Dziura ozonowa
Flickr / @NASA Goddard Space Flight Center / CC BY 2.0

Dziura ozonowa (rozrzedzenie ozonowe) to zjawisko ubytku (spadku stężenia) ozonu stratosferycznego nad niektórymi obszarami Ziemi, związany z przekształceniem cząsteczki ozonu do dwuatomowej cząsteczki tlenu pod wpływem reakcji fotochemicznych zachodzących w stratosferze.

Dziura ozonowa to po prostu spadek ilości ozonu w stratosferze.

Ozon i powłoka ozonowa

Warstwa ozonowa znajduje się w stratosferze na wysokości od 10-50 km. Jest to warstwa tak mała, że gdyby ją ścisnąć to miałaby grubość około 3 mm. Cienka powłoka ozonowa chroni powierzchnię Ziemi przed szkodliwym dla organizmów żywych promieniowaniem ultrafioletowym docierającym do nas z kosmosu

Zjawisko powstawania dziury ozonowej obserwuje się sezonowo w różnych szerokościach geograficznych, ale głównie w obszarach podbiegunowych.

Naturalna zawartość ozonu zmienia się z szerokością geograficzną, dlatego trudno jest podać uniwersalną wartość stężenia granicznego które określa pojawienie się dziury ozonowej. W przypadku Antarktyki graniczna wartość stężenia O3 określająca naturalny stan ozonosfery i dziurę ozonową wynosi 220 DU.

Główną przyczyną powodującą niszczenie warstwy ozonowej jest emisja do atmosfery ziemskiej freonów czyli stworzonych przez człowieka związków chloru, fluoru i węgla. Substancje te trafiając do stratosfery pełnią funkcje katalizatora, powodując rozkład cząsteczki ozonu (O3) na cząsteczkę tlenu (O2) i tlen atomowy (O).

Niebezpieczne konsekwencje ubytku ozonu

Rozrzedzenie ozonowe jest zagrożeniem życia na Ziemi, gdyż pozwala na przenikanie do jej powierzchni szkodliwego promieniowania UV. Jest to przede wszystkim promieniowanie ultrafioletowe UV-B, które jest groźne dla życia, może doprowadzić do zaburzenia równowagi ekosystemów wodnych i lądowych. Każdy 1% ubytek ozonu może powodować zwiększenie o ok. 2% natężenia niebezpiecznego promieniowania ultrafioletowego.

Zwiększone dawki promieniowania ultrafioletowego są groźne dla środowiska, zdrowia ludzi, zwierząt i roślin

  • oczy – silne dawki UV-B niszczą rogówkę, mniejsze powodują kataraktę. Ocenia się że przy 1% ubytku ozonu kolejne 150 tysięcy osób zaczyna cierpieć na choroby oczu
  • skóra – organizm broni się przed zwiększoną dawką promieniowania ultrafioletowego, produkując warstwę pigmentu, czyli po prostu opalając się. 10% zanik ozonu może prowadzić do zwiększenia o 26% liczby przypadków chorób skóry. Ubytek ozonu może powodować oparzenia słoneczne, przyspieszyć proces starzenia się skóry, doprowadzić do chorób nowotworowych: raka skóry, czerniaka. Ryzyko to jest czterokrotnie większe dla osób o jasnej karnacji, niż tych o południowej urodzie.
  • organizmy zwierzęce – promieniowanie UV powoduje wymieranie niektórych organizmów zwierzęcych, prowadząc do eliminacji ogniw z łańcuchów troficznych np: zakłóca cykl rozwoju morskiego planktonu
  • organizmy roślinne – nadmiar promieniowania UV powoduje zakłócenia w rozwoju roślin i zmniejszenie plonów wielu roślin uprawnych

Uwaga! O ochronie przed nadmiarem promieni UV powinni pamiętać plażowicze, ale również amatorzy sportów wodnych, zimowych, oraz wysokogórskich wspinaczek. Aż 80%  szkodliwego promieniowania może pochodzić z odbicia od śniegu, podczas gdy piasek na plaży odbija około 25%.

Dziura ozonowa a zmiany klimatu i globalne ocieplenie

Trudno jednoznacznie określić związek między zanikaniem ozonu i zmianami klimatu. Wydaje się że ogrzewanie stratosfery spowodowane przez absorpcję promieniowania przez ozon jest ważnym czynnikiem w ustaleniu się warunków pogodowych na Ziemi.

Ponieważ ozon ogrzewa zewnętrzne warstwy atmosfery, jego zanik powinien przyczynić się do zmniejszenia globalnego ocieplenia powodowanego przez związki chlorofluorowęglowe. Jednak oddziaływania te nie znoszą się wzajemnie i ubytek stratosferyczny ozonu, stanowiącego tarczę przeciwko promieniowaniu ultrafioletowemu jest generalnie traktowany jako poważniejsze zagrożenie niż wkład ubytku ozonu w wychładzanie atmosfery.

