Niszczenie warstwy ozonowej

Warstwa ozonowa w atmosferze

Stratosfera jest obszarem przestrzeni kosmicznej leżącym w przybliżeniu pomiędzy 15 i 50 km ponad powierzchnią Ziemi. Odróżnia się od warstwy położonej poniżej (troposfery) i od warstwy leżącej powyżej (mezosfery) występowaniem inwersji temperatury, polegającej na wzroście temperatury wraz z wysokością. Inwersja temperatury ogranicza konwekcję (unoszenie) oraz sprawia, że stratosfera jest stabilna. Podobnie jak w troposferze, jej głównym składnikiem chemicznym jest azot i tlen. Jednak promieniowanie wysokoenergetyczne powoduje, że gazy, szczególnie tlen, ulegają innym reakcjom chemicznym niż te zachodzące bliżej powierzchni Ziemi.

Źródło: www.losyziemi.pl
Źródło: www.losyziemi.pl

Najważniejsze są reakcje związane z syntezą i rozkładem ozonu. Gaz ten jest naturalnym składnikiem atmosfery, a jego największe stężenie występuje na wysokości między 15 i 30 kilometrem n.p.m. Obszar ten jest często zwany warstwą ozonową lub ozonosferą. Maksymalna koncentracja ozonu przypada na wysokość 18-20 km n.p.m.

Ozon stratosferyczny nazywany jest „dobrym ozonem”, natomiast ozon troposferyczny nazywany jest „złym ozonem”.

Dobry ozon – stratosferyczny, chroni życie roślin i zwierząt, absorbując wysokoenergetyczne promieniowanie słoneczne docierające do Ziemi.

Zły ozon – troposferyczny, powoduje podrażnienia oraz uszkodzenia u roślin i zwierząt z powodu silnych właściwości utleniających.

W stratosferycznej warstwie ozonu jego stężenie jest rzędu jednej części na milion, a więc nawet w tej warstwie stanowi on małą część wszystkich cząsteczek. Jednak odgrywa on ogromną rolę w ograniczaniu dostępu do powierzchni Ziemi szkodliwego promieniowania UV.

Rodzaje promieniowania UV:

  • UV próżniowe: 10-200 nm
  • UV-C: 200-280 nm
  • UV-B: 280-320 nm
  • UV-A : powyżej 320 nm

Szkodliwość nadfioletu wynika z silnego pochłaniania fotonów UV przez białka i kwasy nukleinowe. Tylko około 5% promieniowania UV dociera do powierzchni Ziemi. W 100% zostaje wyeliminowane promieniowanie o długości mniejszej niż 290 nm. Tlen cząsteczkowy pochłania promieniowanie poniżej 240 nm, a ozon w zakresie 200-315 nm.

Ozon nie wykazuje zdolności absorbowania promieniowania UV-A. Ponadto tam, gdzie stężenie ozonu w stratosferze ulegnie znacznemu zmniejszeniu, niebezpieczne ilości promieniowania UV-B mogą przenikać do troposfery.

Obserwacje zaniku ozonu

Ozon zanika na całym obszarze kuli ziemskiej, za wyjątkiem pasa międzyzwrotnikowego. Tempo i skala zaniku są jednak silnie zróżnicowane. Przeciętna grubość ozonosfery w obszarach pozapolarnych w latach 2002-2005 była mniejsza o ok. 3% niż przed 1980r. na półkuli północnej i o 6% na półkuli południowej. Nad Polską średnioroczny ubytek ozonu w latach 2003-2005 w stosunku do średniej z lat 1963-1980 wyniósł 3%.

Różnice pomiędzy półkulą północną i południową wynikają głownie z tego, że najpoważniejsze zniszczenia warstwy ozonowej stwierdzono nad Antarktydą. Na początku antarktycznej wiosny (wrzesień-październik) w 1985r. po raz pierwszy stwierdzono znaczny, bo 40%, spadek stężenia ozonu. Pocieszający jest fakt, że po wiosennym przesileniu deficyt ozonu ulega dość szybkiemu uzupełnieniu. Do przełomu wieków XX i XXI ilościowa oraz przestrzenna skala ubytków ozonu nad Antarktydą rosła, lecz obecnie daje się zauważyć zatrzymanie trendu.

