5. OZONOSFERA

struktura atmosfery ziemskiej

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

C/km,

-45/-75

C, kształtuje klimat i pogodę

W atmosferze ziemskiej geofizycy

wyróŜniają 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

C, bardzo rozrzedzone

powietrze

temperatura

ozon

ozonosfera

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

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

całkowita zawartość ozonu w całym profilu wyraŜona w D

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

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, słuŜącego do pomiarów ozonu.
(KoŜuchowski, 1995)

ozon stratosferyczny – czym jest i jak powstaje

triada tlenowa O

– ozon (gr. odzon – pachnący)

+ hv

λλλλ

<200 nm

→

O + O

←

+ O

←

O + O

sprzęŜony system, w

którym wszystkie elementy

są wzajemnie dostrojone i

zmiana któregokolwiek z

nich moŜe prowadzić do

powaŜnych 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 teŜ,  Ŝe  największe  jego  stęŜenie  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 takŜe i największe
ubytki.

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

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 takŜe nad biegunem
północnym

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”

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 obrzeŜach 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 duŜą intensywnością
utrzymującego się przez wiele miesięcy wiru
polarnego. Powietrze nad Antarktydą na
wysokości 7-30 km nad Ziemią krąŜy 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.

hipoteza 2 - ozonosfera a aktywność Słońca

Liczba plam słonecznych i koncentracja ozonu

w latach 1926-1975

Zmiany aktywności słonecznej w cyklu 11. letnim powodują duŜe i wyraźne zmiany natęŜenia
promieniowania Słońca, takŜe w zakresie UV, co prowadzi do zmiany ilości ozonu.

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

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

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)

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 uŜyciu 33 balonów
meteorologicznych
– stwierdzono 100 do 1000 razy większą
zawartość chloru od oczekiwanej.
Zignorowano fakt, Ŝe pomiary wykonano
tuŜ po erupcji wulkanu – balony znalazły
się w chmurze pyłowej unoszącej się znad
dymiącego jeszcze krateru.

Czyli Matka Ziemia oszalała

i postanowiła popełnić

samobójstwo ?

Kontrargumenty:

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

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

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

ozon

chlor

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 równieŜ bardzo
aktywny chemicznie i po 1-2 min równieŜ
ulega rozpadowi

Teoria Rowlanda i Moliny (1974)

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

CCl

+ hv

λλλλ

<200 nm

→

Cl + CClF

Cl + O

→

ClO + O

→

Cl + O

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).

mechanizm destrukcji ozonosfery przez freony (Freon 12) 2

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

ClONO

(azotan chlorowy) – produkt reakcji z NO

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

czy CH

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).

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 zaląŜków

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)

↓↓↓↓

2 (gaz)

+ HNO

3 (kryst)

+hv

→

Cl+Cl

Cl+O

→

ClO+O

… itd

Protokół Montrealski

Zanik ozonosfery cofa Ziemię do okresu początków rozwoju Ŝycia.

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 teŜ
wywołane są działalnością człowieka,

juŜ we wrześniu 1987 roku sygnatariusze 24 krajów podpisali w Montrealu
porozumienie o konieczności ograniczenia zuŜycia freonów o 50 % do roku
1999. Krajom rozwijającym się przedłuŜono 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 - aŜ 13
krajów zobowiązało się do zaprzestania produkcji freonów juŜ do 1997
roku a USA, Wielka Brytania, Niemcy jako rok graniczny przyjęły 1995.

ozonosfera - prognozy

Obserwuje się pierwsze symptomy
regeneracji ozonosfery.

Protokół Montrealski i zainicjowane nim
działania okazały się efektywne.

Modele klimatyczne wskazują, Ŝe
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)

DuŜa zgodność modeli z wynikami

pomiarów