Efekt cieplarniany i Dziura ozonowa

Efekt cieplarniany powstał jako próba opisu procesów związanych ze wzrostem temperatury na powierzchni ziemi. Procesy te zachodzą i zachodziły w atmosferze zawsze i wiążą się z pochłanianiem ciepła przez niektóre składniki powietrza. Należy podkreślić, że efekt cieplarniany zachodzi w warunkach naturalnych i ma bardzo korzystny wpływ na życie na ziemi : dzięki niemu mogło ono zaistnieć i trwać. Zjawiskiem niebezpiecznym stał się w wyniku działalności człowieka.

Przebieg i składniki procesu

Ze słońca dociera do ziemi promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo szerokim zakresie. Część ma postać promieniowania widzialnego , czyli światła. Wzrokowo odbieramy fale elektromagnetyczne o długości fali od 400 do 700 nm. Promieniowanie o krótszej długości fali określa się jako nadfiolet, natomiast to o większej długości jako podczerwień. Część promieniowania w postaci nadfioletu zostaje zatrzymana w górnych warstwach atmosfery ( w jonosferze i szczególnie ozonosferze ). Natomiast pozostałe rodzaje fal w większości przenikają przez atmosferę , prawie jej nie ogrzewając. Padając na powierzchnię ziemi światło częściowo się odbija , a częściowo zostaje pochłonięte, po czym wypromieniowane w postaci promieniowania podczerwonego , czyli ciepła. Ciepło to jest absorbowane w atmosferze przez parę wodną , dwutlenek węgla, metan, tlenek azotu, ozon i freony.

Znaczenie efektu cieplarnianego w środowisku

Zjawisko efektu cieplarnianego spełnia bardzo pożyteczną rolę. Gdyby duża część energii słonecznej nie była zatrzymana na ziemi w postaci ciepła, nasza planeta stałaby się podobna do Marsa chłodnego z powodu bardziej rozrzedzonej atmosfery. Ale gdyby na ziemi zostawało tego ciepła więcej , mielibyśmy temperatury prawie tak wysokie jak na otoczonej gęstą atmosferą Wenus. Względnie stała temperatura powietrza na ziemi jest efektem stałości dopływu energii słonecznej i właśnie efektu cieplarnianego. Istnieje równowaga pomiędzy ilością otrzymywanego ze słońca promieniowania a jego emisją z ziemi w przestrzeń kosmiczną. Bez jej równowagi , i to na takim poziomie, życie mogłoby nawet powstać.
W przeszłości geologicznej poziom tej równowagi był inny. W archaiku ( ok. 3,5 mld lat temu ) temperatura powietrza wynosiła 55 C. Jest o tyle zaskakujące , że słonce było mniejsze i emitowało tylko trzy czwarte tej obecnej porcji energii. Jak zatem atmosfera mogła osiągnąć tak wysoka temperaturę? Problem ten nazwano „ paradoksem słabego, młodego słońca”. Początkowo tłumaczono go obecnością we wczesnej atmosferze ziemskiej amoniaku i metanu. Gazy te jednak są zbyt reaktywne i musiałyby być stale uzupełniane. Obecnie przyjmuje się , że efekt ten zachodził przy kilkaset razy większym niż obecnie stężeniu dwutlenku węgla. Rozwiązanie tego problemu spowodowało pojawienie się kolejnego : dlaczego w takim razie w wyniku ewolucji słońca i wzrostu emisji jego promieniowania o 25% nie nastąpiło katastrofalne zwiększenie temperatury w atmosferze ziemskiej? Jednym z wyjaśnień jest pojawienie się roślin wykorzystujących do fotosyntezy dwutlenek węgla. Gdyby we właściwym momencie nie powstało życie, atmosfera ziemska składałaby się głównie z tego gazu, a temperatura przekraczałaby dzisiaj 70 C. Zmniejszenie zawartości dwutlenku węgla można też tłumaczyć procesami geochemicznymi, które wiązały go w skałach osadowych: wapieniach, dolomitach. Najprawdopodobniej oba mechanizmy zadziałały wspólnie.

