Dziura ozonowa – czym jest i jakie są jej przyczyny?

W ostatnich latach dużo mówi się o konieczności smarowania się kremami z filtrami UV, ponieważ słońce może szkodzić naszej skórze. Ziemia także ma swój własny, naturalny „krem” z filtrem UV. Nazywa się on warstwą ozonową.

Co to jest dziura ozonowa?

Aby wytłumaczyć, co to jest dziura ozonowa, najpierw należałoby wyjaśnić, czym jest warstwa ozonowa.

Warstwa ozonowa – co to?

Ozon to cząsteczka składająca się z trzech atomów tlenu (O3). Warstwa ozonowa (ang. ozone layer) to delikatne pasmo gazów, które zaczyna się 15 kilometrów nad naszą planetą i wychodzi do 100 kilometrów poza Ziemię.

W najniższej warstwie (troposferze) zawartość ozonu jest niewielka – stanowi zaledwie kilka-kilkanaście procent całkowitej zawartości ozonu w atmosferze. Największa koncentracja ozonu znajduje się w stratosferze (od 8-17 kilometrów od Ziemi aż o wysokości około 50 kilometrów wzwyż). Dzięki grawitacji warstwa ozonu utrzymywana jest wokół Ziemi i gazy takie jak ozon nie uciekają w kosmos.

Ta część naszej atmosfery to „krem z filtrem UV” Ziemi – pochłania ona bowiem większość promieniowania UV, które pochodzi ze Słońca. Jest „konserwatorem życia”, niezbędnym do przetrwania wszystkich żywych istot na Ziemi. Pomimo niewielkiej koncentracji ozonu w troposferze, spełnia on istotną rolę w procesach chemicznych, które zachodzą na naszej planecie, a także wpływa na bilans cieplny dolnych warstw atmosfery.

Dziura ozonowa – co to?

Dokładniej rzecz ujmując, dziura ozonowa pojawiła się nad Antarktydą i występowała w antarktyczną wiosnę, czyli od września do wczesnego grudnia. Wtedy to poziom ozonu spadł do 33% wartości sprzed 1975 roku.

Podczas antarktycznej wiosny zaczynają krążyć wokół kontynentu silne zachodnie wiatry, które powodują, że ponad 50% dolnego ozonu stratosferycznego ulega zniszczeniu w ciągu tych kilku miesięcy. We wczesnych latach 90. rozrost dziury ozonowej zaczął słabnąć. Termin „dziura ozonowa” używana jest właśnie w kontekście wiosennego spadku ozonu w stratosferze wokół regionów polarnych Ziemi.

Gdzie jest dziura ozonowa i dlaczego akurat tam?

W rejonie Antarktydy panują bardzo specyficzne warunki. Sprzyjają one gromadzeniu się w tych okolicach tlenków chloru i bromu. Wskutek powiększającego się kąta padania promieniowania słonecznego w czasie jesieni, temperatura powietrza obniża się, a wraz z nim spada ciśnienie atmosferyczne. Powietrze stratosferyczne w regionach polarnych jest względnie odizolowane przez długie zimowe miesiące. Powodem izolacji są silne wiatry, które tworzą wiry polarne zapobiegające znacznemu ruchowi powietrza. Powstają też polarne chmury stratosferyczne (PSC), które przekształcają się w rezerwuarowe formy reaktywnego chloru gazowego, azotanu chloru i chlorowodoru. Kiedy kończy się czas występowania PSC, kończy się także najbardziej intensywny okres ubożenia warstwy ozonowej nad Antarktydą.

Na wiosnę światło słoneczne ponownie pojawia się nad Antarktydą i wchodzi ono w reakcje z bromem i chlorem.

Od końca lat 70. XX wieku zaczęto obserwować tzw. zubożanie warstwy ozonowej, czyli stały spadek całkowitej ilości ozonu w atmosferze ziemskiej o około 4%.

Przyczyny powstawania dziury ozonowej

Wiemy zapewne ze strzępków wiadomości, że wpływ na powiększanie się dziury ozonowej ma działalność człowieka. Ale w jaki konkretny sposób to następuje?

Jak powstaje dziura ozonowa?

Pierwszym etapem zubożania ozonu stratosferycznego przez działalność człowieka jest emisja na powierzchni Ziemi gazów zawierających chlor i brom. Nie są one reaktywne, co oznacza, że nie rozpuszczają się łatwo w śniegu lub deszczu. To powoduje, że osiadają w niższych warstwach atmosfery, a następnie poprzez naturalne ruchy powietrza są transportowane do stratosfery. Tam niektóre z tych gazów biorą udział w reakcjach, które niszczą ozon. Gazy te obejmują wytwarzane chemikalia w różnych zastosowaniach, takich jak chłodnictwo, klimatyzacja, spulchnianie pianek poliuretanowych, używane są także przy aerozolach i dezodorantach.

