναι πυκνότερη) οι τιμές $SO_2$, $NO$, $NO_2$ και $CO$ είναι σαφώς υψηλότερες — πρόκειται για ρυπαντές που συνδέονται άμεσα με τα καυσαέρια. Αντίθετα, το όζον $O_3$, που είναι δευτερογενής ρυπαντής και χρειάζεται χρόνο και ηλιακή ακτινοβολία για να σχηματιστεί, εμφανίζεται συχνά υψηλότερο στην περιφέρεια, όπου το αέριο μίγμα προλαβαίνει να «ωριμάσει» φωτοχημικά καθώς μετακινείται μακριά από την πηγή.

Το όζον και η τρύπα του όζοντος

Το όζον $O_3$ είναι ένα από τα συστατικά της γήινης ατμόσφαιρας και, παρόλο που συνιστά πολύ μικρό ποσοστό της, αποτελεί απαραίτητο στοιχείο για την ύπαρξη της ζωής στον πλανήτη.

Οι υψηλότερες συγκεντρώσεις όζοντος στον αέρα παρατηρούνται στη στρατόσφαιρα, σε ύψος 20–25 km (αναλογία περίπου 1:100.000). Αυτό το στρώμα όζοντος μάς προστατεύει από τις επικίνδυνες υπεριώδεις ακτινοβολίες (UV) και ιδιαίτερα από την υπεριώδη ακτινοβολία τύπου B (UV-B). Οι ακτινοβολίες αυτές μπορούν να προκαλέσουν καρκίνους του δέρματος, βλάβες στους οφθαλμούς, σοβαρά προβλήματα στο ανοσοποιητικό σύστημα, αλλά και σημαντικές ζημιές σε οικοσυστήματα και στη γεωργία.

Πώς καταστρέφεται το στρατοσφαιρικό όζον

Το όζον στην ατμόσφαιρα διασπάται φυσιολογικά όταν απορροφά υπεριώδη ακτινοβολία. Αυτή η φυσική διαδικασία διαταράσσεται από την παρουσία ρύπων: το χλώριο $Cl$ και το βρώμιο $Br$, για παράδειγμα, επιταχύνουν τη διάσπαση των μορίων του όζοντος, καταστρέφοντας έτσι τη στιβάδα του όζοντος στη στρατόσφαιρα.

Οι χλωροφθοράνθρακες (CFCs) είναι μια ομάδα οργανικών ενώσεων που ευθύνεται σε μεγάλο βαθμό για την εμφάνιση της τρύπας του όζοντος. Αποτελούνται από άτομα χλωρίου, φθορίου και άνθρακα. Είναι μη τοξικοί, δεν αντιδρούν με το νερό, δεν είναι εύφλεκτοι και γενικά είναι χημικά αδρανείς. Χρησιμοποιούνται στην κατασκευή αεροζόλ, διογκωτικών για πολυουρεθάνες και άλλα πλαστικά, καθώς και σε συστήματα ψύξης και κλιματισμού και ως διαλύτες στη βιομηχανία και στο χημικό καθαρισμό. Έχουν μεγάλο χρόνο ζωής (55–140 χρόνια) και χαμηλό κόστος παραγωγής — χαρακτηριστικά που τους έκαναν εξαιρετικά διαδεδομένους, αλλά και ιδιαίτερα επικίνδυνους μακροπρόθεσμα.

Δύο σημαντικοί εκπρόσωποι των CFCs:

Στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας (στρατόσφαιρα), οι αέριοι CFCs διασπώνται από την υπεριώδη ακτινοβολία και δίνουν ρίζες χλωρίου $Cl\bullet$:

Οι ρίζες χλωρίου που σχηματίζονται αντιδρούν με το όζον $O_3$ της στρατόσφαιρας και παράγουν οξυγόνο $O_2$ και ρίζες $ClO\bullet$. Στη συνέχεια οι ρίζες $ClO\bullet$ αντιδρούν με ρίζες οξυγόνου $O\bullet$ που βρίσκονται στην περιοχή και σχηματίζουν μοριακό οξυγόνο $O_2$, αποδίδοντας πίσω ρίζα χλωρίου:

Έτσι, το ατμοσφαιρικό όζον της στρατόσφαιρας ελαττώνεται με ταχύ ρυθμό, και στη θέση του δημιουργείται μια «τρύπα», απ' όπου η επικίνδυνη υπεριώδης ακτινοβολία διέρχεται ανενόχλητη και φτάνει ως την επιφάνεια της Γης.

