Niedobory całkowitej zawartości ozonu w atmosferze obserwuje się od około 50 lat. Pierwszy raz zauważono je na kilku stacjach, z długimi seriami dobrze skalibrowanych pomiarów, w umiarkowanych szerokościach geograficznych na półkuli północnej. Pod koniec lat 70. ubożenie warstwy ozonowej stało się globalnym problemem. Po tym, jak w 1985 roku brytyjscy badacze odkryli sezonowe zjawiska wiosennej dziury ozonowej na Antarktydą, państwa Wspólnoty Europejskiej podpisały Konwencję wiedeńską w sprawie ochrony warstwy ozonowej. Dwa lata później uzgodniono porozumienie zwane Protokołem montrealskim. Mimo pozytywnych zmian, jakie zaszły w warstwie ozonowej od tamtego czasu, co jakiś czas występują epizody poszerzania się dziury ozonowej. Czy mamy się czego obawiać?
Ozon to gaz złożony z trzech atomów tlenu (O3). Występuje naturalnie w śladowych ilościach przede wszystkim w górnej atmosferze (na wysokościach od 10 do 50 km) i chroni życie na Ziemi przed szkodliwym promieniowaniem UV ze Słońca. Ozon w stratosferze stanowi średnio 9/10 całej zawartości tego gazu na naszej planecie. Pozostała jego część znajduje się w troposferze, blisko powierzchni Ziemi, będąc wtórnym zanieczyszczeniem powietrza, którego wysokie koncentracje są toksyczne dla ludzi i roślin. Ten „zły” ozon odgrywa ważną rolę w systemie klimatycznym naszego globu. Podobnie jak dwutlenek węgla (CO2) i metan (CH4) pochłania promieniowanie cieplne docierające do atmosfery z powierzchni Ziemi i przyczynia się do efektu cieplarnianego. Dlatego zbyt wysokie stężenie ozonu troposferycznego jest niepożądane.
Naturalny poziom ozonu w stratosferze jest wynikiem bilansu pomiędzy promieniowaniem, które tworzy ozon i reakcji chemicznych, które go niszczą. Gaz ten powstaje z tlenu, którym oddychamy, poprzez rozpad cząsteczki O2 na dwa atomy w wyniku oddziaływania intensywnego promieniowania słonecznego UV. Pojedyncze atomy tlenu mogą się ponownie połączyć tworząc O2 albo przyjąć dodatkową cząsteczkę tlenu, co prowadzi do powstania ozonu (O3).
Tlen, tlen i jeszcze raz tlen – podstawa życia na Ziemi
Tle i ozon już w górnych warstwach atmosfery pochłaniają w całości najbardziej energetyczne i zabójcze dla organizmów promieniowanie UV-C. Dzięki ozonowi w stratosferze zatrzymywane jest ponad 90% szkodliwego promieniowania UV-B i 50% pasma UV-A. Zawartość tego gazu w atmosferze Ziemi ma niebagatelne znaczenie dla ludzkiego zdrowia. Przebywanie na słońcu przy dużych ubytkach ozonu może prowadzić do oparzeń skóry, uszkodzenia oczu, a nawet raka. Z drugiej strony, przy normalnych zawartościach ozonu, promieniowanie UV-B jest niezbędne do syntezy witaminy D w naszej skórze. Ponieważ głęboki ultrafiolet ma właściwości sterylizujące, jego bezpośrednie działanie na organizmy żywe miałoby katastrofalne skutki dla całej biosfery Ziemi. Dlatego warstwa ozonu jest konieczna dla utrzymania ziemskiego ekosystemu.
W 1974 roku zwrócono uwagę na zagrożenie dla warstwy ozonowej ze strony produkowanych przez człowieka związków CFC (freony). Substancje te, emitowane z powierzchni Ziemi, po kilku latach przedostają się do głównego źródła ozonu w średniej stratosferze i tam ulegają powolnemu rozpadowi pod wpływem intensywnego słonecznego promieniowania UV. Atomy chloru uwolnione z freonów niszczą ozon w katalitycznym cyklu reakcji w fazie gazowej.
Po odkryciu zjawiska dziury ozonowej w 1985 roku prowadzono intensywne badania i pomiary, które pozwoliły wkrótce poznać dokładny mechanizm powstawania dziury ozonowej. Stwierdzono, że ozon jest niszczony w obecności polarnych chmur stratosferycznych (PSC) we wnętrzu chłodnego wiru polarnego. Na powierzchniach PSC zachodzą reakcje heterogeniczne między rezerwuarowymi związkami chloru, które podczas zimy prowadzą do gromadzenia aktywnych form chloru. Natychmiast po pojawieniu się Słońca nad horyzontem w polarnej stratosferze rozpoczyna się katalityczny proces fotochemicznej destrukcji ozonu, w którym jeden atom chloru może zniszczyć tysiące cząsteczek ozonu. Ponieważ wiele substancji CFC ma czas połowicznego rozpadu powyżej 50 lat, to wciąż obserwujemy skutki ich działania.
Działania rządów, naukowców i przemysłu na rzecz ograniczenia emisji szkodliwych dla warstwy ozonowej substancji chemicznych przynoszą efekty. Od 2000 roku ich ilość w atmosferze i emisja stale się zmniejszają, dzięki czemu dziura ozonowa nie jest znacznie głębsza i bardziej rozległa. Oczekuje się, że w latach 2050-2070 warstwa ozonowa zregeneruje się do poziomu sprzed 1980 roku. Mimo to w ostatnim czasie w mediach pojawiły się niepokojące doniesienia o wielkiej dziurze ozonowej na Antarktydą, która powstała w trakcie australijskiej wiosny 2020. Czy mamy powody do niepokoju?