W wyniku promieniowania UV ze Słońca niereaktywne gazy w stratosferze są przekształcane w reaktywne gazy halogenowe.

Dziura ozonowa – przyczyny powstawania

Stwierdzono, że degradacja warstwy ozonowej związana jest z przemysłowym i gospodarczym zastosowaniem freonów, czyli chloropochodnych węglowodorów.

Substancje zubożające warstwę ozonową (ang. ODSs – ozone-depleting substances) znajdują swoje zastosowanie w przemyśle lub do produkcji konsumenckiej. W większości działalność ta prowadzi ostatecznie do emisji tych gazów do atmosfery. Emisje ODS wzrosły znacząco od połowy do końca XX wieku, szczyt osiągnęły w latach 80. i obecnie spadają.

Inną kategorią substancji zubożających warstwę ozonową są ODS zawierające brom (halony i bromek metylu). Halony to gazy halowęglowodorowe bardziej szkodliwe od freonów, które pierwotnie były wykorzystywane w gaśnicach i jako dodatki do paliw. Stosowane są także do ochrony dużych instalacji komputerowych, sprzętu wojskowego i silników samolotów komercyjnych.

Bromek metylu znajduje swoje zastosowanie jako fumigant (środek do zwalczania szkodników) w rolnictwie i przy fumigacji pojemników do przewozu paczek.

Znaczenie warstwy ozonowej

Ozon w stratosferze absorbuje dużą część szkodliwego dla organizmów żywych promieniowania UV.

Można powiedzieć, że istnieje „dobry ozon”, czyli ten stratosferyczny, który działa ochronnie. Wyróżniamy też „zły ozon”, który powstaje na powierzchni Ziemi w ilościach przekraczających naturalne ilości. Jest on szkodliwy dla ludzi, roślin i zwierząt.

Naturalny ozon w pobliżu powierzchni i w dolnych warstwach atmosfery odgrywa istotną rolę w usuwaniu zanieczyszczeń z atmosfery, takich jak tlenek węgla (CO) i tlenki azotu (NOx), a także niektórych gazów cieplarnianych, takich jak metan (CH4).

Co niszczy ozon?

Chlorowcopochodne węglowodorów są uwalniane na poziomie Ziemi na skutek zakłóceń w eksploatacji urządzeń chłodniczych (np. lodówek) i stosowania gaśnic czy aerozoli. Przechodzą one w nienaruszonym stanie przez troposferę. Dopiero potem, pod wpływem promieniowania słonecznego, następuje oderwanie od ich cząsteczek pojedynczych atomów, np. chloru. Atom chloru w reakcji z ozonem daje początek reakcjom, które skutkują rozpadem ozonu.

Skutki rozrastania się dziury ozonowej

Wszystkie akcje, które podejmujemy, na poziomie zarówno indywidualnym, jak i globalnym, ma wpływ na nasz świat i innych ludzi, którzy żyją. Nasze działania wpływają także na tych, którzy się jeszcze nie narodzili. Podobnie ma się sytuacja z rozwojem technologicznym. Postęp nauki i technologii spowodował większe zanieczyszczenie Ziemi różnego rodzaju związkami chemicznymi, przez co zwiększyło się zubożanie warstwy ozonowej. Wskutek rozrastania się dziury ozonowej (czyli zubożania stężenia ozonu w atmosferze) słabnie ochrona Ziemi i organizmów żywych, którą na niej żyją.

Wpływ na ludzi

Ogólnie można stwierdzić, że promieniowanie UV jest szkodliwe. Warto jednak wiedzieć, że promieniowanie ultrafioletowe dzieli się na trzy typy. Pierwszym z nich jest promieniowanie UV-A, które jest stosunkowo przenikliwe i ma zdolność przenikania naskórka. Dzięki temu wywołuje głównie pigmentację skóry, czyli sprawia, że nasza skóra opala się.

Drugim typem jest promieniowanie UV-B. Przejawia ono aktywność biologiczną, co oznacza, że jest odpowiedzialne za powstawanie wielu rodzajów nowotworów skóry u człowieka. Oddziałuje także negatywnie na narząd wzroku (przyczynia się do zapalenia spojówek i powstawania zaćmy), obniża odporność immunologiczną, aktywizuje wirusy opryszczki i HIV. Do pozytywnych aspektów UV-B zaliczamy natomiast to, że bierze ono udział w syntezie witaminy D1 i D3.

Trzeci typ to promieniowanie UV-C. Wykazuje silne działanie bakteriobójcze i niszczące tkanki. Zmniejszenie grubości warstwy ozonowej o 1% spowoduje zwiększenie ilości promieniowania UV docierającego na Ziemię o 2%, co przyczyni się do wzrostu zachorowalności na raka skóry o 5%.

