DZIURA OZONOWA

Ozon to jedyny gaz w atmosferze, który jako swego rodzaju filtr ochronny tworzy warstwę wokół Ziemi i zatrzymuje nadmiar promieniowania ultrafioletowego. Gdyby jednak go zabrakło promieniowanie ultrafioletowe mogłoby zniszczyć życie na lądzie i w powierzchownych warstwach wody. Ta ozonowa warstwa ochronna staje się jednak coraz bardziej "dziurawa".

Cztery miliardy lat temu, po ukształtowaniu się lądów i oceanów, pod wpływem bogatego w energię, ultrafioletowego świata słonecznego cząsteczki wody rozbite zostały na atomy tlenu i wodoru. Obficie występujący dwutlenek węgla również został rozłożony na swe podstawowe składniki: węgiel i tlen. Owe uwolnione atomy tlenu zaczęły łączyć się ze sobą tworząc warstwę ozonu atmosferycznego eliminującego większość promieniowania ultrafioletowego ze spektrum światła słonecznego. Umożliwiło to rozprzestrzenienie się życia z oceanów na lądy.

Ozon znajduje się w warstwie atmosfery zwanej stratosferą, która znajduje się na wysokości od 10 do 50 km nad powierzchnią Ziemi. Wraz z wysokością zmienia się temperatura tej warstwy. W dolnej jej części utrzymuje się temperatura około -50 C, natomiast w górnej następuje szybki wzrost temperatury aż do 0 C. Jest on związany z pochłaniania promieniowania ultrafioletowego przez ozon. Jego największa koncentracja występuje na wysokości 20 - 30 km nad Ziemią.

Ozon to forma tlenu z trzema atomami. Promieniowania UV-C i UV-B powodują rozpad dwuatomowej cząsteczki tlenu na tlen molekularny, atomowy. Uczestnicząc w reakcjach fotochemicznych, które przebiegają w stratosferze z udziałem wodoru i azotu, łączy się on z tlenem dwuatomowym. W ten sposób tworzą się cząsteczki ozonu.

Powstanie ozonu z cząsteczek tlenu wymaga dużej ilości energii. Tej energii dostarcza promieniowanie ultrafioletowe (UV), które jest wykorzystywane do rozbijania cząsteczek tlenu i dzięki temu zmniejsza się jego ilość dochodząca na powierzchnię Ziemi. Nie wszystkie pasma promieniowania ultrafioletowego są zatrzymywane przez warstwę ozonu. Pasmo o największej długości fali UV-A praktycznie dociera do powierzchni Ziemi bez przeszkód.

Ozon absorbuje promieniowanie ultrafioletowe długości fali krótszej niż 0,3 m i promieniowanie podczerwone długości fali 9,6 m. Jest to absorpcja selektywna polegająca na pochłanianiu przez dany gaz atmosferyczny tylko określonych długości fal.

Pasmo o najmniejszej długości fali UV-C jest całkowicie pochłaniane, co jest gwarancją bezpieczeństwa dla życia. Pasmo o średniej długości UV-B jest stosunkowo mniej szkodliwe i pochłaniane jest z mniejszą intensywnością.

Blisko powierzchni Ziemi ozon jest trucizną, która współuczestniczy w tworzeniu smogu fotochemicznego i kwaśnego deszczu. Ozon jako reaktywna forma tlenu, niszcząco wpływa na organizmy żywe. Jego reaktywność wyrażającą się w działaniu bakteriobójczym wykorzystuje się ozonując wodę przeznaczoną do spożycia, jednak kontakt z ozonem atmosferycznym należy ograniczyć do minimum. Efekty wdychania ozonu nie ograniczają się tylko do uszkodzenia płuc, ale dotyczą również innych tkanek takich jak, serce mózg, wątroba. Ważnym jest więc informowanie o stężeniu ozonu w powietrzu w warunkach zagrożenia smogiem.

