1

struktura atmosfery ziemskiej

STRATOSFERA sięga do 45-50 km, do 25 km
warstwa quasi-izotermiczna, w górnej
temperatura rośnie do około 0

0

C, maksymalna

koncentracja ozonu występuje na wysokości
około 25 km

TROPOSFERA sięga 8-10 km nad biegunami,
16-18 km nad równikiem, 99 % pary wodnej,
80

%

tzw.

powietrza

atmosferycznego,

temperatura spada w tempie około 6,5

0

C/km,

-45/-75

0

C, kształtuje klimat i pogodę

W atmosferze ziemskiej geofizycy

wyróżniają koncentryczne warstwy

o nieostro zarysowanych granicach

EGZOSFERA

najbardziej

zewnętrzna

część atmosfery płynnie przechodząca
w przestrzeń międzyplanetarną

TERMOSFERA sięga do 500-600 km, zawiera
zaledwie 0,001 % powietrza, dominującym
składnikiem jest tlen atomowy, temperatura
rośnie do około 1500-2000 K

MEZOSFERA sięga do 80-85 km, temperatura
spada do -70/-90

0

C, bardzo rozrzedzone

powietrze

temperatura

ozon

2

ozonosfera

Pomiary wykonywane w 2007 roku na stacji aerologicznej w Legionowie (Polska) –

zawartość ozonu wyrażona poprzez ciśnienie cząstkowe, linie ciągłe i wartości w ramce –

całkowita zawartość ozonu w całym profilu wyrażona w D

1 dobson (DU – Dobson Unit ) = wynosząca 0,001 cm grubość warstwy ozonu zawartego w pionowym
słupie powietrza o podstawie 1 cm

2

i sprowadzonego do warunków umownych (P=1013 hPa, T = 273 K) .

np. liczba 320 D oznacza grubość warstwy ozonu 3,2 mm

Nazwa jednostki pochodzi od nazwiska G.M.B. Dobsona, wynalazcy spektrofotometru, służącego do pomiarów ozonu.
(Kożuchowski, 1995)

3

ozon stratosferyczny – czym jest i jak powstaje

triada tlenowa O

3

– ozon (gr. odzon – pachnący)

O

2

+ hv

λλλλ

<200 nm

→

→

→

→

O + O

O

3

←

←

←

←

O

2

+O

O

2

+ O

2

←

←

←

←

O + O

3

sprzężony system, w

którym wszystkie elementy

są wzajemnie dostrojone i

zmiana któregokolwiek z

nich może prowadzić do

poważnych następstw

Pierwszy jakościowo poprawny opis procesu tworzenia i rozpadu ozonu wokół Ziemi
powstał jednak dopiero w latach 30. XX wieku. Podał go angielski matematyk i geofizyk
Sidney Chapman, który trafnie przewidział też, że największe jego stężenie powinno
wystąpić na wysokości 15 -50 km w części stratosfery, którą nazwał ozonosferą. Mechanizm
powstawania ozonu powiązał z promieniowaniem nadfioletowym (UV)

Najintensywniej procesy powstawania ozonu zachodzą
nad równikiem na wysokości 30 km, gdzie jest
największe nasłonecznienie i najintensywniejsza
produkcja tlenu (Amazonia).

Stamtąd bogate w ozon powietrze emigruje wraz z
prądami powietrza ku biegunom. W rezultacie tam
właśnie na wysokości ok. 25 km pomiary wykazują
największą jego koncentrację, a także i największe
ubytki.

4

rozkład ozonu stratosferycznego

Marks, 1992

Najmniej ozonu jest w atmosferze ziemskiej w rejonach przyrównikowych (240 D),
a w miarę oddalania się od równika ku biegunom ilość jego wzrasta (do 340-380 D.

Największa koncentracja ozonu występuje na wysokości 20 km nad równikiem i
około 30 km nad biegunami.

