F. Sean Pierce on Unsplash.

Written by 12:00 Nauka

Odbudowując warstwę ozonową, chronimy klimat Ziemi

Bogumił Kois
IMGW-PIB/Centrum Hydrologiczno-Meteorologicznej Sieci Pomiarowo-Obserwacyjnej, Wydział Monitorowania Jakości Powietrza

Najnowsza aktualizacja Protokołu montrealskiego, sporządzona przez Scientific Assessment Panel, pokazuje, że regeneracja warstwy ozonowej przebiega prawidłowo i do 2066 roku poziom tego gazu nad Antarktyką prawdopodobnie powróci do stanu sprzed 1980 roku. Eksperci zwracają również uwagę na pozytywne następstwa tej inicjatywy w kontekście ograniczania i spowalniania współczesnej zmiany klimatu. W Światowym Dniu Ozonu 2023, który przypada 16 września, świętujemy szczególne osiągnięcia globalnej społeczności w regeneracji warstwy ozonowej oraz wskazujemy na kolejne wyzwania. 

Chociaż ozon występuje w atmosferze tylko w śladowych ilościach, to odgrywa kilka kluczowych ról w fizyce i chemii atmosfery. Silne pasma pochłaniania słonecznego promieniowania UV powodują, że naturalna warstwa ozonowa, zlokalizowana w stratosferze (10-50 km), zatrzymuje szkodliwą część promieniowania, co umożliwia utrzymywanie się życia na naszej planecie w znanej nam formie od około 600 milionów lat. Im cieńsza jest warstwa ozonowa, tym więcej promieniowania UV-B dociera do Ziemi. U ludzi nadmierna ekspozycja na słoneczne promieniowanie ultrafioletowe może powodować oparzenia słoneczne, zaćmę, mutacje genetyczne i raka skóry. W górnej troposferze ozon jest silnym gazem cieplarnianym, który według oszacowań IPCC daje 20-proc. wkład do globalnego ocieplenia klimatu od początku ery przemysłowej. Duże stężenia ozonu przyziemnego mogą powodować niszczenie materiałów, gorsze plonowanie roślin oraz podrażnienia dróg oddechowych. 

Pomiary ozonu stratosferycznego przyciągnęły uwagę w latach 1960 i 1970, gdy rozpoznano, że naturalne poziomy ozonu są regulowane przez śladowe ilości tlenków azotu, tlenków wodoru oraz halogenów. Antropogeniczne zakłócenia tych cykli zostały zbadane, gdy uznano, że emisje związków zawierających azot (N) i chlor (Cl) przez rakiety i samoloty na dużych wysokościach mogą zagrażać ozonowi stratosferycznemu. Jeszcze większym zagrożeniem okazały się produkowane przez człowieka chloro-fluoro-węglowodory (CFC). Są one stosunkowo obojętne w troposferze, ale mogą przedostawać się do stratosfery i niszczyć ozon fotochemicznie. Zakłócona chemia ozonu stratosferycznego przez CFC była powodem do niepokoju, co doprowadziło do pierwszych regulacji dotyczących stosowania CFC w latach 70. XX wieku. Jednak dopiero wtedy, gdy monitoring ozonu całkowitego na powierzchni ziemi pokazał katastrofalny spadek ozonu wiosną nad Antarktydą w latach 1984-1985, podjęto międzynarodowe działania mające na celu wycofanie substancji niszczących ozon, co miało miejsce w 1987 roku podczas podpisania Protokołu Montrealskiego1

Działania PM dla ochrony warstwy ozonowej 

Protokół montrealski to globalna umowa mająca na celu ochronę warstwy ozonowej Ziemi poprzez stopniowe wycofywanie substancji chemicznych, które ją niszczą. Ten przełomowy dokument obowiązuje od 1989 roku i jest jednym z najbardziej udanych globalnych porozumień środowiskowych. 

