"Haberdar olun, hazırlıksız yakalanmayın!"

Ozon ve UV

Atmosferin Yapısı

Atmosferin Oluşumu

Atmosfer, dünyamızı çevreleyen, güneşten gelen enerjinin hızlı bir şekilde uzaya geri dönmesini önleyen ve canlılar için yaşamsal önem taşıyan gaz kütlesine denir. Bilim adamları, dünyamızın yaklaşık 5 milyar yıl önce oluştuğuna inanmaktadırlar. Dünyanın oluşumundan sonraki ilk 500 milyonlu yıllarda atmosferin su buharı ve gazlardan oluştuğu düşünülmektedir. 3.5 milyar yıl öncesinde ise, atmosferin muhtemelen karbondioksit (CO2), karbonmonoksit (CO), su buharı (H2O), azot (N2) ve hidrojen (H2) gibi gazlardan oluştuğu varsayılmaktadır.

Atmosferi Oluşturan Tabakalar

Atmosfer birbirinden farklı kimyasal özelliklere ve değişik sıcaklık profiline sahip çeşitli tabakalardan oluşmaktadır. Atmosferi oluşturan gazlar ise deniz seviyesinden itibaren yaklaşık 1.000 km yukarıya kadar uzanmaktadır. Atmosferdeki toplam gaz konsantrasyonunun % 99’undan daha fazlası yer yüzeyinden itibaren ilk 40 km’lik tabakada bulunmaktadır.

Atmosferi Oluşturan Tabakalar
Sıcaklığa göre atmosferi oluşturan tabakalar
(http://www.atm.ch.cam.ac.uk/tour/part1.html)

Yer yüzeyinden itibaren yaklaşık 15 km’ye kadar uzanan, sıcaklığın hızlı ve düzgün bir şekilde azaldığı tabakaya troposfer denilmektedir. Bu tabakada sıcaklık, yerden itibaren yükseldikçe her kilometrede yaklaşık 6 ºC azalarak üst sınırda -50 ºC ile -60 ºC’ye kadar ulaşmaktadır. Atmosferdeki su buharının % 99’u bu tabakada bulunmakta, miktarı ise enlemlere göre değişiklik göstermektedir. Yer yüzeyini etkileyen ve atmosferde oluşan bütün hava olayları troposfer tabakasında meydana gelmekte, bazen stratosferin alt kısımlarında da bu tür olaylar oluşabilmektedir. Kuvvetli konvektif hava akımlarının görülmesi nedeniyle troposfer tabakası karışma bölgesi olarak da adlandırılmaktadır.

Troposfer tabakası
Troposfer tabakası
(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/troposphere.shtml)

Troposfer ile stratosfer tabakalarını birbirinden ayıran ve kalınlığı çok ince olan ara tabakaya ise tropopoz denilmektedir. Bu tabakanın yüksekliği kutuplarda 8 km, ekvator üzerinde ise 18 km’ye kadar ulaşabilmektedir. Bu yükseklik mevsimlere göre değişmekle birlikte, yaz aylarında en yüksek, kış aylarında da en düşük seviyesine ulaşmaktadır. (http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/atmospheric_ structure.shtml)

Tropopoz’un atmosferdeki yer değişimi
Tropopoz’un atmosferdeki yer değişimi
(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/tropopause.shtml)

Atmosferde, troposfer tabakasından hemen sonra gelen ve yaklaşık olarak 15 ile 50’nci km’ler arasında uzanan tabakaya da stratosfer denilmektedir. Bu tabakada sıcaklık, troposferin tersine yükseldikçe yavaş yavaş artış göstermekte ve -45 ºC’ye kadar ulaşmaktadır.

Stratosfer tabakasının üzerinde, yaklaşık olarak 50 ile 80’inci km’ler arasında sıcaklığın tekrar azaldığı mezosfer tabakası bulunmaktadır. Bu tabakada ozon ve önemsiz miktarda su buharı bulunmaktadır. Bu nedenle sıcaklık troposfer ve stratosfer tabakalarına göre burada daha düşüktür.

Mezosfer tabakasının hemen üzerinde, yerden yaklaşık 100 ile 200’üncü km’ler arasında, sıcaklığın yaklaşık 1.100 ºC ile 1.650 ºC arasında değiştiği termosfer tabakası bulunmaktadır. Güneşten dünyamıza gelen ışınların bu tabakada emilmesinden dolayı bu tabakada sıcaklık hızla artmaktadır.