15-50 km w górę od powierzchni Ziemi ozon staje się już bardzo pożyteczny, tworzy warstwę ochronną, która chroni organizmy żywe przed szkodliwym działaniem promieniowania słonecznego. Warstwa ozonu w stratosferze ma średnio około 25 km grubości, ale jest bardzo rozrzedzona - gdyby przenieść ozon ze stratosfery do przyziemnej warstwy troposfery (do ciśnienia o wysokości 1013,2 hPa i temp. 0 C), to utworzyłby zaledwie pasemko 3-5 mm. Ozonosfera jest bardzo delikatna, a w ostatnich latach jej grubość wyraźnie maleje.

Ozon powstaje głównie nad równikiem, gdzie promieniowanie słoneczne jest wyjątkowo intensywne. Duża część ozonu przemieszcza się poziomo z masami powietrza w kierunku biegunów. Jego koncentracja w różnych rejonach ulega zmianie w ciągu roku.

Ozon podlega cyklom syntezy i ponownego rozkładu. W wyższych warstwach atmosfery cykl ten sterowany jest przede wszystkim światłem słonecznym, w środkowych i dolnych częściach stratosfery dochodzą procesy destrukcyjne wywołane różnymi związkami chemicznymi. Na pierwszy plan wysuwają się tu atomy chloru, bromu i ich rodniki. Najpokaźniejszym źródłem stratosferycznego chloru i bromu są freony i halony. Odkryte 1928 r. znalazły szerokie zastosowanie w technice. Produkowane liczne odmiany freonów znajdują ciągle jeszcze wiele zastosowań głównie jednak jako składniki aerozoli i czynniki chłodnicze. Najbardziej rozpowszechnione, to Freon 12 (CCl₂F₂), Freon 11 (CCl₃F)i Freon 113 (CCl₂FCClF₂). Halony, które obok chloru lub fluoru zawierają też brom (np. Halon 1211 ­ CF₂ClBr, Halon 1301 ­ CF₃Br), uznano za doskonałe środki gaśnicze. Pokrewne, szeroko stosowane związki chemiczne, to czterochlorek węgla i metylochloroform. Także tlenki azotu, powstające w wyniku spalania paliw przez silniki samolotów i rakiet oraz podczas wybuchów jądrowych są przyczyną zmniejszania się koncentracji ozonu w atmosferze ziemskiej.

Różne wytwarzane przez człowieka związki mają więc określony potencjał niszczenia ozonu. Pomiędzy 1969 a 1986 rokiem nad strefami klimatu umiarkowanego nastąpiło zmniejszenie się stężenia ozonu o 1,7 do 3,0 %.

Ubytek ten wywołany został wyłącznie działalnością człowieka.

Szczególna sytuacja ma miejsce w czasie zimy polarnej, gdy trwały prąd powietrzny prowadzi do silnego wychłodzenia się dolnych warstw stratosfery, nie dopuszczając jednocześnie do wnikania cieplejszych mas powietrznych z umiarkowanych i tropikalnych szerokości. Przy temp. około -80^oC tworzą się różnego rodzaju chmury stratosferyczne, na których powierzchni dochodzi, przy udziale związków chloru, do reakcji chemicznych prowadzących do szybkiego rozpadu ozonu. Ta swoistego rodzaju sytuacja, intensywna nad biegunami, szczególnie nad Antarktydą prowadzi do tzw. rozwarcia się dziury ozonowej.

Obliczono, że od 1979 roku dochodziło do zmniejszania się warstwy ozonowej nad Antarktydą o 0,6 do 1 % dziennie. Sytuację tą powiązano z ponad dwu miliardowym stężeniem chloru w stratosferze. W 1990 roku ilość ozonu osiągnęła już tylko połowę dawnej wartości. W tymże roku po raz pierwszy w historii w dolnych warstwach stratosfery nad Antarktydą zanotowano kilkudniowy całkowity brak ozonu. Zanieczyszczenia emitowane z Ziemi nie pozostają długo w dolnej warstwie atmosfery, w troposferze. Cząsteczki pyłów lub gazów uczestniczą w różnego rodzaju obiegach i reakcjach chemicznych. Niektóre zanieczyszczenia przedostają się do wyższych warstw stratosfery. Tam masy powietrza przemieszczają się w kierunku poziomym. Dlatego też zanieczyszczenia mogą pozostać w górnej warstwie stratosfery, w ozonosferze nawet setki lat.