Sukcesem PM jest wycofanie z użycia 99 proc. zakazanych substancji niszczących ozon. PM zdołał zabezpieczyć warstwę ozonową, prowadząc do zauważalnego wzrostu koncentracji ozonu w górnej stratosferze oraz zmniejszenia ekspozycji ludzi na szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe (UV) pochodzące od Słońca.  

Z najnowszej Oceny Naukowej ekspertów WMO/UNEP wynika, że jeśli obecne działania pozostaną w mocy, warstwa ozonowa odzyska wartości z 1980 roku (przed pojawieniem się dziury ozonowej) do około 2066 roku nad Antarktydą, do 2045 roku nad Arktyką i do 2040 roku w pozostałych częściach świata.  

Wpływ PM na zmiany klimatu 

„Działania PM w zakresie ozonu stanowią precedens dla działań klimatycznych. Sukces w wycofywaniu substancji niszczących ozon pokazuje, co można i trzeba pilnie zrobić, aby przejść na inne źródła energii, zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych i tym samym ograniczyć wzrost temperatury”. – powiedział Prof. Petteri Taalas, Sekretarz Generalny Światowej Organizacji Meteorologicznej2

Dodatkowa umowa do PM z roku 2016, znana jako poprawka z Kigali, nakłada obowiązek stopniowego wycofywania się z produkcji i konsumpcji wielu hydro-fluoro-węglowodorów (HFC). HFC nie niszczą bezpośrednio warstwy ozonowej, ale są potężnymi gazami wpływającymi na zmianę klimatu. Panel Oceny Naukowej WMO/UNEP szacuje, że poprawka ta pozwoli na uniknięcie ocieplenia o 0,3-0,5 st. Celsjusza do 2100 roku. Wycofywanie substancji niszczących ozon już przynosi korzyści w zakresie łagodzenia zmiany klimatu. 

Aktualny stan „dziury ozonowej” (9 września 2023 r.) 

“Dziura ozonowa” to zjawisko zachodzące co roku od kilku dziesięcioleci wiosną w stratosferze na południowej półkuli Ziemi, podczas którego reakcje chemiczne zawierające chlor i brom powodują szybkie i znaczne zniszczenie ozonu w regionie południowego bieguna. Obszar w którym ozon jest znacznie zubożony, nazywamy “dziurą ozonową”. Jej powierzchnia jest określana na podstawie mapy całkowitej ilości ozonu w kolumnie atmosfery nad danym miejscem i obliczana na podstawie obszaru na Ziemi, który jest ograniczony linią o stałej wartości 220 jednostek Dobsona. Dlaczego 220? Ponieważ wartości całkowitej ilości ozonu mniejsze niż 220 jednostek Dobsona nie występowały w obserwacjach historycznych nad Antarktydą przed rokiem 1979. Na podstawie bezpośrednich pomiarów nad Antarktydą ustalono, że poziom ozonu w kolumnie mniejszy niż 220 jednostek Dobsona jest wynikiem utraty ozonu spowodowanej związkami chlorku i bromu. 

Mapa ozonu całkowitego nad biegunem antarktycznym z 9 września 2023 roku. Kolumny ozonu są prezentowane w jednostkach Dobsona. Kolory fioletowy i niebieski oznaczają obszary, gdzie jest najmniej ozonu, a żółte i czerwone obszary, tam gdzie jest więcej ozonu.
Mapa ozonu całkowitego nad biegunem antarktycznym z 9 września 2023 roku. Kolumny ozonu są prezentowane w jednostkach Dobsona. Kolory fioletowy i niebieski oznaczają obszary, gdzie jest najmniej ozonu, a żółte i czerwone obszary, tam gdzie jest więcej ozonu.