5

histeria ozonowa ??? - jak to się zaczęło

Pomiary zawartości ozonu w

stratosferze – stacja Halley Bay na

Antarktydzie (Wielka Brytania)

1974 - dwaj amerykańscy chemicy Rowland
i Molina opublikowali w czasopiśmie Nature
hipotezę

o realnym niebezpieczeństwie

zniszczenia

warstwy

ozonowej

(Cl)

–

publikacja przeszła bez echa

1977 – zaobserwowanie wyraźnego trendu
spadkowego (Brytyjczycy), wcześniejsze
skoki

zawartości

ozonu

przypisywano

błędom pomiarowym

1985

–

publikacja

Brytyjczyków

w

czasopiśmie Nature

prezentująca wyniki

pomiarów prowadzonych od 1959 roku w
czasie arktycznej wiosny:

•średnia za lata 1959-1973 – 320 D,
•1984 rok – 200 D

II poł lat 80. – Amerykanie ponownie
analizują wyniki pomiarów wykonywanych
przez satelity: Nimbus-4 (1970-1977) oraz

Nimbus-7 (od 1979) w ramach programu

TOMS (Total

Ozon Mapping

System) –

uwzględnienie

wyników

odrzuconych

wcześniej

przez

komputery

wstępnie

analizujące dane jako błędne, prowadzi do
potwierdzenia wniosków Brytyjczyków

1986 – NASA – informacja o zmniejszaniu
zawartości ozonu także nad biegunem
północnym

6

zawartość ozonu w stratosferze

W okresie 20 lat ilość ozonu nad biegunem południowym zmalała

z 200 D do 100 D (o 50 %)

7

powierzchnia (w mln km

2

) charakteryzująca się

zawartością ozonu poniżej 220 D

W latach 1980-1995 rosła w tempie ok. 1,5 mln km

2

/rok.

Od roku 1995 obserwować można pewne symptomy stagnacji.

8

zmiany zawartości ozonu nad półkulą południową 1

W latach 1980 – 2000

obserwuje się:

• trend spadkowy zawartości
ozonu w stratosferze (wartości
minimalne z 200 D do 100 db)

• trend wzrostowy powierzchni
o bardzo niskiej koncentracji
ozonu

W 2005 roku – pierwsze

symptomy „zabliźniania się

dziury ozonowej”

9

zmiany zawarto

ś

ci ozonu nad półkul

ą

południow

ą

2

10

hipoteza 1 – ozonosfera a dynamika atmosfery

Zgodnie z tą hipotezą zmniejszanie się warstwy
ozonowej jest zjawiskiem sezonowym.

Zachodzi co roku w październiku, na początku
polarnej wiosny (na Antarktydzie) kiedy ruch
wznoszący przenosi ubogie w ozon masy
powietrza z troposfery do stratosfery.
Jednocześnie przemieszczające się w kierunku
troposfery masy powietrza na obrzeżach wiru
przenoszą ozon stratosferyczny ku ziemi.

Niedzielski i Gierczak, 1992

Teoria ta zakłada cykliczną wymianę
ozonu pomiędzy stratosferą i troposferą.

Szczególną intensywność zmian zachodzących
w koncentracji ozonu właśnie nad Antarktydą
tłumaczono odosobnieniem tego kontynentu i
związaną z tym dużą intensywnością
utrzymującego się przez wiele miesięcy wiru
polarnego. Powietrze nad Antarktydą na
wysokości 7-30 km nad Ziemią krąży wokół
bieguna jak na uwięzi z szybkością 100 km/h.

Badania oczywiście potwierdzają
cykliczność zmian ilości ozonu w
stratosferze, trudno jednak zignorować
zaobserwowany wyraźny trend
spadkowy nie tylko na biegunem
południowym, ale i nad północnym.

11

hipoteza 2 - ozonosfera a aktywność Słońca

Liczba plam słonecznych i koncentracja ozonu

w latach 1926-1975

Zmiany aktywności słonecznej w cyklu 11. letnim powodują duże i wyraźne zmiany natężenia
promieniowania Słońca, także w zakresie UV, co prowadzi do zmiany ilości ozonu.

Dla procesów zachodzących w stratosferze nie jest także obojętne promieniowanie
korpuskularne Słońca ( „wiatr słoneczny” – strumień protonów), które intensyfikuje się w
fazach aktywności słonecznej.

