Ozon i ultrafiolet

Jedyny gaz cieplarniany na Ziemi pochłaniający nadfiolet

Ozon jest trochę innym gazem cieplarnianym niż dwutlenek węgla, metan czy podtlenek azotu. On nie tylko pochłania długofalowe podczerwone fale, ale i również krótkofalowe nadfioletowe. Chociaż nie w całym zakresie. Pochłania zarówno promieniowanie słoneczne w ozonosferze, znajdującej się w stratosferze, jak i promieniowanie podczerwone emitowane z powierzchni Ziemi.

Zakres ultrafioletowego promieniowania

Generalnie mamy podział na ozon stratosferyczny i troposferyczny. Ten pierwszy pełni bardzo ważną rolę gdyż pochłania większy zakres fal w nadfiolecie.

  1. UV-A w 97 % dochodzi całkowicie do powierzchni Ziemi.
  2. UV-B w około 50 % jest zatrzymywany w stratosferze, a w około 50 % dochodzi do powierzchni Ziemi.
  3. UV-C w całości jest zatrzymywany na wysokości około 40 km w stratosferze.

Ozon stratosferyczny

Ozon stratosferyczny, otaczający wokół całą Ziemię, jest przede wszystkim w pewnym sensie tarczą chroniącą życie na Ziemi przede wszystkim przed niebezpiecznym nadmiarem szkodliwego promieniowania UV-B. Jako silny gaz cieplarniany ma duzy wkład do radiacyjnego wymuszenia (Theodore G. Shepherd, 2007). Jeszcze 100 lat temu, gdy ludzkość nie wymyśliła tak dziwnych sztucznych związków chemicznych jak freony i halony, warstwa ozonowa w stratosferze była względnie stabilna i nie było czegoś takiego jak dziura ozonowa. Nie było prawdopodobnie też tylu chorób skóry związanych dziś z nadmiarem promieni UV-B. Na promieniowanie słoneczne jednak nie powinniśmy długo wystawiać się, ponieważ także promienie UV-A oddziałują negatywnie na ciała. Niszczą one włókna kolagenowe, co jest przyczyną szybszego starzenia się skóry.

Sam ozon, jeszcze 100 lat temu, skutecznie pochłaniał odpowiednią ilość światła nadfioletowego tak aby różnica temperatur pomiędzy stratosferą a troposferą była niewielka. A więc, sprzyjało to względnej równowadze pomiędzy energią wchodzącą (w nadfiolecie) do systemu klimatycznego Ziemi a energią wychodzącą (w podczerwieni) z tegoż systemu. Dziś tak jeszcze niestety nie jest. Ale ozon w atmosferze (stratosferze) odbudowuje się bardzo powoli. Jest to też efekt coraz mniejszego oddziaływania CFC (chlorofluorokarbonów), czyli freonów i halonów, które jeszcze w latach 80 i 90 skutecznie niszczyły warstwę ozonową.

Rysunek 1. Koncentracje stratosferycznego ozonu wiosną 2016 na południowej półkuli (na lewo, 19–26 września) i na północnej połkuli (na prawo, 21-27 marca). Każdy rok, spadek wielkości ozonu poniżej 220 Dobsonów — próg, który oznacza rozpoczęcie dziury ozonowej — poprzez szeroki obszar Antarktydy. Wpływy takie na północnej półkuli są niezmiernie rzadkie. NOAA Climate.gov image based on satellite ozone data provided by NOAA View. (źródło)

Wpływ freonów i halonów na ozon

Od lat 30 XX w., w Stanach Zjednoczonych, do atmosfery zaczynają trafiać pierwsze freony, substancje chemiczne stosowane w przemyśle chłodniczym i perfumeryjnym oraz od lat 40 pierwsze halony stosowane w produktach do gaszenia pożarów. Prawdziwy boom produkcyjny tych substancji chemicznych, dokładniej chlorofluorokarbonów (CFC), nastąpił w latach 1950-70. Ludzkość jeszcze nie wiele wiedziała o tym, jakie zagrożenie sobie stwarza oraz innym gatunkom ziemskim.

Pierwsze badania w 1972 r., które przeprowadził chemik James Lovelock, nie wzbudziły żadnych podejrzeń. Wiadomo oczywiście, że nie było jeszcze wówczas badawczo-naukowych satelitów. Mimo tych trudności, 25 września 1974 roku, Amerykanin Sherry Rowland, Holender Paul Crutzen i Meksykanin Mario Molina odkryli coś bardzo istotnego co opisali w brytyjskim czasopiśmie „Nature”, w swojej pracy naukowej za co zasłużenie dopiero w 1995 r. dostali nagrodę Nobla. I dopiero wraz z 1979 r., kiedy NASA wypuściła pierwsze naukowe satelity na orbitę okołoziemską, wszystko powoli stawało się jasne. W szczególności, gdy w 1982 r. Joe Farman, brytyjski geofizyk, zauważył, że nad Antarktydą Zachodnią wytworzyła się potężna dziura ozonowa.