Dziura ozonowa 2020
Dziura ozonowa zwykle formuje się nad Antarktydą we wrześniu i październiku. W 2020 roku rosła szybko od połowy sierpnia i 20 września osiągnęła powierzchnię 25 milionów km2. Okazała się jedną z największych i najgłębszych, jakie zaobserwowano w ciągu ostatnich kilkunastu lat. Warto zauważyć, że rok wcześniej odnotowano jedną z najmniejszych dziur w historii satelitarnych pomiarów całkowitej zawartości ozonu od 1979 roku. Ten kontrast nie oznacza, że stan warstwy ozonowej nagle się pogorszył, raczej jest wynikiem szczególnych warunków atmosferycznych, które pojawiły się w stratosferze na półkuli południowej w 2020 roku.
Bardzo stabilny i chłodny antarktyczny wir polarny (stratosferyczny układ niskiego ciśnienia, w którym powietrze porusza się wokół Antarktydy zgodnie ze wskazówkami zegara) pozwalał na długą izolację powietrza w jego wnętrzu od cieplejszego powietrza z niższych szerokości geograficznych. W oświetlonych przez Słońce rejonach wiru postępował proces niszczenia ozonu, który sprowadził kolumnę ozonu do minimum 94 D na początku października. Wzrost minimalnej temperatury w stratosferze, powyżej progu formowania PSC, w połowie listopada definitywnie zakończył sezonowy proces niszczenia ozonu.
Co to jest jednostka Dobsona?
Jednostka Dobsona (D) jest jednostką miary całkowitej zawartości ozonu. Gdybyśmy zebrali cały ozon w słupie powietrza o jednostkowym przekroju rozciągającym się od powierzchni Ziemi do granicy atmosfery i sprowadzili go do standardowej temperatury (0°C) i ciśnienia (1013,25hPa, 1 atm.), to powstałaby kolumna o grubości 0,3 cm. Całkowita zawartość ozonu wynosiłaby 0,3 atm.-cm. Łatwiejszą w użyciu jest jednostka Dobsona zdefiniowana jako 0,001 atm.-cm. Stąd nasze 0,3 atm.-cm jest równe 300 D. 1 D równa się 2,69 x1016 cząsteczek O3/cm2. O dziurze ozonowej mówi się wtedy, gdy całkowita zawartość ozonu w atmosferze na dużym obszarze spada poniżej umownej granicy 220 D, czyli wartości, której nie obserwowano w pomiarach naziemnych nad Antarktydą przed 1980 rokiem.
Z analizy aktualnych danych satelitarnych NASA wynika, że głęboka i rozległa dziura wciąż się utrzymuje. Od stabilności stratosferycznego wiru w najbliższych dniach i tygodniach zależy, czy dojdzie do rekordowego wzrostu promieniowania UV docierającego do powierzchni Ziemi w rejonie Antarktydy. Ze względu na naturalną zmienność warunków meteorologicznych, oszacowanie prawdopodobieństwa późnego rozpadu wiru polarnego na wiosnę jest niezwykle trudne. Dalszy rozwój sytuacji można śledzić na stronie NASA Ozone Watch.
W perspektywie najbliższych 10-20 lat, dopóki nasycenie atmosfery substancjami niszczącymi warstwę ozonową pozostanie relatywnie wysokie, mogą się jeszcze pojawiać dość duże dziury ozonowe. Jednak prawdopodobieństwo ich wystąpienia będzie coraz mniejsze, głównie dzięki działaniom podjętym przez społeczność międzynarodową w ramach Protokołu montrealskiego.
Zdjęcie główne: James Eades | Unsplash
Bogumił Kois
Absolwent Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, ze specjalizacją w zakresie Geofizyki. W IMGW pracuje od 1983 roku, obecnie zatrudniony na stanowisku głównego specjalisty w Zakładzie Monitoringu Jakości Powietrza. Odpowiada za jakość wykonywania sondaży ozonowych na stacji aerologicznej w Legionowie. Jego zawodowe zainteresowania skupiają się na homogenizacji serii sondaży ozonowych z Legionowa oraz badaniu anomalii ozonu troposferycznego. Autor szeregu publikacji na temat stanu warstwy ozonowej w Polsce i na świecie. Uczestniczył w międzynarodowych programach SESAME, THESEO, VINTERSOL, badając procesy niszczenia ozonu stratosferycznego przez antropogeniczne związki chloru w chłodnych wirach polarnych. W projekcie EDUCE opracował model statystycznej prognozy całkowitej zawartości ozonu, który od 2000 roku jest używany w codziennych prognozach indeksu UV w okresie letnim. Brał udział w walidacji satelitarnych profili ozonu na podstawie porównania danych ze spektrofotometrów GOMOS i SCIAMACHY z danymi radiosondaży.
[…] Obserwacje z początku lat 80. potwierdziły, że podczas wiosny na półkuli południowej (wrzesień-październik) całkowita koncentracja ozonu nad Antarktydą dramatycznie się zmniejsza. To nieobserwowane wcześniej zjawisko spadku ozonu w kolumnie atmosfery poniżej 220 DU (DU, jednostka koncentracji ozonu w atmosferze nazywana Dobsonem), tj. 50-70 proc. poniżej normy, nazwane zostało „dziurą ozonową”. Szerzej o mechanizmie powstawania dziury ozonowej przeczytacie w https://obserwator.imgw.pl/dziura-ozonowa-2020-rozlegla-i-gleboka-ale-czy-rekordowa/. […]