Kitaran ozon-oksigen
Kitaran ozon–oksigen ialah proses di mana ozon dijana semula secara berterusan di stratosfera Bumi, menukar sinaran ultraungu (UV) kepada haba. Pada tahun 1930 Sydney Chapman menyelesaikan proses kimia yang terlibat. Proses ini biasanya dipanggil kitaran Chapman oleh saintis atmosfera.
Kebanyakan pengeluaran ozon berlaku di stratosfera atas tropika dan mesosfera. Jumlah jisim ozon yang dihasilkan setiap hari di seluruh dunia adalah kira-kira 400 juta tan metrik. Jisim global ozon secara relatifnya tetap pada kira-kira 3 bilion tan metrik, bermaksud Matahari menghasilkan kira-kira 12% lapisan ozon setiap hari.[1]
Fotokimia
[sunting | sunting sumber]Kitaran Chapman menerangkan tindak balas utama yang secara semula jadi menentukan, kepada anggaran pertama, kepekatan ozon dalam stratosfera. Ia termasuk empat proses - dan yang kelima, kurang penting - semuanya melibatkan atom dan molekul oksigen, dan sinaran UV:[2]
Pembentukan
[sunting | sunting sumber]Molekul oksigen dipecahkan (difotolisis) oleh cahaya UV befrekuensi lebih tinggi (hujung atas UV-B, UV-C dan ke atas) kepada dua atom oksigen (lihat rajah):
- 1. pemisahan foto oksigen: O2 + ℎν (<242 nm) → 2 O
Setiap atom oksigen kemudiannya bergabung dengan molekul oksigen untuk membentuk molekul ozon:
- 2. pembentukan ozon : O + O2 + A → O3 + A
- di mana A menandakan molekul atau atom tambahan, seperti N2 atau O2, yang diperlukan untuk mengekalkan pemuliharaan tenaga dan momentum dalam tindak balas. Sebarang tenaga yang berlebihan dihasilkan sebagai tenaga kinetik.
Kitaran ozon-oksigen
[sunting | sunting sumber]Molekul ozon yang terbentuk oleh tindak balas (di atas) menyerap sinaran dengan jarak gelombang yang sesuai antara UV-C dan UV-B. Molekul ozon triatom menjadi oksigen molekul dwiatom, ditambah dengan atom oksigen bebas (lihat rajah):
- 3. pemisahan foto ozon: O3 + ℎν (240–310 nm) → O2 + O
Atom oksigen yang dihasilkan mungkin bertindak balas dengan molekul oksigen lain untuk mengubah ozon melalui tindak balas pembentukan ozon (tindak balas 2 di atas).
Kedua-dua tindak balas ini membentuk kitaran ozon-oksigen, di mana tenaga kimia yang dikeluarkan oleh pembentukan ozon menjadi tenaga kinetik molekul. Hasil bersih kitaran ialah penukaran cahaya UV-B yang menembusi kepada haba, tanpa kehilangan ozon bersih. Sambil mengekalkan lapisan ozon dalam keseimbangan yang stabil, dan melindungi atmosfera yang lebih rendah daripada sinaran UV yang berbahaya, kitaran ini juga menyediakan salah satu daripada dua sumber haba utama dalam stratosfera (yang satu lagi adalah tenaga kinetik, dibebaskan apabila O2 difotolisis menjadi atom O tersendiri).
Penyingkiran
[sunting | sunting sumber]Jika atom oksigen dan molekul ozon bertemu, atom oksigen dan molekul ozon tersebut bergabung semula untuk membentuk dua molekul oksigen:
- 4. penukaran ozon : O3 + O → 2 O2
Dua atom oksigen boleh bertindak balas untuk membentuk satu molekul oksigen:
- 5. penggabungan semula oksigen : 2O + A → O2 + A
- seperti dalam tindak balas 2 (di atas), A menandakan molekul atau atom lain, seperti N2 atau O2 yang diperlukan untuk pemuliharaan tenaga dan momentum.
Perhatikan bahawa tindak balas 5 adalah paling tidak penting dalam stratosfera, kerana, dalam keadaan normal, kepekatan atom oksigen jauh lebih rendah daripada molekul oksigen diatomik. Oleh itu tindak balas ini jarang terjadi daripada proses pembentukan ozon (tindak balas 2).
Jumlah keseluruhan ozon di stratosfera ditentukan oleh keseimbangan antara pengeluaran daripada sinaran suria dan penyingkirannya. Kadar penyingkiran adalah perlahan, kerana kepekatan atom O bebas adalah sangat rendah.
Tindak balas tambahan
[sunting | sunting sumber]Sebagai tambahan kepada lima tindak balas ini, radikal bebas tertentu - yang paling penting ialah hidroksil (OH), nitrik oksida (NO), dan atom klorin (Cl) dan bromin (Br) - memangkinkan tindak balas penggabungan semula, yang menyebabkan lapisan ozon yang lebih nipis berbanding jika pemangkin tidak hadir.
Kebanyakan OH dan NO secara semula jadi terdapat dalam stratosfera, tetapi aktiviti manusia - terutamanya pelepasan klorofluorokarbon (CFC) dan halon - telah meningkatkan kepekatan Cl dan Br dengan banyak, yang boleh menyebabkan penipisan ozon. Setiap atom Cl atau Br boleh memangkinkan puluhan ribu tindak balas penguraian sebelum ia dikeluarkan dari stratosfera.
Tindak balas utama dalam lapisan atmosfera yang berbeza
[sunting | sunting sumber]Untuk kepekatan bahan tindak balas relatif yang diberikan, Kadar pembentukan ozon dan penggabungan semula oksigen (tindak balas 2 dan 5) adalah berkadar dengan ketumpatan udara dipadukan, manakala kadar penukaran ozon (tindak balas 4) adalah berkadar dengan ketumpatan udara kuasa dua, dan tindak balas pemisahan foto (tindak balas 1 dan 3) mempunyai pergantungan linear pada ketumpatan udara. Oleh itu, pada termosfera atas, di mana ketumpatan udara sangat rendah dan fluks foton tinggi, pemisahan foto oksigen adalah pantas manakala pembentukan ozon rendah, oleh itu kepekatannya rendah. Jadi, tindak balas yang paling penting ialah pemisahan foto oksigen dan penggabungan semula oksigen, dengan kebanyakan molekul oksigen dipisahkan kepada atom oksigen.[3]
Apabila kita pergi ke termosfera bawah (cth 100 km ketinggian dan ke bawah), fluks foton dalam <170 nm jarak gelombang menurun secara mendadak disebabkan oleh penyerapan oleh oksigen dalam tindak balas fotodissosiasi oksigen (tindak balas 1). Rejim jarak gelombang ini mempunyai keratan rentas tertinggi untuk tindak balas ini (10−17 cm2 setiap molekul oksigen), dan dengan itu kadar pemisahan foto oksigen bagi setiap molekul oksigen berkurangan dengan ketara pada ketinggian ini, daripada lebih daripada 10−7 sesaat (kira-kira sekali sebulan) pada 100 km hingga 10 −8 sesaat (kira-kira sekali setiap beberapa tahun) pada 80 km.[4] Akibatnya, kepekatan atom oksigen (kedua-dua relatif dan mutlak) berkurangan dengan mendadak, dan pembentukan ozon (tindak balas 2) berterusan, membawa kepada kehadiran ozon yang kecil tetapi tidak boleh diabaikan.[5]
Ambil perhatian bahawa suhu juga turun apabila ketinggian berkurangan, kerana kadar pemisahan foton yang lebih rendah bermakna pengeluaran haba yang lebih rendah bagi setiap molekul udara.
Di bawah termosfera: Kadar tindak balas pada keadaan mantap
[sunting | sunting sumber]Spesies oksigen ganjil (oksigen atom dan ozon) mempunyai kadar pembentukan bersih hanya melalui pemisahan oksigen (tindak balas 1), dan kadar pemusnahan bersih sama ada oleh penukaran ozon atau penggabungan semula oksigen (tindak balas 4 dan 5). Pada keadaan mantap proses ini seimbang, jadi kadar tindak balas ini mematuhi:
- (kadar tindak balas 1) = (kadar tindak balas 4) + (kadar tindak balas 5).
Pada keadaan mantap, penciptaan ozon juga seimbang dengan penyingkirannya, jadi:
- (kadar tindak balas 2) = (kadar tindak balas 3) + (kadar tindak balas 4).
Oleh itu, ini berikutan bahawa:
- (kadar tindak balas 2) + (kadar tindak balas 5) = (kadar tindak balas 3) + (kadar tindak balas 1).
Sebelah kanan ialah jumlah kadar pemisahan foto, sama ada oksigen atau ozon.
Di bawah termosfera, kepekatan atom oksigen adalah sangat rendah berbanding molekul oksigen.[6] Oleh itu, atom oksigen berkemungkinan besar terkena molekul oksigen (dwiatom) berbanding dengan atom oksigen lain, menjadikan penggabungan semula oksigen (tindak balas 5) jauh lebih jarang daripada pembentukan ozon (tindak balas 2). Berikutan hubungan keadaan mantap antara kadar tindak balas, oleh itu kita boleh menganggarkan:[7]
- (kadar tindak balas 2) = (kadar tindak balas 3) + (kadar tindak balas 1)
Dalam mesosfera, pemisahan foto oksigen mendominasi pemisahan foto ozon, oleh itu:
- (kadar tindak balas 2) = (kadar tindak balas 1) = (kadar tindak balas 4)
Oleh itu, ozon terutamanya dikeluarkan oleh penukaran ozon. Kedua-dua pembentukan dan penukaran ozon bergantung secara linear pada kepekatan atom oksigen, tetapi dalam penciptaan ozon, atom oksigen mesti bertemu dengan molekul oksigen dan molekul udara lain (biasanya nitrogen) secara serentak, manakala dalam penukaran ozon, atom oksigen mesti bertemu dengan molekul ozon sahaja. Oleh itu, apabila kedua-dua tindak balas seimbang, nisbah antara ozon dan kepekatan oksigen molekul adalah lebih kurang berkadar dengan ketumpatan udara.
Oleh hal yang demikian, kepekatan ozon relatif lebih tinggi pada ketinggian yang lebih rendah, di mana ketumpatan udara lebih tinggi. Aliran ini berterusan sedikit lebih rendah ke dalam stratosfera, dan dengan itu apabila kita beralih dari ketinggian 60 km hingga 30 km, kedua-dua ketumpatan udara dan kepekatan relatif ozon meningkat sebanyak ~40-50 kali ganda.[8][9][10]
Penyerapan oleh oksigen dalam mesosfera dan termosfera (dalam tindak balas pemisahan foto oksigen) mengurangkan fluks foton pada panjang gelombang di bawah 200 nanometer, di mana pemisahan foto oksigen didominasi oleh jalur dan kontinum Schumann–Runge, dengan keratan rentas sehingga 10−17 cm2. Disebabkan penyerapan ini, fluks foton dalam jarak gelombang ini sangat rendah di stratosfera, sehingga pemisahan foto oksigen menjadi dikuasai oleh jalur Hertzberg pada 200-240 nm jarak gelombang foton, walaupun keratan rentas proses ini adalah serendah 10−24 - 10−23 cm2 . Kadar pemisahan foto ozon setiap molekul ozon mempunyai keratan rentas 6 urutan magnitud lebih tinggi dalam 220-300 nm julat jarak gelombang. Dengan kepekatan ozon dalam susunan 10−6 -10−5 berbanding oksigen molekul, pemisahan foto ozon menjadi tindak balas pemisahan foto yang dominan, dan kebanyakan haba stratosfera dijana melalui proses ini, dengan kadar penjanaan haba tertinggi bagi setiap molekul pada had atas stratosfera (di mana kepekatan telaga stratosfera masih tinggi) jarak gelombang, sebelum habis oleh proses pemisahan foto yang sama ini.
Selain pemisahan foto ozon yang menjadi tindak balas penyingkiran lebih dominan, pemusnahan ozon pemangkin akibat radikal bebas (terutamanya atom hidrogen, hidroksil, nitrik oksida, klorin dan bromida) meningkatkan kadar tindak balas penukaran ozon yang berkesan. Kedua-dua proses bertindak meningkatkan penyingkiran ozon, membawa kepada peningkatan kepekatan relatif ozon yang lebih sederhana apabila ketinggian berkurangan, walaupun ketumpatan udara terus meningkat.
Disebabkan oleh ketumpatan pertumbuhan ozon dan oksigen apabila altitud lebih rendah, fluks foton UV pada jarak gelombang di bawah 300 nm berkurangan dengan ketara, dan kadar pemisahan foto oksigen jatuh di bawah 10−9 sesaat setiap molekul pada 30 km. Dengan kadar pemisahan oksigen yang semakin berkurangan, spesies oksigen ganjil (atom oksigen dan molekul ozon) hampir tidak terbentuk secara de novo (daripada ditukar kepada satu sama lain oleh tindak balas yang lain), dan kebanyakan oksigen atom yang diperlukan untuk penciptaan ozon diperoleh hampir secara eksklusif daripada penyingkiran ozon melalui pemisahan foto ozon. Oleh itu, ozon menjadi berkurangan apabila kita berada di bawah ketinggian 30 km dan mencapai kepekatan yang sangat rendah pada tropopaus.[8]
Di troposfera, pembentukan dan pemusnahan ozon tidak lagi dikawal oleh kitaran ozon-oksigen. Sebaliknya, tindak balas kimia di ozon troposfera dikuasai hari ini oleh bahan pencemar industri gas lain dari sumber gunung berapi.
Pautan luar
[sunting | sunting sumber]Rujukan
[sunting | sunting sumber]- ↑ "Chapter 5: Stratospheric Photochemistry". Stratospheric Ozone: An Electronic Textbook. Diarkibkan daripada yang asal pada 2011-07-27. Dicapai pada 2011-06-16.
- ↑ Dütschکیر, H. U. (1968). The photochemistry of stratospheric ozone. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 94(402), 483-497.
- ↑ UCAR Center for Science Education: The Thermosphere
- ↑ Photochemistry of Ozone
- ↑ Mlynczak, M. G., Hunt, L. A., Mast, J. C., Thomas Marshall, B., Russell III, J. M., Smith, A. K., ... & Gordley, L. L. (2013). Atomic oxygen in the mesosphere and lower thermosphere derived from SABER: Algorithm theoretical basis and measurement uncertainty. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 118(11), 5724-5735.
- ↑ Richter, H., Buchbender, C., Güsten, R., Higgins, R., Klein, B., Stutzki, J., ... & Hübers, H. W. (2021). Direct measurements of atomic oxygen in the mesosphere and lower thermosphere using terahertz heterodyne spectroscopy. Communications Earth & Environment, 2(1), 19.
- ↑ Hingane, L. S. (1984). Ozone in the mesosphere and lower thermosphere. Proceedings of the Indian Academy of Sciences-Earth and Planetary Sciences, 93, 91-103.
- 1 2 NASA Ozone Watch
- ↑ Bakhmetieva, N. V., Kulikov, Y. Y., & Zhemyakov, I. N. (2020). Mesosphere ozone and the lower ionosphere under plasma disturbance by powerful high-frequency radio emission. Atmosphere, 11(11), 1154.
- ↑ The Engineering Toolbox: U.S. Standard Atmosphere vs. Altitude