Przyczyny zaniku warstwy ozonowej

W 1973 roku Sherwood Rowland i Mario Molina sformułowali hipotezę o negatywnym wpływie freonów na warstwę ozonową. Freony są związkami nieaktywnymi w dolnych warstwach atmosfery. Mogą one przetrwać w atmosferze przez długi czas, np. CFC-11 przez 60 lat, CFC-12 przez 120 lat, a CFC-115 przez 1700 lat. Do najpowszechniej stosowanych i najbardziej niebezpiecznych freonów należą: CFC-11 (CCl3F – trójchlorofluorometan) i CFC-12 (CCl2F2 dwuchlorodwufluorometan).

W atmosferze freony mogą podlegać reakcji rozpadu przy udziale promieni słonecznych, czyli reakcji fotolizy. Jednym z efektów rozpadu jest uwolnienie reaktywnych atomów (rodników) chloru, które łatwo reagują z cząsteczkami ozonu, rozkładając je do cząsteczki tlenu O2 i ClO.

Powstający w tej reakcji aktywny chemicznie ClO może odtwarzać chlor atomowy w reakcji z atomem tlenu. Zagrożenie tymi reakcjami wynika z tego, że atom chloru najpierw rozkłada ozon, a potem ulega regeneracji i może reagować z kolejną cząsteczką ozonu. Przy okazji wiązane są wolne atomy tlenu, które w reakcji z tlenem cząsteczkowym mogłyby odtwarzać ozon. Co pewien czas (1 reakcja na 1000 reakcji z O3) chlor atomowy wchodzi w reakcję z innymi substancjami np. z dwutlenkiem azotu, tworząc azotan chloru (ClONO2), który jest trwalsze chemicznie, może przedostać się do troposfery i zostać wymyty przez opady atmosferyczne. Dzieje się tak rzadko, więc 1 atom chloru może spowodować rozpad około 100 tysięcy cząsteczek ozonu.

Gazami niebezpiecznymi dla ozonu okazały się również halony i bromek metylu. Halony są chlorowcowymi pochodnymi węglowodorów alifatycznych, zawierającymi brom. Stosowane są do gaszenia pożarów jako substancje nieaktywne. Bromek metylu jest substancją toksyczną wykorzystywaną jako pestycyd do odkażania gleb przed uprawami, dezynfekcji i dezynsekcji towarów, plonów i budynków.

Atomy bromu, które mogą być uwolnione z tych substancji, działają podobnie jak chlor, ale są od niego bardziej aktywne przy niszczeniu ozonu.

Dziura ozonowa

Stężenie ozonu w stratosferze wykazuje zmienność związaną zarówno z położeniem na Ziemi, jak i zmienność w czasie. Średnia światowa wartość w jednostkach Dobsona, która wynosi ok. 300 DU, zmienia się od 250 w tropiku do 450 w regionach bliższych biegunowi północnemu i południowemu. Obserwuje się również sezonowe zmiany stężenia ozonu.

Termin dziura ozonowa jest stosowany do opisu zjawiska zubożania warstwy ozonu, obserwowanego w ostatnich latach w okresie wiosennym nad obszarem Antarktyki (w październiku) i ostatnio nad Arktyką (marzec). Określenie dziura ozonowa jest częściowo niewłaściwe, ponieważ ozon nadal jest obecny w obszarach polarnych stratosfery, występuje  tam jednak w zmniejszonej ilości. Przykładowo niektóre pomiary wykazały, że bezpośrednio nad Antarktyką dziura ozonowa odpowiadała wartości mniejszej niż 150 DU.