Zagrożenia

Szacuje się, że współczesny system klimatyczny zniesie ocieplenie w granicach 1-2 C. Przy większym wzroście zakłócona zostanie stabilizacja układu, a wraz z nią przewiduje się:
- przesunięcie stref klimatycznych
- zakłócenia w cyrkulacji mas powietrza
- zmniejszenie obszarów pokrytych śniegiem i lodem
- podniesienie poziomu oceanów
- zmianę linii brzegowej
- zwiększenie zróżnicowania opadów
- zmiany struktury gatunkowej biocenozy
Dla ludzkości będzie to oznaczało:
- zalanie i zatopienie wielu gęsto zaludnionych obszarów
- zmiany struktury gatunkowej upraw
- wyłączenie spod upraw wielu obszarów z niedoborem wody
- zwiększenie częstotliwości katastrofalnych powodzi
- ekspansję wielu chorób w ślad za zmieniającymi się warunkami klimatycznymi
Pośrednim efektem staną się silne ruchy migracyjne. Zmiany klimatyczne według wielu modeli dotkną szczególnie państwa afrykańskie. Presja migracyjna z ich strony może być tak wielka , że państwa udzielające schronienia nie będą w stanie im skutecznie pomóc.

Możliwości zapobiegania zmianom i skutkom

- wprowadzenie nowych, bardziej wydajnych technologii produkcji energii w elektrowniach cieplnych
- zastępowanie tradycyjnej energetyki przez alternatywną( energia geotermalna, biomasa, wiatr itp.)
- kontynuacja zdecydowanego eliminowania freonów
- zahamowanie procesu wycinki, oraz podjęcie racjonalnego zalesiania terenów pozbawionych lasów
- składowanie emitowanego z elektrowni cieplnych i odwiertów geologicznych dwutlenku węgla w naturalnych podziemnych zbiornikach, w wyeksploatowanych złożach lub na dnie oceanów

Dziura ozonowa
Oprócz światła widzialnego, Słońce wytwarza, m.in. niewidoczne dla oka ludzkiego promieniowanie ultrafioletowe (zwane też nadfioletowym). Jest ono niebezpieczne, ponieważ uszkadza materiał genetyczny komórek skóry, w wyniku czego przyspiesza ich starzenie się. Może także wywołać zmiany nowotworowe, tj. raka. Organizm ludzki broni się przed ultrafioletem poprzez brązowienie skóry, tzw. opaleniznę.
Ultrafiolet jest też zabójczy dla innych organizmów, np. dla drobnych glonów.
Większa część promieniowania nadfioletowego jest zatrzymywana w górnych partiach atmosfery, bogatych w ozon - alotropową odmianę tlenu złożoną z trzech atomów.
Warstwa ozonowa rozciąga się na wysokości ok. 20-35 km, zawiera jednak mało ozonu - przy temperaturze i ciśnieniu panującym na powierzchni Ziemi miałaby grubość zaledwie kilku milimetrów.
Ozon w górnych partiach atmosfery jest niezbędny dla istnienia życia, ale w bezpośrednim kontakcie z organizmami jest dla nich szkodliwy. Cząsteczki ozonu są bardzo aktywne chemicznie i uszkadzają komórki, np. roślin albo płuc. W dolnych warstwach atmosfery ozon powstaje przede wszystkim w reakcjach spalinowych (tlenków azotu i niektórych węglowodorów) pod wpływem promieniowania słonecznego. Dlatego jego większe stężenie jest największe wokół ruchliwych dróg podczas ładnej, słonecznej pogody.