Η έκταση του προβλήματος και οι προοπτικές

Η στιβάδα του όζοντος μειώθηκε κατά 6–7% την τελευταία δεκαετία (πριν τη συγγραφή αυτών των στοιχείων) και προβλεπόταν να μειωθεί κατά 10% ως το 2000. Ακόμα κι αν εφαρμόζονταν άμεσα οι διεθνείς συνθήκες για την προστασία του όζοντος, θα χρειάζονταν τουλάχιστον 70 χρόνια για να ανακοπεί η μείωσή του. Η αντικατάσταση των ουσιών που καταστρέφουν το όζον με πιο φιλικές προς το περιβάλλον ουσίες, όπως οι HFCs (υδροφθοράνθρακες), γίνεται με πολύ αργούς ρυθμούς και δεν αναμενόταν να ολοκληρωθεί νωρίτερα από το 2030.

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου

Ορισμένα αέρια της ατμόσφαιρας — οι υδρατμοί, το διοξείδιο του άνθρακα, το μεθάνιο, τα οξείδια του αζώτου, οι χλωροφθοράνθρακες — είναι διαφανή στην προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία, η οποία τα διαπερνά χωρίς εμπόδιο. Απορροφούν όμως μέρος της ακτινοβολίας που ανακλάται από τη Γη και την επιστρέφουν προς τα κάτω, θερμαίνοντας έτσι το σύστημα Γη – κατώτερη ατμόσφαιρα.

Αν δεν υπήρχε αυτό το προστατευτικό κάλυμμα των αερίων — που λειτουργεί όπως η υάλινη κάλυψη ενός θερμοκηπίου — η ανακλούμενη από τη Γη ακτινοβολία θα διέφευγε στο διάστημα και η μέση επιφανειακή θερμοκρασία του πλανήτη θα ήταν αρκετές δεκάδες βαθμούς χαμηλότερη.

Τα κυριότερα θερμοκηπικά αέρια ανθρωπογενούς προέλευσης

Το διοξείδιο του άνθρακα θεωρείται υπεύθυνο για το 50% της υπερθέρμανσης της ατμόσφαιρας. Σε λιγότερο από δύο αιώνες, ο άνθρωπος αύξησε κατά 25% τη συνολική ποσότητα $CO_2$ της ατμόσφαιρας, με τη χρήση ορυκτών καυσίμων (γαιάνθρακες, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) και με την καταστροφή των δασών. Υπολογίζεται ότι κάθε χρόνο ο άνθρωπος επιβαρύνει την ατμόσφαιρα με 6 δισεκατομμύρια τόνους $CO_2$.

Το μεθάνιο ευθύνεται για το 18% της υπερθέρμανσης. Έχει βρεθεί ότι 1 kg $CH_4$ απορροφά 70 φορές περισσότερη ενέργεια από 1 kg $CO_2$ — δηλαδή, μόριο προς μόριο, το μεθάνιο είναι πολύ πιο ισχυρό θερμοκηπικό αέριο από το διοξείδιο του άνθρακα, παρόλο που η συνολική του συμβολή είναι μικρότερη επειδή υπάρχει σε πολύ μικρότερη ποσότητα.

Οι χλωροφθοράνθρακες συμβάλλουν κατά 14–16%, τα οξείδια του αζώτου κατά 8% και το όζον κατά 12%.

Το $CO_2$ που συσσωρεύεται εμποδίζει τη μεταφορά θερμότητας από τα κατώτερα προς τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας (φαινόμενο θερμοκηπίου). Υπολογίζεται ότι η μέση θερμοκρασία της Γης θα ανέβει τα επόμενα 100 χρόνια κατά 2–6 °C. Τεράστιες μάζες πάγου αναμένεται να λιώσουν στους πόλους, προκαλώντας άνοδο της στάθμης της θάλασσας, με συνέπεια μεγάλες εκτάσεις της Γης να καλυφθούν με νερά (πλημμύρες). Ωστόσο, κανείς δεν μπορεί να είναι απόλυτα σίγουρος για το πόσο αληθινά είναι αυτά τα σενάρια, καθώς οι σχετικοί υπολογισμοί γίνονται με προσεγγίσεις που έχουν μεγάλα περιθώρια λάθους.

Οι συνέπειες της παγκόσμιας υπερθέρμανσης

Οι συνέπειες της υπερθέρμανσης της Γης δεν κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλα τα γεωγραφικά μήκη και πλάτη. Έρευνες σε Αμερική και Ευρώπη δείχνουν ότι, κάτω από αυτές τις συνθήκες, προβληματικά κλιματολογικά φαινόμενα όπως οι ξηρασίες, οι πλημμύρες, το φαινόμενο El Niño και άλλα αναμένεται να εμφανίζονται πιο συχνά.

Οι σίγουρες συνέπειες της παγκόσμιας υπερθέρμανσης είναι:

1. Η μείωση στα αποθέματα του νερού.
2. Οι απότομες μεταβολές στη θερμοκρασία του αέρα.
3. Οι υψηλές θερμοκρασίες στη θερινή περίοδο.
4. Η είσοδος των θαλάσσιων υδάτων στον παράκτιο υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα και η υποβάθμισή του.
5. Οι σημαντικές μετακινήσεις πληθυσμού και αγαθών.