Chloropochodne węglowodorów powodują rozkład ozonu na wysokości ponad 20 km n.p.m., ale największy spadek koncentracji ozonu występuje na wysokości 30-40 km n.p.m., gdzie zawartość O3 jest już tak mała, że w niewielkim stopniu ubytek ten może wpłynąć na ogólną ilość ozonu. Natomiast dziura nad Antarktydą pojawia się na niższych wysokościach, gdzie chlor występuje w związkach takich jak: HCl, ClONO2, które nie reagują z ozonem.

Do powstania dziury ozonowej nad Antarktyką przyczyniły się panujące tam szczególne warunki atmosferyczne i wynikające stąd odmienności chemizmu chloru. Podczas zimy arktycznej masy powietrza przemieszczają się w kierunku bieguna południowego, tworząc wir polarny – układ bardzo stabilny, uniemożliwiający napływ cieplejszego powietrza, pozostający przez kilka miesięcy w ciemności nocy polarnej. Temperatura spada poniżej -80ºC i wtedy wewnątrz wiru tworzą się polarne chmury stratosferyczne, składające się z kwaśnego lodu (kwas azotowy). W tych chmurach związana jest większość występujących w powietrzu tlenków azotu. Na powierzchni kryształków kwaśnego lodu zachodzą reakcje heterogeniczne pomiędzy związkami chloru i azotu, które prowadzą do powstania cząsteczek Cl2, ClNO2 i HOCl, które kumulują się w chmurach. Wiosną, gdy pojawia się promieniowanie słoneczne, zachodzą reakcje fotolizy prowadzące do powstawania rodników chloru, który wchodzi w reakcje z ozonem. Niszczenie ozonu przebiega wtedy bardzo szybko, co sprawia, że w czasie niewielu dni poziom ozonu ulega gwałtownemu obniżeniu do połowy lub nawet poniżej ilości wykazywanej w czasie zimy polarnej. Sytuacja utrzymuje się do momentu, gdy zaczyna wzrastać temperatura powietrza, w wyniku czego wir polarny zanika z jednoczesnym rozproszeniem polarnych chmur stratosferycznych.

Od stycznia do marca 1996r. obserwowano zanik ozonu nad Arktyką. Od Grenlandii przez Skandynawię po zachodnią Syberię rozciągała się wielka dziura ozonowa, której ubytki sięgały nawet 45% zawartości ozonu w stratosferze. Podczas arktycznej zimy 2004/5 dziura ozonowa należała do największych w historii. Nastąpiło to pomimo braku w tym rejonie chmur kwaśnego lodu, które są charakterystyczne tylko dla Antarktyki, gdzie tworzy się wir polarny. Uważa się, że był to efekt reakcji heterogenicznych zachodzących na kroplach kwasu azotowego.

Reakcje heterogeniczne mogą rozprzestrzeniać się w związku z globalnym ociepleniem, podczas którego ciepło ogrzewające stratosferę pozostaje zatrzymane bliżej powierzchni. Wzrost temperatury troposfery o 3ºC spowodowałby spadek temperatury stratosfery o 6ºC. W konsekwencji zwiększy się zasięg kondensacji związków azotu, a zatem i niszczenie ozonu. Reakcje heterogeniczne mogą również zachodzić na powierzchni aerozolu kwasu siarkowego.

Konsekwencje zniszczenia ozonosfery

Ocenia się, że ubytek 1% ozonu powoduje wzrost natężenia promieniowania UVB, które może niekorzystnie wpływać na zdrowie ludzi oraz na inne organizmy żywe.

Promieniowanie UV-B jest przedmiotem największej troski człowieka, ponieważ może ono powodować niszczenie komórek w środkowych warstwach skóry aktywnej. Odpowiedzią organizmu na działanie tego typu promieniowania jest wytwarzanie melaniny, czego dowodem jest pojawienie się opalenizny. Promieniowanie to w dużej mierze jest odpowiedzialne za występowanie: czerniaka złośliwego i raka podstawokomórkowego. Szacuje się, że wraz z ubytkiem 10% ozonu liczba dodatkowych zachorowań na nowotwory skóry mogłaby wynieść od 300.000 do 2 mln rocznie.

