Powrót do góry Powrót do góry
06.11.2018

Dziura ozonowa: 2018

Ozon jest odmianą tlenu składającą się z trzech atomów. Zgodnie z klasyczną teorią Chapmana (1930) ozon tworzy się w atmosferze w wyniku interakcji tlenu z intensywnym promieniowaniem UV ze Słońca. Główne źródło ozonu znajduje się w średniej stratosferze w pobliżu równika, a maksymalne stężenie ozonu wynosi około 10ppm (cząsteczek na milion). Bez ozonu, intensywne promieniowanie słoneczne zniszczyłoby życie na powierzchni Ziemi. Pochłanianie promieniowania słonecznego przez ozon powoduje, że do powierzchni Ziemi nie dociera promieniowanie o długości fali mniejszej niż 295nm. Warstwa ozonowa absorbuje ponad 95 procent promieniowania UVB (295-320nm) i około połowy UVA (320-400nm). Nadmierne dawki UV wywołują oparzenia słoneczne, większą podatność na  zaburzenia układu odpornościowego, kataraktę i raka skóry.  UV ma też korzystne działanie – jest  potrzebne do syntetyzowania witaminy D w organizmie człowieka.

Chociaż ozon wysoko w stratosferze chroni życie na Ziemi, to bezpośredni kontakt z ozonem jest szkodliwy dla organizmów żywych. Ten „zły”, przyziemny ozon jest wtórnym zanieczyszczeniem powietrza, powstającym gdy tlenki azotu emitowane  przy spalaniu w  silnikach samochodów reagują z lotnymi organicznymi związkami. Według norm poziom informowania społeczeństwa wynosi 90ppb, a poziom alarmowy 120ppb. Wysokie stężenia ozonu pojawiają się w pobliżu dużych miast, podczas wyżowej pięknej pogody, gdy dolna atmosfera jest nagrzana i stabilna. Szkodliwe skutki w takich sytuacjach mogą obejmować podrażnienia gardła i płuc, nasilenie astmy i rozedmy płuc.

Pomiary ozonu

Do pomiaru zawartości ozonu w kolumnie atmosfery używamy przyrządów optycznych (spektrofotometry). Na drodze wiązki światła w atmosferze porównywane są dwie różne intensywności fal, na pierwszej ozon silnie absorbuje promieniowanie UVB (305nm) a na drugiej słabo absorbuje UVA (325nm). Grubość warstwy ozonowej wyrażana jest zwyczajowo w jednostkach Dobsona (DU). Gdybyśmy sprowadzili cały ozon w kolumnie powietrza od powierzchni ziemi do granicy atmosfery do ciśnienia normalnego i temperatury 0oC, to powstałaby warstwa o grubości 3 mm, co odpowiada 300DU. Na świecie istnieje gęsta sieć kilkuset stacji naziemnych, gdzie prowadzone są codziennie obserwacje całkowitej zawartości ozonu. Dopiero od 1979 roku, gdy wprowadzono obserwacje ozonu z pokładu satelitów, można  monitorować globalne rozmieszczenie ozonu.

Szczegółowe informacje o rozkładzie pionowym ozonu w atmosferze są uzyskiwane za pomocą sond unoszonych balonem do maksymalnej wysokości 35km. Sondaże ozonowe są wykonywane od lat 1960., rutynowo raz w tygodniu na sieci kilkudziesięciu stacji rozmieszczonych na całym świecie. Obecnie stosowana sonda ECC składa się z małej teflonowej pompki i elektrochemicznego czujnika ozonu. Zachodząca w czujniku reakcja ozonu i jodku potasu powoduje powstanie niewielkiego prądu elektrycznego, który jest proporcjonalny do ilości ozonu.

Ochrona warstwy ozonowej

W latach 1970. wyjaśniono kluczowe procesy rozpadu ozonu w ziemskiej atmosferze. Zwrócono  szczególną uwagę na zagrożenie dla warstwy ozonowej związane ze stosowaniem chloro-fluorowanych pochodnych węglowodorów (CFC), znanych pod handlową nazwą freony. Freony były  masowo stosowane w chłodziarkach, w aerozolowych kosmetykach oraz do produkcji spienionych polimerów. Po nieoczekiwanym odkryciu zjawiska spadku ozonu nad Antarktydą („dziura ozonowa”) w roku 1985 podpisano konwencję wiedeńską  o ochronie warstwy ozonowej. Celem konwencji jest ochrona zdrowia ludzkiego i środowiska przed negatywnymi skutkami niszczenia warstwy ozonowej. Konwencja dotyczy wymiany informacji na temat kontroli produkcji i emisji substancji zubożających warstwę ozonową, a także współpracy w badaniach naukowych dla lepszego zrozumienia procesów zachodzących w atmosferze ziemskiej.  Protokół Montrealski (PM) do konwencji wiedeńskiej został podpisany w 1987 r., a wszedł w życie w 1989 r. PM w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową rozszerzano poprzez wprowadzanie kolejnych poprawek (pekińskie, londyńskie, montrealskie i kopenhaskie). Wprowadzanie zmian w protokole wymaga zgody państw sygnatariuszy protokołu oraz powinno uwzględniać wyniki aktualnych badań stanu warstwy ozonowej i procesów jej niszczenia, a także postępu w zakresie rozwoju i wdrażania technologii alternatywnych. PM okazał się  wielkim sukcesem. Od połowy lat 1990. stężenie freonów powoli spada. Przy pełnym przestrzeganiu PM za kilkadziesiąt lat można oczekiwać powrotu warstwy ozonowej do stanu z początku lat 1980. Gdyby nie wprowadzono PM i emisje niszczących ozon substancji w dalszym ciągu rosłyby w tempie 3% rocznie, dziura ozonowa objęłaby całą planetę do połowy XXI wieku.

