Co to jest zjawisko dziury ozonowej?

Atmosfera otaczająca Ziemię na wysokości od 10 do 50 km bogata jest w warstwę o podwyższonym stężeniu ozonu (O3) - ozonosferę. Maksymalna koncentracja cząstek ozonu ma miejsce na wysokości około 23 km. Od końca lat 70 - tych XX wieku notowany jest stopniowy spadek zawartości ozonu, zwłaszcza nad obszarem Antarktydy, w strefie bieguna południowego. Spadek zawartości ozonu w ozonosferze to właśnie zjawisko dziury ozonowej.

Powstawanie dziury ozonowej

Dziura ozonowa jest wynikiem niszczenia warstwy ozonowej przez działanie związków chemicznych, zwanych freonami. W wyniku działania promieniowania ultrafioletowego freony przechodzą fotolizę, której produktem są uwolnione atomy chloru. Chlor zaczyna reagować z ozonem i powstaje równie aktywny tlenek chloru (ClO) i zwykły tlen (O2). Kolejnym etapem jest reakcja dwóch cząsteczek tlenku chloru, prowadząca do powstania cząsteczki dwutlenku chloru (ClO2) i jednocześnie uwolnienia kolejnych atomów chloru, które powodują rozbicie następnych cząsteczek ozonu. Dodatkowo dwutlenek chloru ulega rozpadowi na atom chloru i dwuatomowy tlen.

Oto zapis reakcji chemicznych zachodzących w czasie niszczenia ozonu:

CnClxFy CnFy + x Cl

Cl + O3 ClO + O2

2 ClO ClO2 + Cl

ClO2 Cl + O2

Powyższe reakcje zachodzą aż do całkowitego wyczerpania się zapasów cząsteczkowego ozonu bądź do całkowitego usunięcia chloru w wyniku zachodzenia pozostałych reakcji chemicznych. Szacunkowo w roku tempo zmniejszania się zawartości ozonu wynosi około 0,2% w strefie równikowej oraz od 0,4 do 0,8% w strefie umiarkowanych szerokości geograficznych. Ale największe i wciąż narastające tempo spadku ozonu stratosferycznego ma miejsce w rejonie bieguna południowego wczesną jesienią (na przełomie września i października). W okresie od 1987 do 92 roku stężenie ozonu stratosferycznego uległo zmniejszeniu o około 50% w stosunku do stężenia z 1970 roku, gdy wartość w październiku wynosiła jeszcze 300D ( 1D [dobson] - jednostka stosowana w określaniu koncentracji ozonu, od nazwiska konstruktora przyrządów pomiarowych).

Dlaczego dziura ozonowa powstaje nad obszarem Antarktydy?

Jest to pewien paradoks, ponieważ największe stężenie gazów niszczących ozon znajduje się na obszarze półkuli północnej, nad terenami najbardziej rozwiniętymi i uprzemysłowionymi. Oto przebieg powstawania dziury ozonowej nad obszarem Antarktydy:

- powietrze zawierające zwiększone ilości freonów, halonów i innych gazów, w wyniku różnic ciśnień ulega wprawieniu w ruch i przemieszczeniu na pewne odległości. Równocześnie z wielkoskalowymi prądami powietrznymi atmosfery ziemskiej (wiatry stratosferyczne) masy zanieczyszczonego powietrza ulegają rozniesieniu po powierzchni całej kuli ziemskiej. Współcześnie freony spotykane są nad całą powierzchnią kuli ziemskiej, również nad obszarami oddalonymi od uprzemysłowionych i wysokorozwiniętych terenów (Europa, USA), jak Antarktyda. Wiosną na półkuli północnej nad Antarktydą rozpoczyna się noc polarna. Kształtuje się wówczas regularny, stabilny, trwający 6 miesięcy wir, w którym powietrze jest wprawione w ruch wirowy nad biegunem południowym. Masy powietrza antarktycznego ulegają wówczas całkowitemu odizolowaniu od równikowych mas powietrza, zawierających zawsze wysokie wartości koncentracji ozonu stratosferycznego. Reakcje rozpadu ozonu w obecności freonów zachodzą szybciej, aniżeli reakcje tworzenia się ozonu, zatem obserwujemy zmniejszenie jego stężenia. W 1982 roku miał miejsce kilkudniowy całkowity brak ozonu w dolnej warstwie stratosfery. Ten schemat poświadcza znaczącą rolę, jaką odgrywają lasy równikowe, produkujące olbrzymie ilości tlenu atmosferycznego (O2), umożliwiając jednocześnie powstawanie ozonu (O3), tak ważnego dla ludzkości.

Gazy niszczące ozon:

Najbardziej niszczące dla powłoki ozonowej są freony, halony oraz tlenki azotu.

