Dziura ozonowa

Czym jest dziura ozonowa?

W atmosferze ziemskiej na wysokości od 10 do 50 km występuje warstwa o podwyższonej koncentracji ozonu (O3) - ozonosfera. Maksymalne stężenie ozonu utrzymuje się na wysokości ok. 23 km. Od końca lat 70 - tych obserwuje się znaczny spadek zawartości ozonu, szczególnie nad An-tarktydą, w rejonie bieguna południowego. Zmniejszenie koncentracji ozonu w ozonosferze jest na-zywane dziurą ozonową.

Właściwości ozonu

Ozon, forma tlenu z trzema atomami (O3), (zamiast dwóch jak w "normalnym" tlenie) jest wyraźnie toksyczny. 1 czastką tego gazu na milion części powietrza jest już dla ludzi trująca. Blisko powierzchni Ziemi ozon jest trucizna, która współuczestniczy w tworzeniu smogu fotochemicznego i kwaśnego deszczu. Na szczęście w niższej warstwie atmosfery-troposferze- znajduje się więcej niz 10% ozonu, pozostałe 90% gromadzi się wysoko w stratosferze. Juz 15-50km w górę od po-wierzchni Ziemi ozon staje się pożyteczny, tworzy warstwę ochronna dla życia. Ozon jest bowiem jedynym gazem w atmosferze, który zatrzymuje nadmiar promieniowania ultrafioletowego. W 1881 roku stwierdzono, że zawartą w tym promieniowaniu energię przetwarza na ciepło, dzięki czemu spełnia też funkcję atmosferycznego termoregulatora. Dzieje się to dlatego, że ozon nie jest trwałą odmianą tlenu. Szybko następuje jego rozpad, w wyniku którego powstają cząsteczki tlenu (O2). Tlen również ulega rozbiciu na bardzo reaktywne atomy (O), które przyłączają się do cząsteczek tlenu, tworząc na powrót ozon (O3). Wszystkie te procesy pochłaniają energie promieniowania UV i w ten sposób osłabiają je czyli redukuoją szkodliwe działanie.
Ozon jest niebieskawym gazem o ostrej woni, trującym. Temperatury topnienia, wrzenia i krytyczna są wyższe dla ozonu aniżeli dla tlenu. W porównaniu z tlenem, rozpuszczalność ozonu w wodzie jest około 13 razy większa. Ozon jest silnym utleniaczem, reaguje z rtęcią i srebrem dając tlenki. W roztworach wodnych ozon utlenia związki żelaza, dwuwartościowego manganu, wodo-rosiarczki, cyjanki, azotyny, jodki, substancje powierzchniowo czynne, pestycydy fosforoor-ganiczne (pestycydy), węglowodory oraz liczne inne związki organiczne. Ozon jest wytwarzany przez wyładowania elektryczne w powietrzu lub tlenie w tzw. ozonizatorach
Koncentracje ozonu mierzy się w jednostkach zwanych dobsonami (od nazwiska konstruok-tora przyrządów pomiarowych). Ozon nie jest rozłożony równomiernie nad całą powierzchnią Ziemi. Średni poziom wynosi 300 D, podczas gdy nad równikiem jest tylko ok. 250 D. Gdyby nie istniały wiatry stratosferyczne, najwięcej ozonu byłoby właśnie ok. 30 km nad równikiem.

Powstawanie dziury ozonowej

Dziura ozonowa powstaje wskutek niszczenia warstwy ozonowej przez związki chemiczne, zwane freonami. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego freony ulegają fotolizie, w wyni-ku czego uwalniane zostają atomy chloru. Chlor wchodzi w reakcję z ozonem, tworząc równie ak-tywny tlenek chloru (ClO) oraz zwykły tlen (O2). Następnie reakcja dwóch cząsteczek tlenku chloru prowadzi do powstania cząsteczki dwutlenku chloru (ClO2) oraz uwolnienia kolejnego atomu chlo-ru, który rozbija następne cząsteczki ozonu. Oprócz tego dwutlenek chloru może ulegać rozpadowi na atom chloru oraz dwuatomową cząsteczkę tlenu.
Reakcje chemiczne zachodzące podczas niszczenia ozonu:

CnClxFy CnFy + x Cl

Cl + O3 ClO + O2

2 ClO ClO2 + Cl

ClO2 Cl + O2

Przedstawione powyżej reakcje przebiegają aż do całkowitego wyczerpania się cząsteczek ozonu lub do momentu usunięcia chloru wskutek innych reakcji chemicznych.
Ocenia się, że roczne tempo spadku zawartości ozonu wynosi poniżej 0,2% w okolicach równika oraz od 0,4% do 0,8% w umiarkowanych szerokościach geograficznych. Jednak najwięk-sze (i wciąż zwiększające się) tempo spadku ozonu stratosferycznego obserwuje się w rejonie bie-guna południowego w okresie wczesnojesiennym (przełom września i października). W okresie 1987-92 całkowita zawartość ozonu stratosferycznego zmniejszyła się o ponad 50% w stosunku do zawartości z 1970 roku, kiedy to średnia październikowa wynosiła jeszcze 300D.

