struktura atmosfery ziemskiej
EGZOSFERA najbardziej zewnętrzna
część atmosfery płynnie przechodząca
temperatura
w przestrzeń międzyplanetarną
TERMOSFERA sięga do 500-600 km, zawiera
zaledwie 0,001 % powietrza, dominującym
składnikiem jest tlen atomowy, temperatura
ozon
rośnie do około 1500-2000 K
MEZOSFERA sięga do 80-85 km, temperatura
spada do -70/-900C, bardzo rozrzedzone
powietrze
STRATOSFERA sięga do 45-50 km, do 25 km
warstwa quasi-izotermiczna, w górnej
temperatura rośnie do około 00C, 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,
W atmosferze ziemskiej geofizycy
temperatura spada w tempie około 6,50C/km,
1
wyró\
niają koncentryczne warstwy
-45/-750C, kształtuje klimat i pogodę
o nieostro zarysowanych granicach
ozonosfera
Pomiary wykonywane w 2007 roku na stacji aerologicznej w Legionowie (Polska) 
zawartość ozonu wyra\
ona poprzez ciśnienie cząstkowe, linie ciągłe i wartości w ramce 
całkowita zawartość ozonu w całym profilu wyra\
ona w D
1 dobson (DU  Dobson Unit ) = wynosząca 0,001 cm grubość warstwy ozonu zawartego w pionowym
słupie powietrza o podstawie 1 cm2 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, słu\
ącego do pomiarów ozonu.
2
(Ko\
uchowski, 1995)
ozon stratosferyczny  czym jest i jak powstaje
triada tlenowa O3  ozon (gr. odzon  pachnący)
sprzę\
ony system, w
którym wszystkie elementy
O2 + hv<200 nm O + O






są wzajemnie dostrojone i
zmiana któregokolwiek z
nich mo\
e prowadzić do
O2 + O2 �! O + O3 O3 �! O2 +O
�! �!
�! �!
�! �!
powa\
nych 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 te\
, \
e największe jego stę\
enie 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 tak\
e i największe
ubytki.
3
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.
4
histeria ozonowa ??? - jak to się zaczęło
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 wyraz
nego 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
Pomiary zawartości ozonu w 1986  NASA  informacja o zmniejszaniu
stratosferze  stacja Halley Bay na zawartości ozonu tak\
e nad biegunem
Antarktydzie (Wielka Brytania) północnym
5
zawartość ozonu w stratosferze
W okresie 20 lat ilość ozonu nad biegunem południowym zmalała
z 200 D do 100 D (o 50 %)
6
powierzchnia (w mln km2) charakteryzująca się
zawartością ozonu poni\
ej 220 D
W latach 1980-1995 rosła w tempie ok. 1,5 mln km2/rok.
Od roku 1995 obserwować mo\
na pewne symptomy stagnacji.
7
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  zabliz
niania się
dziury ozonowej
8
zmiany zawartości ozonu nad półkulą południową 2
9
hipoteza 1  ozonosfera a dynamika atmosfery
Zgodnie z tą hipotezą zmniejszanie się warstwy
ozonowej jest zjawiskiem sezonowym.
Zachodzi co roku w paz
dzierniku, 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 obrze\
ach wiru
przenoszą ozon stratosferyczny ku ziemi.
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 du\
ą intensywnością
utrzymującego się przez wiele miesięcy wiru
polarnego. Powietrze nad Antarktydą na
wysokości 7-30 km nad Ziemią krą\
y wokół
bieguna jak na uwięzi z szybkością 100 km/h.
Badania oczywiście potwierdzają
cykliczność zmian ilości ozonu w
stratosferze, trudno jednak zignorować
zaobserwowany wyraz
ny trend
spadkowy nie tylko na biegunem
Niedzielski i Gierczak, 1992
południowym, ale i nad północnym.
10
hipoteza 2 - ozonosfera a aktywność Słońca
Liczba plam słonecznych i koncentracja ozonu
w latach 1926-1975
Zmiany aktywności słonecznej w cyklu 11. letnim powodują du\
e i wyraz
ne zmiany natę\
enia
promieniowania Słońca, tak\
e w zakresie UV, co prowadzi do zmiany ilości ozonu.
Dla procesów zachodzących w stratosferze nie jest tak\
e obojętne promieniowanie
korpuskularne Słońca (  wiatr słoneczny  strumień protonów), które intensyfikuje się w
fazach aktywności słonecznej.
Wg ró\
nych z
ródeł zmiany te szacuje się na poziomie od 3 % (1973, H.K.Paetzold) do 6,5 %
(1980, N. Natarajan).
11
hipoteza 3 - ozonosfera a freony
Związek pomiędzy
koncentracją
freonu (chloru) w
atmosferze a
zanikiem ozonu (1991)
Cl Cl
C
Profil produkcji i zastosowania freonów
F F
(Marks, 1992)
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 bliz
niaki stały się światowym
szlagierem technicznym i sukcesem finansowym.
W ciągu 40 lat, w okresie 1950-1990 ich
12
produkcja wzrosła z 0,1 mln ton do 1,25 mln ton.
hipoteza 4 - ozonosfera a chlor
1992  Maduro i Schauerhammer (USA) 
chlor, ale pochodzenia naturalnego:
ozon
" erupcje wulkanów  ok. 36 mln ton/rok,
" aerozole morskie  ok. 600 mln ton/rok
chlor
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 u\
yciu 33 balonów
Kontrargumenty:
meteorologicznych
1. chlor jest rozpuszczalny w wodzie (depozycja
 stwierdzono 100 do 1000 razy większą
mokra  wymywanie z atmosfery), freon  nie,
zawartość chloru od oczekiwanej.
2. chlor uwalniany jest w czasie erupcji wulkanów
Zignorowano fakt, \
e pomiary wykonano
wraz z popiołem wulkanicznym (depozycja
tu\
po erupcji wulkanu  balony znalazły
sucha  opad pyłu z zaadsobowanym chlorem)
się w chmurze pyłowej unoszącej się znad
3. chlor jest jednym z najcię\
szych gazów dymiącego jeszcze krateru.
występujących w przyrodzie (2,5 krotnie
cię\
szy od powietrza), freon jest l\
ejszy od
Czyli Matka Ziemia oszalała
powietrza (przemieszcza się w górne warstwy
i postanowiła popełnić
atmosfery z prędkością odpowiadającą
samobójstwo ?
ucieczce gazów z atmosfery w przestrzeń
13
międzyplanetarną)
mechanizm destrukcji ozonosfery przez freony (Freon 12) 1
Teoria Rowlanda i Moliny (1974)
FAZA 1
Pod wpływem promieniowania UV następuje
uwolnienie z cząsteczki freonu atomu chloru.
gazy niszczące ozon stratosferyczny
CCl2F2 + hv<200 nm Cl + CClF2






