Jak freony niszczą warstwę ozonową?

Zanim Thomas Midgley Jr. i jego współpracownicy wynaleźli freon w 1928 roku, najczęstszymi czynnikami chłodniczymi były niebezpieczne chemikalia, takie jak dwutlenek siarki, chlorek metylu i amoniak. Freon jest kombinacją kilku chlorofluorowęglowodorów lub CFC, które są tak chemicznie obojętne, że inżynierowie uwierzyli, że znaleźli cudowny związek. CFC są bezsmakowe, bezwonne, niepalne i niekorozyjne, ale w 1974 roku dwóch naukowców ostrzegało, że nie są one nieszkodliwe, a ich ostrzeżenia potwierdziły się w 1985 roku.

Tlen jest drugim najliczniej występującym gazem w ziemskiej atmosferze i występuje głównie w postaci cząsteczek zbudowanych z dwóch atomów tlenu. Tlen może jednak łączyć się w cząsteczki z trzema atomami, które nazywane są ozonem. Ozon przy powierzchni ziemi jest zanieczyszczeniem, ale w górnej stratosferze tworzy wokół siebie warstwę ochronną planeta, która pochłania światło ultrafioletowe, chroniąc w ten sposób całe życie przed jego szkodliwym wpływem promieniowanie. Grubość tej warstwy jest mierzona w jednostkach Dobsona (DU); jeden DU to jedna setna milimetra przy standardowej temperaturze i ciśnieniu. Warstwa ozonowa ma średnio około 300 do 500 DU, co odpowiada grubości dwóch ułożonych na sobie groszy.

Naukowcy po raz pierwszy zaczęli zdawać sobie sprawę z możliwości niszczącego oddziaływania chloru z ozonem w początku lat 70., a Sherwood Rowland i Mario Molina ostrzegali przed niebezpieczeństwem, jakie freony stanowią dla warstwy ozonowej w 1974. To niebezpieczeństwo jest bezpośrednią konsekwencją faktu, że CFC – które zawierają węgiel, fluor i chlor – są tak obojętne. Ponieważ nie reagują z niczym w niższych warstwach atmosfery, cząsteczki CFC w końcu migrują do wyższych warstw, gdzie promieniowanie słoneczne jest wystarczająco intensywne, aby je rozbić. Powoduje to wytwarzanie wolnego chloru – pierwiastka, który nie jest obojętny.

Proces, w którym chlor niszczy ozon, jest dwuetapowy. Rodnik chloru, który jest wysoce reaktywny, usuwa dodatkowy atom tlenu z cząsteczki ozonu, tworząc tlenek chloru i pozostawiając cząsteczkę tlenu jako produkt reakcji. Jednak tlenek chloru jest również bardzo reaktywny i łączy się z inną cząsteczką ozonu, tworząc dwie cząsteczki tlenu i pozostawiając atom chloru wolny, aby ponownie rozpocząć proces. Pojedynczy atom chloru może zniszczyć tysiące cząsteczek ozonu w odpowiednio niskich temperaturach. Temperatury te występują zimą na Antarktydzie oraz, w bardziej ograniczonym stopniu, na Arktyce.

Naukowcy po raz pierwszy odkryli dowody dziury ozonowej nad Antarktydą w 1985 roku. Światowe rządy szybko zareagowały, osiągając porozumienie w Montrealu w 1987 r., aby do 2010 r. stopniowo wycofywać stosowanie CFC wśród krajów, które podpisały. Średnia grubość warstwy dziury ozonowej, która rozwija się każdego roku podczas antarktycznej wiosny, wynosi około 100 DU – grubość dziesięciocentówki. Największa zaobserwowana dziura miała miejsce w 2006 roku; powierzchnia wynosiła 76,30 miliona kilometrów kwadratowych (29,46 miliona mil kwadratowych); żadna dziura w kolejnych latach, od 2014 r. nie była tak duża. Pierwszą dziurę ozonową nad Arktyką zaobserwowano w 2011 roku po niezwykle mroźnej arktycznej zimie.