Yer yüzeyinden yaklaşık 960 ile 1.000 km yükseklikte ve atmosferin en dış bölümünü oluşturan tabakaya da ekzosfer denilmektedir Bu tabaka, dünya atmosferi ile uzay arasındaki geçiş bölgesini oluşturmaktadır. http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/atmospheric_ structure.shtml

Ozon ve Ozon Tabakası

Yer yüzeyi yakınlarında zehirli bir kirletici olan ozon (O3), üç tane oksijen atomunun birleşmesinden oluşur ve stratosfer tabakasında yaşamsal önem taşır. Atmosferi oluşturan azot (%78), oksijen (%21) ve karbondioksit vb. gibi temel gazlara göre oldukça düşük oranda bulunan ozon, hem iklimi etkilemekte hem de yer yüzeyindeki canlıların korunmasında önemli rol oynamaktadır. Ozon özellikle, oksijenle birlikte güneşten gelen ultraviyole ışınlarının büyük kısmını stratosfer tabakası içerisinde emmekte ve bu ışınların yer yüzeyine kadar ulaşmasını önleyerek yakıcı etkisini de yok etmektedir.

Ozon molekülünün yapısı
Ozon molekülünün yapısı

Ozonun molekül kütlesi 47.998 gr, ozon tabakasının ağırlığı ise 3.29x109 ton olarak belirlenmiştir.

Ozon molekülünün fiziksel görünümü
Ozon molekülünün fiziksel görünümü
(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/ozone/additional/science-focus/about-ozone/bonds.shtml)

Atmosferdeki ozonun %90’ına yakını, yer yüzeyinden itibaren yaklaşık 10–50 km (32.000–164.000 feet) seviyeleri arasında bulunan stratosfer tabakası içinde yer alır. Geri kalan %10’luk ozon miktarı ise yerden yaklaşık 10–15 km’ye kadar uzanan troposfer tabakası içinde bulunmaktadır. (
http://www.ccpo.odu.edu/~lizsmith/SEES/ozone/class/Chap_1/index.htm)

Ozon bütün yıl boyunca ekvator kuşağı üzerindeki stratosfer tabakasında üretilmekte, hava hareketleri ile buradan kutuplara doğru taşınmaktadır. Ozonun en çok bulunduğu stratosfer tabakasının alt kısımları ise tropopoz yüksekliği ile belirlenebilmektedir. Dünya ortalaması 300 Dobson Birimi (Dobson Unit) civarında olup, coğrafik olarak 230 ile 500 Dobson Birimi arasında değişmektedir. Toplam ozon miktarı, ekvator kuşağı üzerinde 240 DU ile en düşük ortalamaya sahip olup, ekvatordan kutuplara doğru gidildikçe 400 DU’ya kadar artış göstermektedir.

Toplam ozon; standart basınç ve sıcaklık altında, tabanı 1 cm2 olan düşey bir sütunun içerdiği ozon miktarına eşit miktar olarak ifade edilmektedir. Basınç birimi olarak ifade edilebilir tipik değeri ise 0.3 atmosfer santimetredir. Dobson birimi olarak daha sık bir şekilde mili-atmosfer-santimetre (m-atm-cm) kullanılmaktadır.

Bir Dobson birimi, ozon hacminin yaklaşık milyarda bir kısmının (1 ppbv), ortalama atmosferik konsantrasyonunu ifade eder. 1 DU = 10-3 atm-cm = 0.01mm = 10-5m’dir.

Dobson birimi
Dobson birimi
(http://ds9.ssl.berkeley.edu/LWS_GEMS/4/unozo1.htm)

Ozon kısmi basıncı, genellikle alt stratosferde 15 ile 25’inci kilometreler arasında en yüksek düzeyde olup, maksimum ozon yoğunluğuna (10 ppmv) yine bu mesafeler arasında ulaşılmaktadır. Bununla birlikte, farklı konsantrasyonlardaki ozon molekülleri yerden yaklaşık 50 km yüksekliğe kadar uzanan mesafede bulunmakta ve bu aralıktaki toplam ozon miktarı ise genellikle ozon tabakası olarak adlandırılmaktadır. Bu tabaka, yer yüzeyini güneş radyasyonunun zararlı bileşenlerinden korumaktadır.

Ozon tabakasının kalınlığı, normal atmosfer basınç ve sıcaklığına indirgenerek hesaplandığında 0.3 cm = 3 mm = 300 Dobson birimi (Dobson Unit) olarak bulunmuştur. 300 DU = 8.07 x 1022 molekül/m2 veya 6.42 x 10-3 kg/m2’ye eşittir. (http://www.atm.ch.cam.ac.uk/tour/dobson.html)

Ozonun Keşfi ve Tarihçesi

1839 yılında C. F. Schönben tarafından ozonun keşfedilmesinden sonra, 1860 yılından itibaren birçok yerde yüzey ozon ölçümlerine başlanmıştır. 1913 yılında, ultraviyole ölçümleri sonucunda ozonun en fazla stratosfer tabakası içinde olduğunun belirlenmesinin ardından, ilk atmosferik ozon gözlemleri 1920’li yıllarda gerçekleşmiştir. 1934 yılından itibaren 20 km civarındaki maksimum ozon konsantrasyonunun balonlu ölçüm cihazları ile ölçümüne başlanılmasından sonra, 1950’li yılların sonuna doğru düzenli ozon gözlemlerine başlanılmıştır.

Dünya Meteoroloji Teşkilatı (World Meteorological Organization-WMO), zaman içerisinde ozon tabakasının yok olması ile ilgili açıklama ve tartışmalarda lider bir rol üstlenmiştir. Ozon tabakasındaki tahribatın önlenmesi için tedbirler alınmasına yönelik gereken çalışmaları gündeme getirmek amacıyla, ilk defa 1975 yılında hükümetler arası ozon tabakası genel değerlendirme raporu yayınlanmıştır. O zamandan beri Dünya Meteoroloji Teşkilatı 7 büyük ozon değerlendirme çalışmasının hazırlıklarını organize etmiştir. En son yapılan değerlendirme çalışması 2002’de yayınlanmıştır. Bu değerlendirme çalışmalarına dayalı olarak, dünya ülkeleri 1985’te “Ozon Tabakasının Korunmasına İlişkin Viyana Sözleşmesi”ni ve 1987’de de “Ozon Tabakasının Korunmasına Dair Montreal Protokolü”nü imzalamışlardır. Bütün bu sözleşme ve protokoller, Birleşmiş Milletler şemsiyesi altında küresel çevre sorunlarının çözümüne yönelik yapılan çalışmaların başlangıcını oluşturmuştur.

Ozonun Oluşumu ve Yokedilmesi

1- Ozonun Oluşum Mekanizması

Atmosferde stratosfer tabakası içerisinde bulunan ozon, ultraviyole radyasyonunun etkisiyle bir taraftan oluşurken, öbür taraftan da yok edilmektedir. Stratosfer tabakasındaki hava kütlesi, sürekli olarak güneşten gelen ultraviyole radyasyon tarafından şiddetli olarak etkilenmektedir. Bu aşamada, yer yüzeyindeki canlılar için büyük bir tehlike oluşturan Ultraviyole-B (UV-B) ışınlarının tamamına yakını stratosfer tabakasındaki ozon tarafından emilmektedir.

Bu işlem,

O3 + h υ ------> O2 + O reaksiyonu şeklinde oluşmaktadır. (λ = Dalga boyu < 243 nm) Bu reaksiyon sonucunda, ozon molekülü parçalanarak bir oksijen molekülü ve bir oksijen atomu açığa çıkmaktadır. Burada h, Plank sabiti; υ, UV-B ışınlarının frekansıdır.

Ozon molekülünün oluşum mekanizması
Ozon molekülünün oluşum mekanizması
(http://www.ccpo.odu.edu/~lizsmith/SEES/ozone/class/Chap_5/index.htm)

Yukarıdaki reaksiyon sonucu oluşan yeni serbest oksijen molekülü, ozon tabakası içerisindeki oksijen atomu ile reaksiyona girerek tekrar ozon molekülünü (O3) oluşturmaktadır.

O2 + O + M ---------> O3 + M

Burada M, reaksiyon esnasında açığa çıkan enerjiyi taşıyan üçüncü bir moleküldür

2- Ozonun Yok Edilme Mekanizması

Bir ozon molekülü (O3), ultraviyole radyasyona maruz kaldığında O2 ve O olarak parçalanır. Parçalanma esnasında atomik ve moleküler oksijen kinetik enerji kazanarak ısıyı arttırır ve bu durum atmosfer sıcaklığının yükselmesine neden olur.

Ozon üretimi 240 nm’den daha kısa dalga boylu ultraviyole radyasyon tarafından sağlanır. Ozonun parçalanması ise 320 nm’den yüksek uzun dalga boylu ve 400 ile 700 nm aralığındaki kısa dalga boylu ultraviyole radyasyona maruz kaldığında meydana gelir. Ozon üretim ve parçalanma bölgesinin oluşturulmasında, daha uzun dalga boylu fotonlar atmosferin içine daha kolay işlemektedir. Bir ozon molekülü düşük enerjili ultraviyole radyasyonu emse bile, parçalanarak oksijen molekülüne ve serbest oksijen atomuna dönüşebilmektedir.

Ozonu yok eden başlıca kimyasal maddeler hidrojen, azot, klor ve brom içeren bileşiklerdir. X olarak HOx, ClOx, NOx veya BrOx, köklerinden biri alınırsa ozonu tahrip eden genel reaksiyon

X + O3 -------> XO + O2
XO + O -------> X + O2
-----------------------
O + O3 -------> O2 + O2
olarak gösterilebilir.

Burada bir tek katalizörün binlerce ozonu yok edebileceğine dikkat edilmelidir. Özellikle ClOx ve BrOx’in birlikte katalitik etkisi aşağı stratosferde ozonun tahrip edilmesinde temel rolü oynar.

BrO + ClO -------> Br + Cl + O2
Br + O3 -------> BrO + O2
Cl + O3 -------> ClO + O2
-----------------------
2O3 --------------> 3O2

Klor (Cl) atomunun ozon molekülünü parçalama ve yok etme mekanizması
Klor (Cl) atomunun ozon molekülünü parçalama ve yok etme mekanizması
(http://earthobservatory.nasa.gov/Library/Ozone/ozone_2.html).

3- Ozonu Yok Eden Başlıca Kimyasal Bileşikler ve Özellikleri

Ozonu tahrip eden başlıca kimyasal bileşikler kloroflorokarbonlar (CFC2), karbon tetraklorür, metil kloroform, metan ve azot oksit gibi sanayide bolca kullanılan maddelerdir (Çizelge 2). Bunların kullanım yerleri, toplam içindeki payı ve atmosfer içindeki ömürleri aşağıdaki çizelgede verilmiştir.

Çizelge: Ozonu yok eden başlıca kimyasal bileşikler.
İsmi Formülü Kullanım Yeri Yüzde (%) Payı Ömrü (Yıl)
Halon-1301 CBrF3 Yangın Söndürücüler 4 110
Metil kloroform CH3CCl33 Solventler 5 8
Karbon tetraklorür CCl4 Solventler 8 67
CFC-113 C2Cl3F3 Solventler 12 90
CFC-11 CCl3F Aerosoller, Köpükler, Soğutucular 26 74
CFC-12 CCl2F2 Aerosoller, Köpükler, Soğutucular, Klimalar 45 111

Ozon tabakasının incelmesi, daha fazla UV radyasyonunun yer yüzeyine ulaşması anlamına gelmektedir. Bu nedenle ozon UV-B radyasyonunun çoğunu emerek biyosferi korur ve yaşadığımız çevrede yaşamsal rol oynar. Bütün teorik ve deneysel çalışmalar göstermektedir ki, CFCs ve halonlar’ın atmosfere salınması, özellikle ilkbahar döneminde ozon tabakasının daha fazla yok olmasına ve Antarktik ozon deliğinin daha belirgin olarak ortaya çıkmasına neden olmaktadır.

Kloroflorokarbon (CFC) molekülü
Kloroflorokarbon (CFC) molekülü
(http://science.nasa.gov/media/medialibrary/2000/10/02/ast02oct_1_resources/CFCs.jpeg)

Kloroksit ve ozon arasındaki ilişki
Kloroksit ve ozon arasındaki ilişki
(http://science.nasa.gov/media/medialibrary/2000/10/02/ast02oct_1_resources/CFCs.jpeg)

Troposferik ve Stratosterik Ozon

Yer yüzeyinden itibaren yaklaşık 15. km’ye kadar uzanan troposfer tabakasının yere yakın alt kısımlarında bulunan ozon troposferik ozon olarak adlandırılır.

Genel olarak motorlu araçların, endüstriyel aktivitelerin ve güç santrallerinin salımlarından; kısaca insan kaynaklı aktivitelerden ortaya çıkan bu ozon kötü huylu ozon olarak bilinir. Çünkü bu ozon, özellikle çocuklarda bir takım solunum rahatsızlıklarına neden olmaktadır. Aynı zamanda bitkiler ve ormanlar üzerinde de birçok olumsuz etkiye sahiptir. Örneğin, troposferik ozonun her yıl Amerika Birleşik Devletleri’nde 500 milyon dolarlık ürün kaybına neden olduğu tespit edilmiştir. Kötü huylu ozon kirleticilerden atmosfere doğrudan salınmaz. Temel kaynağı hidrokarbon ve azot oksitlerdir. Kötü huylu ozon, hidrokarbon ve azot oksit türevlerinin güneş ışığı ile birlikte girdikleri tepkime sonucunda ortaya çıkar.

Kötü huylu ozon kaynaklarından biri olan azot oksitler (NOX), büyük çoğunlukla motorlu araçlardan (%49), enerji santrallerinden (%28), endüstriyel faaliyetlerden (%13) ve ticari aktivitelerden (%5) oluşmaktadırlar. Anılan bu salım kaynakları denetlendiğinde veya kontrol altında tutulduğunda, kötü huylu ozonun insan yaşamındaki olumsuz etkileri de ortadan kaldırılmış olacaktır.

Ozon, oksijenin karmaşık formudur. Yukarı atmosferdeki ozon tabakası derimizi ultraviyole ışınlarının zararlı etkilerinden korur. Ozon bizim için yararlı olmakla birlikte, ozon kirliliği sağlık açısından zararlıdır. Ozonun sağlık açısından güvenlik sınırı 124 ppbv (hacimde milyarda kısım-part per billion)’dir. Ozon seviyesindeki kirlilik hava şartlarıyla doğrudan ilişkilidir. Sıcaklığın fazla olması, güneşlilik, havadaki hareketsizlik ozon kirliliği için uygun koşullardır. Ozon kirliliği bazı yerlerde lokal olarak da oluşabilir. Kırsal ve şehirsel bölgelerin her ikisi de yüksek ozon seviyesine sahip olabilir. Bu seviyeler rüzgâr hızı, yönü ve yeryüzü şekillerine bağlıdır. Eğer hava durgun ise ozon büyük bölgeleri etkileyebilir.

Ozonun her ne kadar dünyanın üzerinde koruyucu etkisi varsa da, ozon kirliliği nefes almak için zararlı olabilir. Bu kirlilik zamanla genç ve yaşlılarda sağlık problemlerine neden olabilir. Yüksek ozon seviyesine bir saat maruz kalmak nefes darlığı, öksürük, baş ağrısı, mide bulantısı ve solunumla ilgili rahatsızlıklara sebep olabilir. Ozon, insan derisini güneş yanığındaki gibi etkileyebilmekte ve solunum yollarını tahriş ederek akciğerde kalıcı zararlara neden olabilmektedir.

Ozonun stratosferdeki dağılımı
Ozonun stratosferdeki dağılımı
(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/acdisc/images/Stratospheric_Ozone.jpeg)

Diğer ozon ise yüksek atmosferde, stratosfer tabakasında (atmosferin yaklaşık 15–50 km’leri arasındaki tabakası) bulunduğundan, stratosferik ozon olarak adlandırılır ve iyi huylu ozon olarak da bilinir. Çünkü, stratosferik ozon güneşten gelen zararlı ultraviyole ışınlarını emerek, bu ışınların olumsuz etkilerini ortadan kaldırır.

İyi huylu ve kötü huylu ozon
İyi huylu ve kötü huylu ozon

Ozon Tabakasını İncelten Maddelere Dair Montreal Protokolu

Bu Protokol, 6 Haziran 1990 tarihli ve 3656 sayılı Kanunla onaylanarak, 8 Eylül 1990 tarih ve 20629 sayılı Resmî Gazete’de yayınlanmıştır.