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
Cl + O3 ClO + O2



FAZA 3
Powstały tlenek chloru jest równie\
bardzo
aktywny chemicznie i po 1-2 min równie\

ulega rozpadowi
ClO + O Cl + O2



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).
14
mechanizm destrukcji ozonosfery przez freony (Freon 12) 2
Proces destrukcji ozonu przez chlor powtarza się nawet do 1000 razy, dopóki łańcuch nie
zostanie przerwany przez inne, konkurencyjne składniki atmosfery, jak np. NO2 czy CH4.
Rezerwuary chloru: HCl (chlorowodór)  produkt reakcji z CH4
ClONO2 (azotan chlorowy)  produkt reakcji z NO2
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).
15
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�
�m) hydratu kwasu azotowego. Związek ten zestala się łatwiej jak woda. Rolę zalą\
ków
�
�
krystalizacji spełniają drobiny kwasu siarkowego ( 0,1 �
�m).
�
�
Powierzchnia kryształów okazuje się dobrym środowiskiem dla wzajemnej reakcji cząsteczek
chlorowodoru i azotanu chlorowego.
HCl +ClONO2 (gaz)
(kryst.)
Cl2 (gaz)+ HNO3 (kryst)
Cl2+hv Cl+Cl



Cl+O3 ClO+O2



& itd
16
Protokół Montrealski
Zanik ozonosfery cofa Ziemię do okresu początków rozwoju \
ycia.
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 te\

wywołane są działalnością człowieka,
ju\
we wrześniu 1987 roku sygnatariusze 24 krajów podpisali w Montrealu
porozumienie o konieczności ograniczenia zu\
ycia freonów o 50 % do roku
1999. Krajom rozwijającym się przedłu\
ono 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 póz
niej (1987) uzgodniono całkowite zaprzestanie produkcji
 zabójców ozonu do 2000 roku.
Na następnym spotkaniu - rok póz
niej , w 1990 roku w Londynie - a\
13
krajów zobowiązało się do zaprzestania produkcji freonów ju\
do 1997
roku a USA, Wielka Brytania, Niemcy jako rok graniczny przyjęły 1995.
17
ozonosfera - prognozy
Du\
a zgodność modeli z wynikami
pomiarów
Obserwuje się pierwsze symptomy
regeneracji ozonosfery.
Protokół Montrealski i zainicjowane nim
działania okazały się efektywne.
Modele klimatyczne wskazują, \
e
regeneracja ozonu do stanu z roku 1980
powinna nastąpić około 2040 roku w
Arktyce o około 2065 roku na
Antarktydzie. W obszarach pozapolarnych
y
ródło: Walker i in., J. Geophys. Res.,
105, 14,285-14,296, 2000; diagram:
 w połowie XXI wieku.
Gian-Kasper Plattner (Univ. of Bern, UCLA)
18