Ostatnio znaleziono niepokojące dowody nieprzestrzegania PM ( Montzka i in., Nature, 2018; Lunt i in. Geophysical Research Letters, 2018). Niestety,  w dalszym ciągu do atmosfery przedostają się zakazane substancje CFC-11 i  CCl4. Na XXX spotkaniu stron PM w Quito, Ekwador w dniach 5-9 listopada 2018 roku planowane jest wprowadzenie kompleksowych działań w celu identyfikacji i eliminacji źródeł szkodliwych emisji.

Dziura ozonowa w 2018 r.

Dziura ozonowa nie jest w dosłownym znaczeniu „dziurą”, w której nie ma ozonu, ale jest obszarem zubożonego ozonu (spadek o 50-70%). Z historycznego zapisu danych wiemy, że całkowite zawartości ozonu w kolumnie atmosfery poniżej 220 DU nie zostały zaobserwowane przed rokiem 1979. Kontur 220 DU określa granicę dziury ozonowej. Na rysunku poniżej przedstawiono dziurę ozonową  nad Antarktydą w dniu 20 września 2018.

Rys. 1 Mapa NASA całkowitej zawartości ozonu nad półkulą południową 20 września 2018 r. (źródło: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/ozone_maps/images/Y2018/M10/OZONE_D2018-10-16_G%5E348X348.IOMPS_PNPP_V21_MGEOS5FP_LSH.JPG)

Rys. 1 Mapa NASA całkowitej zawartości ozonu nad półkulą południową 20 września 2018 r.
(źródło: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/ozone_maps/images/Y2018/M10/OZONE_D2018-10-16_G%5E348X348.IOMPS_PNPP_V21_MGEOS5FP_LSH.JPG)

Rysunek poniżej charakteryzuje ewolucję dziury ozonowej w 2018 roku. Linie ciągłe na wykresach ilustrują wielkość obszaru i głębokość dziury ozonowej, a także  najniższą temperaturę w stratosferze. Wartości w kolejnych  dniach  są pokazane na tle zmienności w serii pomiarów od 1979 roku. Liczby w kolorze czerwonym to wartości maksymalne lub minimalne w 2018 roku. Temperatura stratosfery i ilość światła słonecznego docierającego do obszaru polarnego kontrolują rozmiar i głębokość dziury ozonowej. Poniżej pewnej wartości progowej – linia przerywana na wykresie minimalnej temperatury -mogą się tworzyć polarne chmury stratosferyczne (PSC). Na powierzchniach PSC gromadzi się chlor, a pojawienie się Słońca nad horyzontem uruchamia proces katalitycznej destrukcji ozonu. Na podstawie dotychczasowych kampanii pomiarowych oszacowano, że ozon jest niszczony w tempie 1‑2 procent/dzień. Z obliczeń w modelach wynika, że jeden atom chloru może zniszczyć tysiące cząsteczek ozonu.  Minimalny poziom ozonu w dniach 11-12 października wynosił 102 D. W tym roku niszczeniu ozonu sprzyjały długie okresy bardzo niskich temperatur w stratosferze.

Rys.2 Charakterystyki dziury ozonowej i temperatury w stratosferze w 2018 roku (źródło: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/statistics/meteorology_ytd_sh.png)

Rys.2 Charakterystyki dziury ozonowej i temperatury w stratosferze w 2018 roku
(źródło: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/statistics/meteorology_ytd_sh.png)

Na Rys. 3 pokazano zmiany powierzchni i minimalnego poziomu ozonu w kolejnych latach od 1979 roku.   Do połowy lat 1990. rosło nasycenie atmosfery szkodliwymi związkami chloru. W tym czasie  powierzchnia dziury i wielkość spadku ozonu rosły, ale dziurę ozonową o największej powierzchni 27 mln km2 odnotowano później, w 2006 roku. W tym roku dziura ozonowa, o średniej powierzchni  23 mln km2, była większa niż przeciętnie i większa niż w ostatnich dwóch latach.

Rys. 3 Charakterystyki dziury ozonowej w  latach 1979-2018.  (źródło: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/statistics/meteorology_annual.png)

Rys. 3 Charakterystyki dziury ozonowej w latach 1979-2018.
(źródło: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/statistics/meteorology_annual.png)

Niemal kompletną destrukcję ozonu w dolnej stratosferze nad biegunem południowym pokazuje profil z 12 października (Rys. 4). Obecnie wir polarny słabnie, kończy się izolacja chłodnego powietrza, które miesza się z cieplejszym powietrzem z otaczających szerokości geograficznych. Po wzroście temperatur powyżej progu formowania PSC (Rys.2) niszczące ozon formy chloru rozproszą się i warstwa ozonowa ustabilizuje się aż do następnej wiosny.

Rys.4 Profile NOAA ozonu i temperatury zmierzone przez sondę wypuszczoną z bieguna południowego 12 października 2018.  (źródło https://www.esrl.noaa.gov/gmd/webdata/ozwv/ozsondes/spo/iadv/SPO_2018-10-15.21.png)

Rys.4 Profile NOAA ozonu i temperatury zmierzone przez sondę wypuszczoną z bieguna południowego 12 października 2018.
(źródło https://www.esrl.noaa.gov/gmd/webdata/ozwv/ozsondes/spo/iadv/SPO_2018-10-15.21.png)

Aktualne informacje na temat stanu warstwy ozonowej można śledzić na stronie NASA Ozone Watch: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/

Bogumił Kois/IMGW-PIB

Wyślij link Drukuj Powrót