Przyczyny powstawania dziury ozonowej

Przypuszcza się, że główną przyczyną powstawania dziury ozonowej są substancje przedostające się do atmosfery w wyniku gospodarczej działalności człowieka, zwłaszcza freo-ny i halony, a także tlenki azotu (produkt m.in. spalania paliw w silnikach samolotów i rakiet). Substancje te w pewnych warunkach mogą powodować łańcuchowy rozpad cząsteczek ozonu.
Problem pojawił się gdy zaczęto używać związku CCl2F2, zwanego freonem 12 oraz innych fluoropochodnych metanu i etanu (zwanych wspólnie freonami lub CFC) do produkcji aerozoli. Są one tanie w produkcji i nie sprawiają problemów z transportem i przechowywaniem. Związki te wykorzystywane były w konstrukcji systemów chłodniczych:

• w sprężarkach lodówek;
• w chłodnicach i urządzeniach klimatyzacyjnych;
• do produkcji lakierów;
• w przemyśle kosmetycznym;
• w medycynie;
• jako delikatne środki czyszczące w przemyśle komputerowym.

Po pewnym czasie stwierdzono, jak katastrofalne skutki przynosi używanie tych związków dla warstwy ozonowej. Cząsteczki freonów nie wchodzą w reakcję z innymi substancjami i nie roz-padają się, mogą więc żyć w atmosferze ponad 100 lat. Owa niezniszczalność freonów oraz lekkość pozwalająca na przenikanie aż do ozonosfery zaniepokoiła dwóch amerykańskich chemików – M. Molinę i F. S. Rowlanda. Prowadzili oni pomiary zawartości ozonu nad Antarktydą w Zatoce Ha-lleya nad Morzem Weddela od 1959 roku. W 1985 roku opinia światowa została zaalarmowana do-niesieniem o zaniku 40% ozonu nad biegunem południowym. Przyczyn tak wysoce niekorzystnego dla całego globu zjawiska upatrywano w cyklicznym formowaniu się i zaniku polarnego wiru, zwiększonej aktywności wulkanów, pojawieniu się plam na Słońcu, wzroście poziomu zawartości tlenków azotu pochodzących ze źródeł antropogenicznych oraz rosnącym poziomie zawartości związków halogenoorganicznych. Dopiero dzięki badaniom Molina i Rowlanda odkryto prawdziwe przyczyny powstawania dziury ozonowej. Z ich założeń wynikało, że w ozonosferze miliony ton lekkich freonów pod wpływem promieniowania ultrafioletowego rozkładają się na pierwiastki: fluor, węgiel i chlor. Wprawdzie węgiel spala się, ale fluor i jeszcze silniej chlor rozpoczynają reakcję łańcuchową z ozonem powodując tworzenie się tlenków i powstanie zwykłego tlenu dwuatomowego.


Skutki niszczenia warstwy ozonowej

Ozonosfera pochłania bardzo szkodliwe dla wszystkich żywych organizmów promienio-wanie ultrafioletowe (UV) o długości fali poniżej 390 nm. Niszczenie warstwy ozonowej prowadzi do zmniejszania się efektywności pochłaniania promieni UV. W wyniku tego organizmy są narażo-ne na zwiększone promieniowanie ultrafioletowe.
Nadmiar promieni UV może doprowadzić do zakłócenia równowagi całych ekosystemów. Promieniowanie ultrafioletowe przenika wodę do kilku metrów wgłęb (w przypadku wód czystych nawet do kilkunastu metrów). Powoduje to zamieranie szczególnie wrażliwych organizmów rośli-nnych i zwierzęcych tworzących plankton. Konsekwencje tego są widoczne w następnych ogni-wach łańcucha troficznego. Zmniejszy się więc występowanie ryb żywiących się planktonem oraz ryb drapieżnych.
Promieniowanie ultrafioletowe wpływa również niekorzystnie na rośliny. Wśród roślin, które wykazują reakcję na promienie UV, ponad dwie trzecie gatunków jest na nie wrażliwe. Nale-ży przy tym zaznaczyć, że są to głównie gatunki roślin uprawnych i przemysłowych. Zwiększenie się natężenia promieniowania ultrafioletowego na Ziemi odbije się z pewnością w gospodarce człowieka. Zmniejszenie liczebności populacji ryb, na skutek zaniku planktonu, doprowadzi do znacznie mniejszych połowów na określonym terenie. Ucierpi więc rybactwo i rybołówstwo. W wyniku niszczenia przez promienie UV chlorofilu roślin uprawnych (np. zbóż) zmniejszą się plony, a więc ucierpi rolnictwo. Promieniowanie ultrafioletowe może jednak negatywnie wpływać bez-pośrednio na ludzi. Poprzez wytwarzanie pigmentów w skórze, człowiek tylko w niewielkim stop-niu jest zdolny do obrony. Nadmierne promieniowanie UV może osłabiać u ludzi system immu-nologiczny i tym samym zmniejszać odporność na infekcje i choroby. Wśród chorób tych najgroź-niejsze są z pewnością choroby nowotworowe, a szczególnie nowotwory skóry (np. czerniak). Pro-mienie UV powodują także przyspieszenie procesów 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 – za-czerwienienie, podrażnienie spojówek. Lekarze uważają, że jest to też jedną z przyczyn powstawa-nia zaćmy, szczególnie u ludzie na najsłoneczniejszych obszarach globu. Niektóre z substancji roz-kładających ozon powodują również podnoszenie się temperatury Ziemi – zatrzymują ciepło pro-mieni słonecznych, nie pozwalając im uciec z powrotem w kosmos. Zjawisko to zwane efektem cie-plarnianym powoduje szybsze topnienie górskich i okołopolarnych lodowców i prowadzi do zabu-rzeń klimatu, np., zanikania przejściowych pór roku i szybkich przejść od mroźnych zim do upal-nych lat.