Wg różnych źródeł zmiany te szacuje się na poziomie od 3 % (1973, H.K.Paetzold) do 6,5 %
(1980, N. Natarajan).

12

hipoteza 3 - ozonosfera a freony

W 1928 roku chemicy koncernu General Motors
zsyntetyzowali substancje o nazwach handlowych
Freon 11 i Freon 12.

Były to chloro-fluoro-węglowodory, uzyskane w
wyniku wieloletnich poszukiwań

niepalnego i

nietoksycznego środka chłodzącego.

Freonowe

bliźniaki

stały

się

światowym

szlagierem technicznym i sukcesem finansowym.
W ciągu 40 lat, w okresie 1950-1990 ich
produkcja wzrosła z 0,1 mln ton do 1,25 mln ton.

Profil produkcji i zastosowania freonów

(Marks, 1992)

Związek pomiędzy

koncentracją

freonu (chloru) w

atmosferze a

zanikiem ozonu

(1991)

Cl

Cl

C

F

F

13

hipoteza 4 - ozonosfera a chlor

1992 – Maduro i Schauerhammer (USA) –
chlor, ale pochodzenia naturalnego:

•erupcje wulkanów – ok. 36 mln ton/rok,
•aerozole morskie – ok. 600 mln ton/rok

Roczna produkcja freonu w przeliczeniu
na chlor to 0,75 mln ton.

Koronny argument
– rocznej emisji chloru na poziomie
0,75 mln ton (freony) odpowiada
tygodniowa emisja z wulkanu Mac Murdo
na Antarktydzie

Wykorzystano wyniki badań zawartości
chloru w atmosferze wykonane w 1986
roku przy użyciu 33 balonów
meteorologicznych
– stwierdzono 100 do 1000 razy większą
zawartość chloru od oczekiwanej.
Zignorowano fakt, że pomiary wykonano
tuż po erupcji wulkanu – balony znalazły
się w chmurze pyłowej unoszącej się znad
dymiącego jeszcze krateru.

Czyli Matka Ziemia oszalała

i postanowiła popełnić

samobójstwo ?

Kontrargumenty:

1.

chlor jest rozpuszczalny w wodzie (depozycja
mokra – wymywanie z atmosfery), freon – nie,

2.

chlor uwalniany jest w czasie erupcji wulkanów
wraz z popiołem wulkanicznym (depozycja
sucha – opad pyłu z zaadsobowanym chlorem)

3.

chlor jest jednym z najcięższych gazów
występujących w przyrodzie (2,5 krotnie
cięższy od powietrza), freon jest lżejszy od
powietrza (przemieszcza się w górne warstwy
atmosfery z prędkością odpowiadającą
ucieczce gazów z atmosfery w przestrzeń
międzyplanetarną)

ozon

chlor

14

mechanizm destrukcji ozonosfery przez freony (Freon 12) 1

gazy niszczące ozon stratosferyczny

FAZA 2
Chlor atomowy jest bardzo aktywny chemicznie
i przez 1-2 s reaguje z cząsteczką ozonu, w
wyniku czego powstaje tlenek chloru i tlen
molekularny

FAZA 3
Powstały tlenek chloru jest również bardzo
aktywny chemicznie i po 1-2 min również
ulega rozpadowi

Teoria Rowlanda i Moliny (1974)

FAZA 1
Pod wpływem promieniowania UV następuje
uwolnienie z cząsteczki freonu atomu chloru.

CCl

2

F

2

+ hv

λλλλ

<200 nm

→

→

→

→

Cl + CClF

2

Cl + O

3

→

→

→

→

ClO + O

2

ClO + O

→

→

→

→

Cl + O

2

FAZA 4
W wyniku rozbicia przez wolny atom tlenu
cząsteczki tlenku chloru, uwalnia się wolny
chlor i proces rozpoczyna się od nowa (vide
faza 2 i 3).

15

mechanizm destrukcji ozonosfery przez freony (Freon 12) 2

Rezerwuary chloru: HCl (chlorowodór) – produkt reakcji z CH

4

ClONO

2

(azotan chlorowy) – produkt reakcji z NO

2

Proces destrukcji ozonu przez chlor powtarza się nawet do 1000 razy, dopóki łańcuch nie
zostanie przerwany przez inne, konkurencyjne składniki atmosfery, jak np. NO

2

czy CH

4

.