Co to jest Jednostka Dobsona?
Jednostka Dobsona to najczęściej używana miara pomiaru stężenia ozonu. Jedna Jednostka Dobsona to ilość cząsteczek ozonu, która byłaby potrzebna do utworzenia warstwy czystego ozonu o grubości 0,01 milimetra, w temperaturze 0 st. Celsjusza i pod ciśnieniem 1 atmosfery (ciśnienia powietrza na powierzchni Ziemi). Innymi słowy, kolumna powietrza o stężeniu ozonu wynoszącym 1 Jednostkę Dobsona zawierałaby około 2,69×10^16 cząsteczek ozonu na każdy centymetr kwadratowy powierzchni u podstawy kolumny. Na powierzchni Ziemi średnia grubość warstwy ozonowej wynosi około 300 Jednostek Dobsona, co odpowiada warstwie o grubości 3 milimetrów. 

Patrząc na obszar dziury ozonowej od sierpnia 2023 roku i prognozy na najbliższe dni widać, że dziura ozonowa była systematycznie większa w porównaniu do ostatnich lat. W normalnych warunkach w stratosferze południowej półkuli dziura ozonowa zaczyna formować się pod koniec sierpnia lub na początku września, gdy Słońce wschodzi nad Biegunem Południowym, i zamyka pod koniec listopada. Jednym z potencjalnych powodów, które mogą wyjaśnić ten nietypowy początek sezonu dziury ozonowej w tym roku może być erupcja wulkanu Hunga Tonga Ha’apai na Pacyficznym Oceanie Południowym w grudniu 2021 roku i styczniu 2022 roku, w wyniku której do stratosfery dostała się duża ilość pary wodnej. Wiadomo, że ubytek ozonu jest napędzany procesami chemicznymi zachodzącymi na polarnych chmurach stratosferycznych, które są bardziej skłonne do tworzenia się, gdy poziomy pary wodnej w stratosferze jest wysoki. Dlatego wybuch wulkanu może mieć wpływ na rozwój dziury ozonowej nad Antarktydą. 

Całkowite kolumny ozonu z obserwacji satelitarnych MSR2 wykorzystywane w programie asymilacji danych KNMI, który codzienne dostarcza globalne pola ozonu oraz prognozę na nadchodzące dni. Pokazano pole powierzchni obszaru poniżej 220 Jednostek Dobsona nad półkulą południową w okresie od sierpnia do grudnia w latach 2016-2022 (linie) oraz w 2023 roku (punkty). Źródło: https://www.temis.nl/protocols/o3hole/index.php.
Całkowite kolumny ozonu z obserwacji satelitarnych MSR2 wykorzystywane w programie asymilacji danych KNMI, który codzienne dostarcza globalne pola ozonu oraz prognozę na nadchodzące dni. Pokazano pole powierzchni obszaru poniżej 220 Jednostek Dobsona nad półkulą południową w okresie od sierpnia do grudnia w latach 2016-2022 (linie) oraz w 2023 roku (punkty). Źródło: https://www.temis.nl/protocols/o3hole/index.php.
Postęp dziury ozonowej w 2023 roku. Granice cieniowanych obszarów wskazują najwyższe i najniższe wartości zmierzone od 1979 roku. Czerwone liczby to maksymalne lub minimalne wartości w 2023 roku. Temperatura stratosferyczna i ilość światła docierającego do południowej części bieguna kontrolują głębokość i rozmiar dziury ozonowej nad Antarktydą. Przerywana linia na wykresie minimalnej temperatury w stratosferze wskazuje temperaturę –78 stopni Celsjusza, poniżej której mogą tworzyć się polarne chmury stratosferyczne (PSC). PSC, czyli chmury polarnego stratosferycznego aerozolu stwarzają środowisko, w którym zachodzą reakcje chemiczne, prowadzące do uwolnienia szkodliwego chloru ze związków rezerwuarowych (HCl, ClONO2). Ten wolny chlor jest jednym z głównych czynników niszczących warstwę ozonową. Dane aktualizowane codziennie przez NASA. Źródło: https://ozonewatch.com.
Postęp dziury ozonowej w 2023 roku. Granice cieniowanych obszarów wskazują najwyższe i najniższe wartości zmierzone od 1979 roku. Czerwone liczby to maksymalne lub minimalne wartości w 2023 roku. Temperatura stratosferyczna i ilość światła docierającego do południowej części bieguna kontrolują głębokość i rozmiar dziury ozonowej nad Antarktydą. Przerywana linia na wykresie minimalnej temperatury w stratosferze wskazuje temperaturę –78 stopni Celsjusza, poniżej której mogą tworzyć się polarne chmury stratosferyczne (PSC). PSC, czyli chmury polarnego stratosferycznego aerozolu stwarzają środowisko, w którym zachodzą reakcje chemiczne, prowadzące do uwolnienia szkodliwego chloru ze związków rezerwuarowych (HCl, ClONO2). Ten wolny chlor jest jednym z głównych czynników niszczących warstwę ozonową. Dane aktualizowane codziennie przez NASA. Źródło: https://ozonewatch.com.