  • Freony - (CFC) to pochodne chlorowcowych węglowodorów nasyconych. Składają się z atomów chloru i fluoru, często również w ich składzie występuje brom. Są one wynikiem działania fluorowodoru na halogenopochodne metanu lub etanu w obecności katalizatora - pięciochlorku antymonu. Niższe freony posiadają znaczną prężność pary wodnej w warunkach niskich temperatur i wysokiego ciepła parowania. Z uwagi na znaczną pojemność cieplną zwiększają zjawisko efektu cieplarnianego. Nie są obdarzone zapachem lub przypominają zapachem eter. Nie mają barwy i nie są toksyczne. Stosuje się je w produkcji urządzeń chłodzących i klimatyzacyjnych oraz (współcześnie coraz mniej) w produkcji kosmetyków i dezodorantów. Najbardziej znane i najczęściej używane freony to: dichlorodifluorometan (CCl2F2) - freon F-12 oraz dichlorotetrafluoroetan (C2Cl2F4) - freon F-114. Współczesne szacunki mówią o około 20 mln ton freonów, zawieszonych w atmosferze.
  • Halony to pochodne fluorowców metanu i etanu. Są to gazy bądź ciecze nietoksyczne. Nie palą się, dlatego stosuje się je w produkcji gaśnic halonowych.
  • Tlenki azotu zawieszone w ozonosferze pochodzą głównie ze spalania paliw w silnikach samolotowych i rakietowych. Duże ilości tlenków azotu dostarczane są do ozonosfery w wyniku katastrof jądrowych.

Skutki i następstwa dziury ozonowej

Ozonosfera chroni ludzką wszystkie żywe organizmy przed działaniem szkodliwego promieniowania ultrafioletowego (UV) o długości fali mniejszej niż 390 nm. Cieńsza warstwa ozonowa w mniejszym stopniu pochłania promieniowanie UV. Stąd tak wzrasta niebezpieczeństwo poparzenia przez zwiększone promieniowanie ultrafioletowe.

Zbyt duża ilość promieniowania UV powoduje zakłócenia w równowadze całych ekosystemów. Promieniowanie ultrafioletowe przedostaje się przez wodę na głębokość kilku metrów (w wodach czystych nawet na głębokość kilkunastu metrów). Wywołuje to obumieranie szczególnie wrażliwych roślin i zwierząt budujących plankton. Konsekwencją tego są zmiany w następnych ogniwach łańcucha troficznego. Może dojść do zmniejszenia się występowania ryb posilających się planktonem a wraz nimi i ryb drapieżnych.

Promieniowanie ultrafioletowe oddziałuje również niekorzystnie na świat roślinny. Około dwie trzecie gatunków, które reagują z promieniami UV jest na nie wrażliwe. Należą do nich przede wszystkim gatunki roślin uprawnych i przemysłowych.

Wzrost natężenia promieniowania ultrafioletowego na powierzchni kuli ziemskiej nie pozostanie bez wpływu na gospodarkę człowieka. Zmniejszy się liczebność populacji ryb w wyniku zaniku planktonu. To wywoła konsekwencje w postaci zmniejszenia połowów na określonym terenie. Przestanie się rozwijać rybactwo i rybołówstwo. Zniszczony przez promieniowanie chlorofil roślin uprawnych (np. zbóż) zmniejszy plony, a więc skutki dziury ozonowej dotkną również sektor rolniczy.

Promieniowanie ultrafioletowe niekorzystnie wpływa również bezpośrednio na ludzi. Wytwarzanie pigmentu w skórze człowieka ma za zadanie chronić go przed szkodliwymi skutkami Słońca. Ale jest to tylko niewielka zdolność człowieka do obrony. Nadmierna ilość promieniowania UV osłabia ludzki system immunologiczny a w konsekwencji zmniejsza odporność organizmu na infekcje i choroby. Wywołuje groźne choroby nowotworowe, a zwłaszcza jest przyczyną nowotworów skóry (np. czerniaków). Dodatkowo promieniowanie ultrafioletowe podrażnia spojówki oka, powodując liczne choroby oczu, z zaćmą włącznie. Promieniowanie UV przyspiesza niekorzystne a nieodwracalne procesy starzeniowe skóry.

Jeżeli w środowiska wciąż obserwowane będzie nadmierne produkowanie freonów i innych gazów niszczących ozon, to niedługo dziura ozonowa powiększy swoją średnicę i pojawi się nad całą powierzchnią kuli ziemskiej. Pozbędziemy się zjawiska dziury ozonowej, ale jednocześnie zlikwidujemy całą powłokę ozonową w atmosferze ziemskiej.