Osłabienie warstwy ozonowej jest powiązane na wielu płaszczyznach z efektem cieplarnianym - drugim zagrożeniem w skali globalnej - nadmiernym wzrostem temperatury przy powierzchni Ziemi.

Niszczenie stratosferycznej warstwy ozonowej, skutki jej degradacji oraz zwiększony efekt cieplarniany wiążą się z działalnością Słońca.

Z jednej strony ultrafioletowe promieniowanie słoneczne inicjuje w stratosferze niszczenie ozonu, przez uwalnianie atomów chloru i bromu wchodzących w skład, wspomnianych powyżej, gazów z grupy chlorowcopochodnych węglowodorów (freony, halony). Uwolnione atomy chloru lub bromu, pochodzące z tych substancji, reagują z ozonem tworząc tlenki chloru lub bromu. Następnie w wyniku reakcji tlenków z atomami tlenu , atomy Cl i Br zostają ponownie uwolnione, powodując dalsze niszczenie ozonu.

Z drugiej strony powyższe gazy (obok gazów powodujących tylko efekt cieplarniany, tj. dwutlenek węgla, metan, podtlenek azotu) powodują zwiększenie temperatury powierzchni Ziemi.

Barierą dla niebezpiecznego dla organizmów żywych promieniowania UV jest odpowiednio duża liczba cząstek tlenu i ozonu w stratosferze (ozonosferze),co gwarantuje dostateczną liczbę cykli reakcji powstawania i rozkładu ozonu. Przedostająca się do powierzchni Ziemi ilość promieniowania UV jest jednak ostrzeżeniem przed konsekwencjami, jakie powoduje uszkodzenie warstwy ozonowej. Promieniowanie to, uszkadzając materiał genetyczny DNA, jest główną przyczyną raka skóry. Wzrost zachorowalności na tą chorobę występuje na całym świecie-tylko w Stanach Zjednoczonych Ameryki wykrywa się około 300 tyś. przypadków rocznie. Wiodącą rolę w patogenezie nieczerniakowych raków skóry może odgrywać intensywne opalanie w dzieciństwie zwłaszcza gdy powstaną pod jego wpływem oparzenia i pęcherze. Najbardziej rakotwórcze jest światło ultrafioletowe w zakresie długości fali B (UVB). Jednak również ultrafiolet A (UVA) może ułatwiać powstanie nowotworów złośliwych.

Oprócz tych oddziaływań szkodliwe promieniowanie UV może powodować obniżenie odporności organizmu przeciwko infekcjom atakującym organizm przez skórę. Jest przyczyną powstawania katarakty i innych uszkodzeń oczu. Szacuje się, że liczba osób dotkniętych na świecie tą chorobą sięga 50 mln., z czego co najmniej 15 mln. staje się niewidomymi z powodu katarakty.

Podobne problemy obserwuje się także u zwierząt.

Promieniowanie ultrafioletowe jest również szkodliwe dla roślin, będących podstawą wyżywienia w wielu krajach. Na przebadanych 300 gatunków zbóż i innych roślin uprawnych u 2/3 stwierdzono wrażliwość na promieniowanie. Podobną wrażliwość stwierdzono również u drzew. Promieniowanie UV przenika czyste wody mórz i oceanów do głębokości 20 m, wpływając szkodliwie na drobną florę i faunę. Niszczenie warstwy ozonowej i spowodowany tym wzrost promieniowania ultrafioletowego docierającego do powierzchni Ziemi stanowi więc zagrożenie, którego nie można bagatelizować.

Istotnym elementem są systematyczne pomiary ilości ozonu. Pierwsze pomiary zmierzające do określenia całkowitej zawartości ozonu w atmosferze zostały wykonane w 1920 roku. Światowa Organizacja Meteorologiczna (WMO) w 1955 roku zaproponowała, a od 1957 roku rozpoczęła skoordynowane pomiary ozonu w atmosferze. Pomiary te prowadzi blisko 150 stacji naziemnych wspomaganych przez satelity badawcze (od 1966 r.). Tworzą one Globalny System Obserwacji Ozonu, którego dane przekazywane są do światowego Centrum Danych Ozonowych, mieszczącego się od 1960 roku w Kanadzie.