Faktem natomiast jest to, że nadmiar szkodliwego promieniowania ultrafioletowego może prowadzić do eliminacji morskiego planktonu, który odgrywa istotną rolę w absorpcji nadmiernych ilości dwutlenku węgla, a wiec globalne ocieplenie może się dodatkowo powiększyć.

Historia powstania dziury ozonowej

Naukowcy do badania stratosfery i powstałej dziury ozonowej wykorzystują balony pogodowe, satelity, a także instrumenty naziemne

  • 1971 rok – James Lovelock po raz pierwszy stwierdza gromadzenie się w atmosferze syntetycznych chlorofluorowęglowych związków stworzonych przez człowieka, czyli freonów – często oznaczanych skrótem CFC. Do tej pory freony uważano że są wręcz idealne:  nieaktywne chemicznie, nie rozpuszczają się w wodzie i nie szkodzą żywym organizmom. Dlatego używano je na masową skalę.
  • 1974 rok – dzięki badaniu kosmosu przez amerykańskich naukowców pojawia się pierwsze zdjęcia dziury ozonowej – zjawisko to zaobserwowano nad obszarem Antarktydy
  • 1979 rok – około 15% antarktycznego ozonu ulega rozkładowi, a lokalnie i okresowo zanika do 95% ozonu
  • 1982 rok – brytyjski uczony Joe Ferman i jego ekipa pracująca na jednej ze stacji badawczych na Antarktydzie odkryli, że znaczna część warstwy ozonowej nad biegunem południowym zniknęła. Początkowo podejrzewano awarię aparatury, tym bardziej że pomiary prowadzone przez amerykańską stację NASA nie potwierdziły tych doniesień. Okazało się że amerykańskie wyniki były równie alarmujące, tylko komputery nie pokazały ich, bo program nie przewidywał takich wartości na skali pomiarów.
  • 1984 rok – brytyjscy naukowcy pracujący na Antarktydzie donoszą, że obszar nie zawierający w ogóle ozonu jest porównywalny z obszarem wielkości Stanów Zjednoczonych
  • 1987 rok – ilość ozonu nad Antarktydą  jest o 50% mniejsza niż w chwili odkrycia dziury
  • 1992 rok – na przełomie stycznia i lutego warstwa ozonowa przykrywająca Polskę jest niemal dwukrotnie cieńsza od średniej
  • 2000 rok – według raportu ONZ obecność gazów niszczących ozon osiągnął w tym roku swój punkt kulminacyjny. Przez lata badań naukowcy oszacowali, że to właśnie w tym okresie w atmosferze jest najwięcej niszczących warstwę ozonową gazów.
  • od 2000 roku dziura powoli, ale systematycznie maleje – w latach 2000 – 2015 roku dziura ozonowa zmalała o prawie 3,9 mln km²
  • 2014 roku pracownicy naukowi Organizacji Narodów Zjednoczonych odkryli, że warstwa ozonowa jest w stanie się samo regenerować, o ile przestanie się korzystać ze środków chemicznych wykorzystujących freon, a także wycofa z obiegu bazujące na freonie zamrażarki i systemy wentylacyjne.
  • w 2017 roku naukowcy z agencji NASA oszacowali, że rozmiar dziury ozonowej zmniejszył się i obecnie jej rozmiar przypomina stan z 1988 roku
  • naukowcy prognozują że warstwa ozonowa powróci do stanu z początku lat 80 dopiero w roku 2070

Jak powstaje dziura ozonowa

Powstawanie dziury ozonowej, jest związane z antropogeniczną emisją gazów stworzonych przez człowieka.

Należą do nich:

Freony (związki chlorofluorowęglowe) (CFC)

Gazy które wypuszczone do powietrza rozkładają się w stratosferze uwalniając atomy chloru, które z kolei rozkładają ozon, same pozostając w stanie wolnym nawet przez 130 lat.

Freon wytwarzały różnego rodzaju urządzenia klimatyzacyjne, sprężarki, chłodnie, lodówki, lakiery, pojemniki areozolowe, a także przemysł kosmetyczny oraz medyczny.

Halony, czterochlorek węgla i chloroform

Stosowane jako czynniki tłumiące ogień i rozpuszczalniki

Bromek metylu

Stosowany jako środek grzybobójczy

Dichlorometan

Związek powszechnie stosowany w wielu gałęziach przemysłu

Powietrze zanieczyszczone freonami, halonami i innymi gazami na skutek różnicy ciśnień zostaje wprawione w ruch i przenoszone jest na duże odległości. Wraz z prądami powietrznymi w atmosferze ziemskiej jego masy, pełne zanieczyszczeń, roznoszone są po całej kuli ziemskiej.