Tegoroczna ewolucja dziury ozonowej oraz prognozy na najbliższe dni pokazują systematycznie większą dziurę w porównaniu do poprzednich lat. Przyczyn tego zjawiska można szukać w erupcji wulkanu Hunga Tonga, który wprowadził do stratosfery dużą ilość pary wodnej. Badanie interakcji ozonu z klimatem powinno być tematem dalszych prac, ponieważ dane z ostatnich lat sugerują możliwość przedłużenia czasu formowania się i zamykania dziury ozonowej na okres miesięcy letnich. Wtedy wskaźniki promieniowania UV mogą osiągnąć ekstremalne wartości. 

16 września obchodzony jest na świecie Międzynarodowy Dzień Ochrony Warstwy Ozonowej. Dzień ten został ustanowiony przez Zgromadzenie Ogólne ONZ 19 grudnia 1994 roku, w rocznicę podpisania Protokołu Montrealskiego (PM) (1987) w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową. Tematem Międzynarodowego Dnia Ochrony Warstwy Ozonowej w 2023 roku jest regeneracja warstwy ozonowej i zmniejszanie wpływu zmian klimatycznych za pomocą PM. 

Literatura
Crutzen P.J., 1970, The influence of nitrogen oxides on the atmospheric ozone content, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 96 (408), 320-1272, https://doi.org/10.1002/qj.49709640815.
Farman J.C., Gardener B.G., Shanklin J.D., 1985, Large losses of total ozone in Antarctica reveal seasonal ClOX/NOX interaction, Nature, 315, 207-210, https://doi.org/10.1038/315207a0.
Lovelock J.E., Maggs R.J., Wade R.J., 1973, Halogenated Hydrocarbons in and over the Atlantic, Nature, 241, 194-196, https://doi.org/10.1038/241194a0.
Stolarski R.S., Cicerone R.J., 1974, Stratospheric chlorine: a possible sink for ozone, Canadian Journal of Chemistry, 1610-1615, https://doi.org/10.1139/v74-233.
WMO, 2023, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022, Ozone Research and Monitoring – GAW Report No. 278,1468 World Meteorological Organization, Geneva.

[1] Wdrożenie Protokołu Montrealskiego i jego następnych poprawek wymaga od rządów monitorowania ozonu i raportowania co cztery lata do Światowej Organizacji Meteorologicznej (WMO) i Programu Środowiska ONZ (UNEP) w ramach Ocen Naukowych dotyczących ozonu całkowitego, jego pionowego rozkładu i przyczyn długotrwałych. Od 1991 roku przeprowadzono dziewięć Ocen, a najnowszy raport został opublikowany w 2022 roku.
[2] https://public.wmo.int/en/media/press-release/ozone-layer-recovery-track-helping-avoid-global-warming-05%C2%B0c


Oprac. Bogumił Kois | IMGW-PIB, Wydział Monitorowania Jakości Powietrza.
Zdjęcie główne: Sean Pierce | Unsplash.

(Visited 90 times, 2 visits today)
Tagi: , , , , Last modified: 11 października 2023
Close