Kiedy na szerszą skalę zastosowano związek CCl2F2 zwany freonem 12 oraz inne fluoropochodne metanu i etanu (nazwanych wspólne freonami lub CFC) do produkcji aerozoli, wydawało się to prawdziwą rewolucją w zastosowaniu chemii w przemyśle i gospodarstwie domowym. Związki te zaczęto używać powszechnie w czasie II wojny światowej w urządzeniach rozpylających substancje służące do zwalczania komarów roznoszących malarię. Jeszcze wcześniej odkryto przydatność freonów w konstrukcji systemów chłodzących: w sprężarkach lodówek, chłodniach i urządzeniach klimatyzacyjnych. Z dnia na dzień pojawiały się następne zastosowania przy produkcji lakierów, w przemyśle kosmetycznym i medycynie.
Związki te okazały się też użyteczne jako delikatne środki czyszczące w przemyśle komputerowym. Wydawało się, że freony mają cechy idealnej wprost substancji chemicznej. Zupełnie nieszkodliwe, są, bowiem nieaktywne chemicznie, czyli nie reagują z substancjami, z którymi się stykają, a więc nie powodują korozji, nie drażnią skóry, nie rozpuszczają się w wodzie, a ponadto nie gromadzą się w dolnej warstwie atmosfery ziemskiej, czyli tam, gdzie miałyby styczność z żywymi organizmami. Jednak okazało się, że pozornie cudowne cechy freonów: trwałość, obojętność i nietoksyczność, szykują ekologiczny podstęp.
Cząsteczki tych gazów nie wchodzą w reakcję z innymi substancjami i nie rozpadają się, mogą, więc żyć w atmosferze ponad 100 lat. Właśnie owa niezniszczalność freonów oraz lekkość pozwalająca na przenikanie aż do ozonosfery zaniepokoiły w 1971 r. dwóch chemików: amerykańskiego profesora Sherwooda Rowlanda i Meksykanina dr Mario Molina. Z ich założeń wynikało, że w ozonosferze miliony ton lekkich freonów pod wpływem promieniowania ultrafioletowego rozkładają się na pierwiastki : węgiel (C - spala się), fluor (F) oraz chlor (Cl - reaguje z ozonem).
Chlor rozkłada ozon do zwykłych, dwuatomowych cząsteczek tlenu. Część chloru, docierającego do górnych warstw atmosfery, pochodzi z gazów wulkanicznych.
Wyjątkowo duże ubytki w warstwie ozonowej w latach 1992-1993 przypisuje się wcześniejszemu wybuchowi wulkanu Pinatubo na Filipinach. Ale tak silne wybuchy wulkanów zdarzają się rzadko, warstwa ozonowa zaś maleje w stałym tempie.
Wulkaniczność jest więc poważnym źródłem związków rozkładających ozon.
W 1982r dr Joe Farman wraz z zespołem w czasie rutynowych badań brytyjskiej Stacji Naukowej "Hallei Bay" na Antarktydzie Zachodniej odkrył, że znaczna część pokrywy ozonowej nad biegunem znikneła. Odkrycie było tak szokujące, że podejrzewano raczej błąd urządzeń pomiarowych, tym bardziej, że pomiary ozonu prowadzone równolegle przez satelitarną stację meteorologiczną NASA (Agencja Badań Przestrzeni Kosmicznej) niczego takiego nie wykazały.
Badania z następnych lat potwierdziły (a nawet były jeszcze bardziej alarmujące) wyniki Farmana. Jeszcze raz sprawdzono pomiary satelitarne i okazało się, że też wskazały na zanik ozonu tylko, że komputery odrzuciły wyniki, bo nie był przewidziany w programie.
Przez następne lata "dziura" nad biegunem powiększyła się tak, że w październiku 1987 r.ilość ozonu była tam o 50% mniejsza, niż przed jej odkryciem, w 1979r. w wyższych warstwach zniknęło nawet ponad 95% ozonu.
Geofizycy używają do określania koncentracji ozonu jednostek nazywanych (na cześć konstruktora przyrządów do pomiaru) dobsonami. Średni poziom ozonu nad Ziemią wynosi 300D. Najmniej ozonu jest nad równikiem (ok. 250D).Szczegółowe badania prowadzone przez 150 naukowców wykazały ponad wszelką wątpliwość, że za zanik ozonu odpowiedzialna była rosnąca koncentracja freonów.