Promieniowanie UV-A jest zazwyczaj uważane za mniej niebezpieczne, lecz wiadomo, że wnika w skórę dostatecznie głęboko i przy dłuższej ekspozycji skóry na działanie promieniowania słonecznego w wyniku zniszczenia komórek następuje przyspieszenie procesu starzenia.

Promieniowanie nadfioletowe może powodować wiele chorób oczu, w tym kataraktę. Konsekwencją ubytku 10% ozonu byłoby prawdopodobnie 1,6-1,75 mln przypadków katarakty w ciągu roku.

Osłabienie układu immunologicznego oznacza nie tylko słabszą ochronę przed powstawaniem nowotworów skóry, ale także przed chorobami zakaźnymi, takimi jak: odra, ospa i inne choroby wirusowe objawiające się zmianami skórnymi, choroby pasożytnicze przenoszone przez skórę (leiszmaniozy), choroby bakteryjne (trąd, gruźlica) i grzybice.

Amerykańscy uczeni uważają, ze 1/2 do 2/3 gatunków roślin jest bardzo wrażliwych na wzrost natężenia promieniowania UV. Mimo stosunkowo niewielkich ubytków ozonu, poza obszarem Antarktyki, mogą ujawnić się szkodliwe skutki wzrostu promieniowania UV w postaci redukcji tempa wzrostu i obniżenia zawartości substancji odżywczych. Często bowiem obserwowane skutki ubytku ozonu występują wczesną wiosną, kiedy zaczyna się okres wegetacyjny, a młode rośliny są bardziej wrażliwe na nadfiolet. Szczególnie wrażliwe są rośliny strączkowe i kapustne.

Na obszarach położonych najbliżej Antarktydy (Australia, Nowa Zelandia, Chile) pojawiają się: ślepe zwierzęta (łosie, zające, owce), zaburzenie cyklów rozrodczych zwierząt, zniekształcone rośliny. Zmiany te tłumaczą się dziurą ozonową.

Ochrona ozonu stratosferycznego

Działania w zakresie zapobiegania niszczeniu warstwy ozonowej są jednym z nielicznych przykładów zgodnej i skutecznej współpracy międzynarodowej, mającej na celu zapobieganie globalnym zagrożeniom ekologicznym.

Już w 1977r. UNEP (Program Środowiskowy Narodów Zjednoczonych) zwołał w Waszyngtonie naradę ekspertów w sprawie ochrony warstwy ozonu. W 1985 r. w Wiedniu odbyła się konferencja zakończona podpisaniem tzw. Konwencji Wiedeńskiej, w której po raz pierwszy zobowiązano się do wprowadzenia ograniczeń w zakresie produkcji i zużycia freonów. Prace zespołu ekspertów powołanego w Wiedniu zakończyły się w 1987r. podpisaniem w Montrealu protokołu zawierającego szczegółowe wytyczne i zobowiązania w sprawie kontroli produkcji i zużycia freonów i halonów. Protokół Montrealski wszedł w życie w 1989r. Zgodnie z jego ustaleniami, zakładano do 1999r. redukcję produkcji najważniejszych freonów i halonów o 50% w stosunku do ich zużycia w 1986r. W 1996 roku podpisano nowe porozumienie, które zobowiązywało do obniżenia poziomu wykorzystania freonów i halonów o 75%.

W wyniku stabilności w troposferze substancji zubażających warstwę ozonową oraz powolnej ich migracji do stratosfery, skutki ich emisji będą utrzymywać się jeszcze dość długo. Prognozy przewidują, że w umiarkowanych szerokościach geograficznych koncentracja ozonu wróci do stanu sprzed 1980r. około połowy obecnego wieku. Dziura ozonowa nad Arktyką będzie pojawiać się do około 2020 roku, a nad Antarktydą nawet do lat 2060-2075.

Jedna myśl nt. „Niszczenie warstwy ozonowej

  1. adamus

    nie ma słowa o chemicznym oprysku zawierającym metale ciężkie, nanowłókna, grzyby, suszoną krew, czyli kontrola umysłu armii USA, a przy okazji totalna destrukcja życia na naszej planecie.

    Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *