שלום רב,

במסגרת קורס פיתוח של תכנית לימודים, עלו מספר שאלות שלא נמצאה תשובה עליהן, אשמח לעזרתכם:

האוזון הוא חמצן תלת ערכי. מה הן התכונות הכימיות והפיזיקליות המקנות לו את היכולת להיות שכבת בידוד בסטרטוספירה? מדוע דווקא האוזון נוצר שם? ומדוע הוא נוצר דווקא שם(בתנאים הספציפיים האלה)?

סוגיית החור באוזון מדאיגה את כל העולם. עם כל ההתקדמות הטכנולוגית הקיימת הרשות האדם, מדוע אין אנו מייצרים אוזון בצורה מלאכותית ו"ממלאים" את החור?

תודה מראש,

אירה

קודם כל, האוזון אינה שכבה מבודדת, אלא שיש ריכוז גבוה יותר של אוזון בסטרטוספרה מאשר בשכבות אחרות של האטמוספרה. יחד עם אוזון ישנם שפע של מולקולות אחרות.

הסיבה שיש ריכוז גבוה של אוזון בסטרטוספרה מאשר בשכבות אחרות של האטמוספרה קשורה לאנרגיה של קרינת השמש בשכבות השונות של האטמוספרה. השמש פולטת קרינה עם שיא בחלק הנראה של ספקטרום הקרינה, אבל השמש לא פולטת רק קרינה בנראה. הצורה של ספקטרום אנרגית הפליטה של השמש היא כמו פעמון, וזנב הפעמון מגיע לאנרגיות הגבוהות (אולטרה-סגול, קרני רנטגן, קרני גמא) וגם לאנרגיות הנמוכות (אינפרא-אדום). הקרינה בעלת אנרגיה גבוהה מוציאה אלקטרונים (מייננת) אטומים ומולקולות ו / או מפרקת מולקולות בדרכה. כאשר תהליכים אלה (יינון והתפרקות) מתרחשים, האנרגיה הופכת לצורה אחרת – היא הופכת מאנרגיית הקרינה לאנרגיה של חום (האנרגיה הקינטית של היונים, האטומים והמולקולות שנשארו). אז באופן הדרגתי, קרינת השמש המתקדמת משפת האטמוספרה לכיוון פני השטח של כדור הארץ נעלמת. הקרינה האנרגטית ביותר נעלמת ראשונה, ולאחר מכן קרינה קצת פחות אנרגטית נעלמת, אז קרינה עוד פחות אנרגטית נעלמת, וכן הלאה. השכבה הנמוכה ביותר באטמוספרה (הטרופוספירה) היא בעלת הקרינה הכי פחות אנרגטית.

בעומק של הסטרטוספרה, האנרגיה של קרינת השמש שנשארת היא בתחומי האולטרה-סגול, הנראה, והאינפרא-אדום. (קרני גמא וקרני רנטגן ברובם כבר נעלמו.) אנחנו יכולים לחלק את האנרגיה של קרינה אולטרה-סגולה לאנרגיה אולטרה-סגולה גבוהה יותר ואנרגיה אולטרה-סגולה נמוכה יותר (למרות ש- * כל * קרינה אולטרה-סגולה היא בעלת אנרגיה גבוהה יותר מאשר הנראה והאינפרא-אדום). אנרגיה אולטרה-סגולה גבוהה יותר יכולה לפרק מולקולות של חמצן (O2) לשני אטומים של חמצן (O + O). אטומים של חמצן מעדיפים לא להיות לבד, לכן הם נוטים להתחבר שוב אחד עם השני כדי ליצור בחזרה מולקולה של חמצן, או להתחבר עם מולקולה של חמצן שכבר קיימת כדי ליצור את האוזון (O3). התהליך של יצירת אוזון יעיל ביותר בסטרטוספרה, כי מעל הסטרטוספרה, אירועי יינון ופירוק אחרים יותר דומיננטיים, ומתחת לסטרטוספרה, אין מספיק קרינה אולטרה-סגולה בשביל לפרק מולקולות של החמצן לשני אטומים של חמצן.

במקביל, האנרגיה האולטרה-סגולה הנמוכה יותר בסטרטוספרה מסוגלת לפרק את אותו האוזון שבדיוק נוצר (היא מסוגלת לפרק את הקשר בין O2 ו-O).
למעשה, האנרגיה האולטרה-סגולה הנמוכה יותר אינה מתאימה לעשות שום דבר אחר (אין לה אינטראקציה כזאת עם אף מולקולה אחרת באטמוספרה שלנו) אלא לפרק את האוזון. כאמור לעיל, כאשר תהליך זה (התפרקות של אוזון) מתרחש, האנרגיה של הקרינה הופכת לאנרגיהשל חום. לכן האוזון הוא המולקולה היחידה ש"מעלימה" קרינה אולטרה-סגולה (ומונעת אותה מלחדור לקרקע), מכאן חשיבותו.

סוגיית החור באוזון מדאיגה את כל העולם. עם כל ההתקדמות הטכנולוגית הקיימת הרשות האדם, מדוע אין אנו מייצרים אוזון בצורה מלאכותית ו"ממלאים" את החור?

זה ייקח לנו הרבה אנרגיה כדי לייצר מספיק קרינת אולטרה-סגולה גבוהה כדי לפרק מספיק מולקולות של חמצן. אנחנו יכולים לייצר אוזון. למעשה אנחנו עושים זאת לא בכוונה בטרופוספירה בתהליך המכונה היווצרות ערפיח פוטוכימי (סוג של אירוע זיהום). בנוסף, יש מטהרי אוויר ממעשה ידי אדם המייצרים אוזון. עם זאת, כמות האוזון שאנו מייצרים בכוונה ולא בכוונה היא סדרי גודל פחות מכמות האוזון שצריכים כדי "למלא" את החור באוזון. השמש עושה זאת הרבה יותר בקלות!

ד"ר קרן ארליך
מהמחלקה למדעי האטמוספרה במכון למדעי כדור הארץ
האוניברסיטה העברית