Dziura ozonowa – skutki i wpływ na świat roślin i zwierząt

Większe promieniowanie ultrafioletowe wpływa także na florę, a szczególnie na organizmy morskie. Takie oddziaływanie na rośliny może mieć znaczenie dla działalności gospodarczej i produkcji żywności. Dlaczego? Nadmiar promieniowania UV jest w stanie uszkodzić strukturę kwasów nukleinowych (DNA, RNA), a to może doprowadzić między innymi do unicestwienia wielu grup drobnoustrojów.

Na przysłowiowy pierwszy ogień pójdą ikra rybia i plankton. Nie jest to dobra wiadomość, ponieważ od nich uzależnione są łańcuchy pokarmowe fauny, a także obieg tlenu w biosferze.

Przy wysokich stężeniach ozonu mogą wystąpić zaburzenia procesów fizjologicznych, zahamowanie rozwoju roślin itp.

Jak zapobiegać powstawaniu dziury ozonowej 

W latach 80. XX wieku zaobserwowano bardzo niepokojące zmiany w warstwie ozonowej i podjęto kroki, by im zapobiec. W sprawie ochrony warstwy ozonowej wystosowano dokument, który podpisało 127 państw. W 1987 roku kraje te zawarły porozumienie, które zostało nazwane Protokołem Montrealskim.

W jego ramach wprowadzono zakaz stosowania i produkcji najgroźniejszych związków chłodniczych. Rządy podjęły się wspólnie ochrony warstwy ozonowej. Władze, w świetle Protokołu Montrealskiego, są odpowiedzialne za kontrolowanie importu, produkcji, stosowania, sprzedaży i eksportu substancji zubożających warstwę ozonową.

W imię zapobiegania powstawania dziury ozonowej wprowadzono różne regulacje, zainicjowano program wycofywania ODS, a także zaczęto pozbywać się ich nadwyżek.

Jaki jest obecny stan dziury ozonowej?

Działania Protokołu Montrealskiego mające na celu odbudowę warstwy ozonowej odniosły pewien skutek. Dzięki zmniejszeniu i eliminacji substancji niszczących warstwę ozonową dokonuje się stały postęp w jej regeneracji.

Paul Newman, główny naukowiec ds. nauk o Ziemi w Centrum Lotów Kosmicznych NASA Goddard w Greenbelt w stanie Maryland, ocenia, że wraz z upływem lat dochodzi do poprawy stanu warstwy ozonowej, a dziura staje się mniejsza. Roczna dziura ozonowa osiągnęła średni obszar 23,2 miliona kilometrów kwadratowych w okresie od 7 września do 13 października 2022 roku.

Na grafikach poniżej widać jak zmieniła się dziura ozonowa od października 2022 roku do sierpnia 2024 roku.

Niebieski i fioletowy – miejsca z najmniejszą ilością ozonu, żółty i czerwony – miejsca z największą ilością ozonu.

Dziura ozonowa – ciekawostki

• Całkowita masa ozonu w atmosferze wynosi około 3 miliardy ton metrycznych. Może się wydawać, że to dużo, ale to tylko 0,00006 procent atmosfery.
• Szczytowe stężenie ozonu występuje na wysokości około 32 kilometrów (20 mil) nad powierzchnią Ziemi. Na tej wysokości stężenie ozonu może wynosić nawet 15 części na milion (0,0015 procent).
• Oprócz zubażania warstwy i dziury ozonowej, czyli zjawisk na poziomie stratosfery, występują także wiosenne zubożania ozonu w troposferze polarnej.
• Istnieje kilka halogenowych gazów źródłowych obecnych w stratosferze, które mają naturalne duże źródła w ekosystemach oceanicznych i lądowych.
• Naturalne źródła tych gazów przyczyniły się do powstania około 17% chloru w stratosferze w 2008 roku i około 30% bromu. Jednak uważa się, że ilości chloru i bromu w stratosferze ze źródeł naturalnych są dość stałe od połowy XX wieku, więc nie mogą być przyczyną zubożenia warstwy ozonu obserwowanego od lat 80. XX wieku.
• W dziurze ozonowej nadal jest pewna ilość ozonu – naukowcy nadali tę nazwę jako swego rodzaju metaforę dla miejsc, w których ilości tej cząsteczki spadają poniżej 220 jednostek Dobsona.

Źródła

1. A. Dziewulska-Łosiowa, R. Hryniewicz, Ozon w stratosferze i troposferze, „Kosmos”, 1993/42, str 79-94.
2. W.R. Trześniowski, B. Kurc, Dziura ozonowa, [w:] Zeszyty Naukowe nr 60 Wyższej Szkoły Morskiej, Szczecin 2001.
3. D.W. Fahey, M.I. Hegglin, Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer:2010 Update, World Meteorological Organization, Switzerland 2011.
4. NASA Ozone Watch, https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov.

© Źródło zdjęcia głównego: Canva.