W Polsce od 30 lat Centralne Obserwatorium Geofizyczne PAN w Belsku koło Grójca prowadzi pomiary ozonu atmosferycznego wykazując między innymi, że jego ilość nad Belskiem potrafi wzrosnąć niemal dwukrotnie w ciągu paru dni, by w ciągu następnych paru dni opaść do stanu wyjścia. Jednak od piętnastu już lat z tych ozonowych szumów wyłania się coraz wyraźniejszy i coraz bardziej niepokojący sygnał, ogólnie rzecz biorąc, ozonu nad nami jest coraz mniej. Spadek ilości ozonu zaznacza się szczególnie wyraźnie w miesiącach zimowych, w których jest go teraz około 4% mniej niż w miesiącach zimowych przy końcu lat 60. Rekordowo niską zawartość trójatomowego tlenu nad Polską ­ 191 dobsonów zaobserwowano 28 stycznia 1992 roku prawie dwukrotny spadek w porównaniu z wieloletnią średnią dla tej pory roku). Nad Antarktyką, w warunkach otwartej "dziury ozonowej", notuje się niekiedy wartości bliskie 100 dobsonów. Podobne badania prowadzi Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej oraz Ośrodek Aerologii w Legionowie (od 1979 roku) gdzie od 1993 roku mierzy się promieniowanie ultrafioletowe w paśmie UV, na które najbardziej wrażliwa jest skóra człowieka.

Występujące w lecie i obserwowane niekiedy w Polsce ubytki ozonu atmosferycznego sięgające do 20% mogą przy bezchmurnym niebie spowodować wzrost promieniowania UV-B do 40%.

Światowe reakcje na zagrożenie warstwy ozonowej i idące za tym postanowienia i działania są przykładem, jak do tej pory, najbardziej optymistycznym, jeżeli chodzi o wspólną akcję wobec zagrożenia. Z inicjatywy UNEP (Program Ochrony Środowiska Narodów Zjednoczonych) przedstawiciele 31 państw podpisali w 1987 roku Protokół Montrealski - umowę zakładającą 50-procentowy spadek produkcji freonów do roku 2000, w stosunku do 1986. Od 1990 roku obserwowane jest zmniejszenie tempa wzrostu freonów w atmosferze- z 5% rocznie do mniej niż 3%. Polska podpisała Protokół Montrealski i jest także od 11 października 1990 roku członkiem Konwencji Wiedeńskiej w sprawie ochrony warstwy ozonowej. Są to postanowienia na szczeblach rządowych - by przyspieszyć proces oczyszczenia atmosfery. Przystąpiliśmy do tej konwencji tylko jako użytkownicy, ponieważ nie produkuje się u nas freonów ani halonów. Zobowiązania wobec konwencji dotyczą zakazu importu i używania produktów zawierających te substancje. Nie będzie to jednak takie proste. W Polsce większość lodówek zawiera freony a wprowadzanie nowych technologii i zamienników, eliminujących substancje niebezpieczne dla warstwy ozonowej jest bardzo kosztowne. Ciągle też pomimo podpisanej konwencji ukazują się w sklepach dezodoranty i inne kosmetyki oraz farby w aerozolach wycofane już w innych krajach. Przewiduje się jednak, że powrót do stanu ozonosfery obserwowanego w 1982 roku potrwa co najmniej 100 lat.

Ciekawostką jest to, że plamy na liściach specjalnie wyhodowanych odmian tytoniu (Bel-W3 ­ bardzo wrażliwą, Bel-C ­ wrażliwą i Bel-B ­ najmniej wrażliwą) to uszkodzenia wywołane przez ozon. Tytoń jako "wykrywacz" ozonu był używany już w wielu krajach Europy (Danii, Niemczech, Holandii, Włoszech, Szwecji, Szwajcarii i Wielkiej Brytanii), w USA, Australii, Indiach, Izraelu, na Tajwanie. W ostatnich latach stał się też cenną pomocą w edukacji ekologicznej w Polsce

1

hϑ

hϑ

---