Zaobserwowano wówczas, że reaktywne atomy chloru zawarte we freonach i w halonach pod wpływem większego nasłonecznienia, głównie wiosną nad Antarktydą, łączyły się z atomami i cząsteczkami tlenu nie dopuszczając do łączenia się z nimi innych atomów i cząsteczek tlenu, wcześniej powstałych z rozbicia cząsteczek ozonu (trójatomowych tlenu) pod wpływem słonecznego nadfioletu w zakresie pasma 240-310 nm (nanometrów). Promienie UV-B zawsze oddziałują znacząco na rozbijanie ozonu w ok. 95 %, a promienie UV-A w ok. 30 %. Gdy nie było atomów i cząsteczek chloru w stratosferze, to cząsteczki ozonu naprzemiennie pod wpływem UV-B i UV-A rozbijały się na atomy i cząsteczki tlenu by potem, prawdopodobnie przy braku nasłonecznienia, ponownie w ciemności łączyć się. Tak też i jest nad Antarktydą podczas nocy polarnej trwającej, mniej więcej, od połowy marca do połowy września. Z kolei gdy zaczyna się dzień polarny, od połowy września do połowy marca, to słoneczny ultrafiolet rozbija trójatomowy ozon na atomy i cząsteczki tlenu. I taka naprzemienność trwała jeszcze 100 lat temu, ale od lat 30 coś się zaczęło zmieniać w ozonosferze.

Zgromadzenie w Montrealu i w Kigali

Ludzkość zareagowała natychmiast. Wszystkie kraje spotkały się w 1987 r. w Montrealu by podpisać ważny dokument – tzw, Protokół Montralski, w którym podjęto decyzję o znaczącej redukcji CFC i  w końcu ich wyeliminowaniu z produkcji i konsumpcji i zastąpieniu bezpieczniejszymi dla warstwy ozonowej zamiennikami. Były to przez długie lata HFC (haloflurokarbony).

W październiku 2016 r. w Kigali spotkano się ponownie, ale nie tyle w obawie przed powiększaniem się dziury ozonowej przez HFC. Okazało się, że te gazy mają bardzo silny wpływ cieplarniany na naszą planetę.

Ozon troposferyczny

Ozon troposferyczny powstający na niższych wysokościach niż ozon stratosferyczny jest przede wszystkim silnym gazem cieplarnianym mającym wkład do wymuszenia radiacyjnego (Stephen Sitch i in., 2007). Występuje on zarówno naturalnie, jak i również przy udziale człowieka. I niestety, tuż przy powierzchni Ziemi, jest on wysoce toksyczny dla organizmów ziemskich. Bardzo często wchodzi wówczas w skład miejskiego smogu fotochemicznego.

Ozon ten powstaje podczas reakcji chemicznych spalin samochodowych (tlenków azotu i węglowodorów) w fuzji z ultrafioletowym promieniowaniem słonecznym. Nie jest sprecyzowane czy również UV-A przyczynia się do powstawania tego toksycznego gazu, czy też tylko UV-B. Jednak, skoro mowa jest o ogólnym promieniowaniu w nadfiolecie, to chyba wszystkie takie fale przyczyniają się do powstawania niebezpiecznych dla życia reakcji chemicznych.

Ozon występujący w troposferze także pochłania energię cieplną w podczerwieni i w nadfiolecie przyczyniając się do ogrzewania naszej planety. Jednak jest to bardzo słabo znaczący proces. W troposferze przede wszystkim główną rolę odgrywają dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu i para wodna (ta ostatnia głównie przy powierzchni Ziemi), które pochłaniają energię cieplną w podczerwieni, a nie w nadfiolecie jak ozon.

Życie cząsteczki ozonu

Cząsteczki ozonu (trójatomowy tlen) są jasnobłękitnego koloru, cięższe od powietrza i żyją tak długo jak im pozwala temperatura. W stratosferze wielokrotnie dłużej niż w troposferze ponieważ jest znacznie chłodniej i w mniejszym tempie zachodzą reakcje chemiczne, co wpływa na długość życia ich. Tak samo żyją znacznie dłużej na wyższych wysokościach troposfery niż tuż przy jej powierzchni.

Temperatura (C) półtrwania
-50 3 miesiące
-35 18 dni
-25 8 dni
20 3 dni
120 1,5 godziny
250 1,5 sekundy

Przesunięcie w czasie koncentracji ozonu nad Antarktydą i nad średnimi szerokościami geograficznymi

W 1992 r. zmniejszenie koncentracji ozonu było większe na średnich wysokościach geograficznych aniżeli na wysokich. I cały czas ta różnica się zmniejszała się aż do 1999 r.

Rysunek 2. Ubytek ozonu na średnich szerokościach osiągnął szczyt koncentracji w latach 1996-97 (fioletowy kolor), a ponad Antarktydą w latach 2001-02 (niebieski kolor). Ponieważ degradacja ozonu zabrała dekady dzięki negatywnemu oddziaływaniu chlorofluorokarbonów (CFC), to upłynie też wiele dekad zanim ozonowa dziura zmniejszy się. NOAA Climate.gov graph, based on data from NOAA Earth System Resources Lab. (źródło)

Wówczas koncentracje ozonu pomiędzy obiema szerokościami geograficznymi mniej więcej wyrównały się. Natomiast od 1999 r. do dziś, czyli do 2016 r. zmniejszenie koncentracji ozonu stawało się coraz większe na wysokich szerokościach geograficznych aniżeli na średnich. I jak widać ten proces nie zamierza się już zmieniać na razie. A co to oznacza?!

https://pl.wikipedia.org/wiki/Ozon

https://pl.wikipedia.org/wiki/Ultrafiolet

https://pl.wikipedia.org/wiki/Cykl_ozonowy

https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/4-ways-ozone-hole-linked-climate-and-1-way-it-isn’t

http://www.ozoneapplications.com/info/ozone_properties.htm

Dodaj komentarz

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