W Polsce systematyczne pomiary ilości ozonu prowadzi od 30 lat Centralne Obserwatorium Geofizyczne PAN w Bielsku koło Grójca. Ozon potrafi zachowywać się kapryśnie. Jego ilość nad Bielskiem potrafi wzrosnąć niemal dwukrotnie w ciągu paru dni, by w ciągu następnych paru dni opaść do stanu wyjściowego. Jednak od piętnastu już lat z tych ozonowych szumów wyłania się coraz wyraźniejszy i coraz bardziej niepokojący sygnał: ogólnie rzecz biorąc, ozonu nad nami jest coraz mniej. Spadek ilości ozonu zaznacza się szczególnie wyraźnie w miesiącach zimowych, w których jest go teraz ok. 4% mniej niż w miesiącach zimowych przy końcu lat 60.
Na przełomie stycznia i lutego 1992r. przykrywająca Polskę warstwa ozonu była przez kilka dni niemal dwukrotnie cieńsza od przeciętnej. Zanotowano 191 D, gdy zazwyczaj o tej porze pomiary wynosiły 350 D.W połowie lutego sytuacja się poprawiła, co nie oznacza jednak, iż zniknęły wszelkie powody do obaw. Choroba, która trapi naszą atmosferę i która polega na stopniowym zaniku warstwy ozonu, najwyraźniej nie zamierza ograniczyć się do obszaru Antarktydy (gdzie wystąpiła najwcześniej) ani nawet do półkuli południowej. Podobne do antarktycznej "dziury ozonowe" mogą pojawiać się wprost nad naszymi głowami.

Według danych Programu Ochrony środowiska ONZ usunięcie 10% ozonu spowoduje zwiększenie zachorowań na raka skóry o 26%.Według statystyk amerykańskich w samych tylko Stanach Zjednoczonych umiera co roku na raka skóry 12000 osób, a największy procent zgonów obserwuje się w najsłoneczniejszych stanach: Kalifornii i Florydzie.
Nawet bez takich groźnych przypadków chorób, który jak rak, mało komu nadmiar UV poprawia urodę. Promieniowanie ultrafioletowe przyspiesza proces starzenia się skóry i wczesne pojawianie się takich zmian, jak zgrubienia, przebarwienia, zmarszczki. Również w niebezpieczeństwie są oczy. Wiele osób zna już skutki długiego przebywania na słońcu, zwłaszcza nad wodą czy na śniegu - zaczerwienienie, podrażnienie spojówek. Lekarze uważają, że jest to też jedną z przyczyn powstawania zaćmy, szczególnie u ludzi na najsłoneczniejszych obszarach globu. Na całym świecie, jak podaje światowa Organizacja Zdrowia, żyje co najmniej 40 mln ludzi, którzy z powodu zaćmy utracili wzrok lub mają ograniczone widzenie, a liczba ta stale wzrasta, zwłaszcza w strefach szczególnie pogarszającego się stanu warstwy ozonowej. Wzrost promieniowania UV na obszarach największego rozrzedzenia warstwy ozonu nie tylko wpływa niekorzystnie na zdrowie ludzkie, także wpływa na produkcję żywności i pogorszenie się jej jakości. Ponad dwie trzecie gatunków roślin, u których sprawdzono reakcję na ultrafiolet, okazało się wrażliwych na promieniowanie. Większość z nich to podstawowe gatunki zbóż i innych roślin uprawnych.
Promieniowanie UV przenika także w głąb wody, nieraz nawet poniżej 20 m w przypadku wód przezroczystych. Plankton zwierzęcy i roślinny jest szczególnie wrażliwy na promieniowanie wszelkie uszkodzenia i zmniejszenia produkcji planktonu odbijają się natychmiast w dalszych ogniwach łańcucha pokarmowego.
Ucierpi więc produkcja ryb i zmniejszą się wyniki połowów.

Podczas międzynarodowej konferencji w Montrealu w 1987 roku postanowiono, że należy obniżyć produkcję freonów o 50% do 2000 roku. Wiele krajów, w tym USA, zakazało używania freonów w aerozolach.
Polska podpisała Protokół Montrealski i jest także od 11 października 1990 r. członkiem Konwencji Wiedeńskiej w sprawie ochrony warstwy ozonowej.
Przystąpiliśmy do tej konwencji tylko jako użytkownicy, ponieważ nie produkuje się u nas freonów. Zobowiązania wobec konwencji dotyczą zakazu importu i używania produktów zawierających te substancje. Nie będzie to jednak takie proste. W Polsce większość lodówek zawiera freony i dużo czasu upłynie, nim zastąpi je generacja bezfreonowych urządzeń. Ciągle też mimo podpisanej konwencji ukazują się w sklepach dezodoranty i inne kosmetyki oraz farby w aerozolach wycofane już w innych krajach.