Reakcja tego typu zachodzi głównie w nocy. W dzień promieniowanie UV rozrywa azotan
chlorowy i znowu uwalnia chlor, który niszczy ozon w łańcuchowej reakcji.

Proces niszczenia ozonu przez chlor kończy się wówczas, gdy jeden ze związków
stanowiących rezerwuar chloru, najczęściej chlorowodór, przemieści się do troposfery i
zostanie wymyty przez deszcz.

W przyjętym przez Rowlanda i Molinę modelu, uwzględniającym obecność
rezerwuarów chloru, szacowany na poziomie 5 % spadek ilości ozonu w
stratosferze miał nastąpić w połowie XXI wieku.

Tymczasem badania wykazywały znacznie szybsze tempo zaniku ozonosfery.

W 1986 roku udało się skorelować cykl ewolucji dziur ozonowych z obecnością
polarnych obłoków stratosferycznych (zjawisko to nie występuje nad
biegunem północnym).

16

mechanizm destrukcji ozonosfery przez freony (Freon 12) 3

W czasie zimy arktycznej wirujące powietrze utrzymywane jest w lodowatych ciemnościach.
Sprzyja to tworzeniu się chmur stratosferycznych zbudowanych z drobnych kryształków
(1

µµµµ

m) hydratu kwasu azotowego. Związek ten zestala się łatwiej jak woda. Rolę zalążków

krystalizacji spełniają drobiny kwasu siarkowego ( 0,1

µµµµ

m).

Powierzchnia kryształów okazuje się dobrym środowiskiem dla wzajemnej reakcji cząsteczek
chlorowodoru i azotanu chlorowego.

HCl

(kryst.)

+ClONO

2 (gaz)

↓↓↓↓

Cl

2 (gaz)

+ HNO

3 (kryst)

Cl

2

+hv

→

→

→

→

Cl+Cl

Cl+O

3

→

→

→

→

ClO+O

2

… itd

17

Protokół Montrealski

Zanik ozonosfery cofa Ziemię do okresu początków rozwoju życia.

Pomimo więc braku pełnej wiedzy na temat dynamiki i chemii zjawisk
zachodzących w atmosferze i braku jednoznacznej odpowiedzi na pytanie
czy zaobserwowane w atmosferze zmiany spowodowane są cyklicznością
procesów zachodzących w sposób naturalny w przyrodzie, czy też
wywołane są działalnością człowieka,

już we wrześniu 1987 roku sygnatariusze 24 krajów podpisali w Montrealu
porozumienie o konieczności ograniczenia zużycia freonów o 50 % do roku
1999. Krajom rozwijającym się przedłużono ten okres o 10 lat, by mogły
nadrobić swe zacofanie w przemyśle chłodniczym. Całkowite więc
ograniczenie produkcji freonów wyniosłoby więc pod koniec wieku ok. 33
%.

W dwa lata później (1987) uzgodniono całkowite zaprzestanie produkcji
„zabójców ozonu” do 2000 roku.

Na następnym spotkaniu - rok później , w 1990 roku w Londynie - aż 13
krajów zobowiązało się do zaprzestania produkcji freonów już do 1997
roku a USA, Wielka Brytania, Niemcy jako rok graniczny przyjęły 1995.

18

ozonosfera - prognozy

Obserwuje się pierwsze symptomy
regeneracji ozonosfery.

Protokół Montrealski i zainicjowane nim
działania okazały się efektywne.

Modele klimatyczne wskazują, że
regeneracja ozonu do stanu z roku 1980
powinna nastąpić około 2040 roku w
Arktyce o około 2065 roku na
Antarktydzie. W obszarach pozapolarnych
– w połowie XXI wieku.

Źródło: Walker i in., J. Geophys. Res.,
105, 14,285-14,296, 2000; diagram:
Gian-Kasper Plattner (Univ. of Bern, UCLA)

Duża zgodność modeli z wynikami

pomiarów