Tempo powiększania się dziury ozonowej
Tempo globalnego spadku ozonu stratosferycznego pod wpływem działalności człowieka (z wyjątkiem Antarktydy), oszacowane na podstawie bada satelitarnych, wynosi 0,4-0,8% na rok w północnych, umiarkowanych szerokościach geograficznych i mniej niż 0,2% w tropikach. Dziura ozonowa nad Antarktydą powiększyła się o 15% od czasu jej odkrycia. Dalej rozprzestrzenia się nad południową Argentyną i Chile. Zmniejszenie się ilości ozonu sięga 70%. Na wysokościach 14-17 km występują prawie całkowite braki ozonu.
Dlaczego nad Antarktydą zanik ozonu jest największy?
Wiatry stratosferyczne spychają powietrze wzbogacone w ozon znad równika w stronę bie-gunów. Transport ozonu znad równika w kierunku północnym i południowym osiąga szczególnie dużą wydajność, gdy na danej półkuli kończy się noc polarna. Ruchy mas powietrznych nie są jed-nak symetryczne i faworyzują półkulę północną, która otrzymuje ponad połowę ozonu. Na początku antarktycznej nocy polarnej (u nas zaczyna się wiosna) nad całym obszarem Antarktydy formuje się

bardzo regularny i stabilny wir, w którym powietrze przez pół roku krąży wokół bieguna. Nas-tępstwa odizolowania od dopływu powietrza równikowego są oczywiste: procesy rozpadu ozonu biorą górę nad procesami jego wytwarzania i ilość ozonu nad Antarktydą zaczyna maleć. Najmniej-szą ilość ozonu stwierdza się na przełomie antarktycznej zimy i wiosny (październik), na krótko przed rozpadem zimowego wiru i dopływem świeżego powietrza od strony równika. W 1991 roku po raz pierwsy w historii w dolnych warstwach stratosfery nad Antarktydą zanotowano kilkudnio-wy całkowity brak ozonu.
Ochrona warstwy ozonowej
Komisja do spraw ochrony środowiska ONZ zwróciła uwagę na to zjawisko dopiero w 1976 roku. Od tego czasu freony znalazły się na liście związków chemicznych niebezpiecznych dla śro-dowiska naturalnego. Konkretne działania mające na celu niedopuszczenie do zmniejszania się warstwy ozonowej nad powierzchnią kuli ziemskiej zaczęto jednak podejmować dopiero od 1982 roku, kiedy to dr. Joe Farman odkrył na Antarktydzie Zachodniej całkowity zanik ozonu w atmos-ferze. W 1987 roku w celu ochrony warstwy ozonowej z inicjatywy UNEP (Programu Ochrony Środowiska Narodów Zjednoczonych) 31 państw podpisało Protokół Montrealski. Zakładano w nim 50 - procentowe ograniczenie produkcji freonów do 2000 roku w stosunku do wartości z 1986 roku. Od 1990 roku rzeczywiście obserwuje się zmniejszenie tempa wzrostu freonów w atmosferze - z 5% rocznie do mniej niż 3%. W produkcji kosmetyków i dezodorantów nie stosowane są już praktycznie freony, a jako nośniki używane są inne, nieszkodliwe dla środowiska gazy - propan i butan. Kosmetyki te oznaczane są jako "CFC frez" lub "ozon friendly" (przyjazne ozonowi). Także nowoczesne lodówki i chłodziarki są urządzeniami bezfreonowymi.
Jednak pomimo wszelkich działań mających na celu niedopuszczenie do dalszej emisji freonów i halonów, w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat nie stanie się możliwe odbudowanie warstwy ozonu nawet do grubości sprzed 20 laty.