Sezonowe wahania rozmiaru dziury ozonowej – dlaczego dziura ozonowa pojawia się we wrześniu nad Antarktydą

Każdego roku w okresie kiedy na półkuli północnej rozpoczyna się pora wiosenna nad Antarktydą zaczyna się noc polarna. Tworzy się wtedy stabilny, trwający pół roku wir lodowatego powietrza, który krąży wokół bieguna południowego, całkowicie odizolowany od dopływu powietrza równikowego, zawierającego na ogól wysokie stężenie ozonu. Ta chmura lodowatego powietrza wychwytuje część zanieczyszczeń niszczących później warstwę ozonową.

W czasie polarnej wiosny wzajemne oddziaływanie syntetycznych związków chemicznych, promieni słonecznych i kryształków lodu przebiegające w poruszającym się powoli okołobiegunowym wirze skutecznie rozkłada ozon nad Antarktydą. Wskutek tego rośnie intensywność promieniowania UV-B na obszarze dziury.

Warstwa ozonowa ulega odbudowaniu latem, zatem powstawanie dziury ozonowej ma cykliczny charakter związany z porami roku.

W ostatnich latach odnotowano również ubytek ozonu nad Arktyką, chociaż zakres zjawiska jest mniejszy i dziura jako taka nie powstaje.

Zmiany powierzchni dziury ozonowej na przestrzeni lat

Dzięki danym NASA można porównać jak zmieniała się dziura ozonowa na przestrzeni lat.

Obszar zajmowany przez dziurę ozonową nad biegunem południowym
@ NASA Ozone Watch – The ozone hole area is determined from total ozone satellite measurements. It is defined to be that region of ozone values below 220 Dobson Units (DU) located south of 40°S. Values below 220 DU represent anthropogenic ozone losses over Antarctica. The annual data are for 7 September–13 October, 1979–2016. On the annual plot, the area of North America is also show for reference.

Do pomiarów grubości warstwy ozonowej wykorzystuje się tzw jednostkę Dubsona DU.

@ NASA Ozone Watch – The minimum ozone is found from total ozone satellite measurements south of 40°S. No interpolation of missing values is performed. This means that the actual minimum value on a day may be estimated too high, especially in the polar night region. The annual data are for 21 September–16 October.

Dziura ozonowa jest definiowana jako obszar, w którym grubość warstwy ozonu jest mniejsza niż 220 DU, gdyż niższe wartości nie zostały zaobserwowane w badaniach Antarktyki przed rokiem 1979.

Pomiary dziury ozonowej dokonywane we wrześniu na przestrzeni lat 1979-2017

Co to są freony (CFC) – podstawowe informacje?

Freony (CFC) to handlowa nazwa związków chemicznych będących fluorochlorowcopochodnymi węglowodorów, głownie metanu. np. freon 21 (CHCl2F). W skład tych syntetycznych związków chemicznych wchodzą zatem węgiel, chlor i fluor. Pierwszy raz zsyntetyzowano je w latach 30.

Z początku uważano je za mało toksyczne i stabilne chemicznie. Przez wiele dziesięcioleci były one powszechnie stosowane w przemyśle i gospodarstwie domowym, głownie w urządzeniach chłodniczych, lodówkach, zamrażarkach, systemach klimatyzacyjnych, przy produkcji tworzyw piankowych oraz aerozolowych środków kosmetycznych i czyszczących. Dopiero w latach 80 okazało się że niszczą warstwę ozonową.

Freony są gazami niepalnymi, nietoksycznymi, oraz nierozpuszczającymi się w wodzie. Stosunkowo lekkimi, dzięki czemu łatwo unoszą się do górnych warstw atmosfery.

Tu rozkładają się pod wpływem promieniowania nadfioletowego z uwolnieniem chloru, który powoduje rozbijanie trójatomowej cząsteczki tlenu (ozonu), czym przyczynia się do zubożenia warstwy ozonowej

Freon cechuje długa żywotność. Raz wprowadzone do atmosfery mogą w niej pozostać ponad 130 lat.

Ze względu na wysoką szkodliwość dla środowiska ich stosowanie zostało zabronione. We współczesnych chłodziarkach nie stosuje się już freonu.

Obecnie propan i butan zastępują freony w większości produktów, dlatego np. w aerozolach znajdziemy ostrzeżenie że są łatwopalne.

30000 cząsteczek ozonu w górnych warstwach atmosfery może zostać zniszczonych przez jeden atom chloru

@ NASA Ozone Watch – The ozone mass deficit is determined from total ozone satellite measurements. It combines the effects of changes in area and depth. It is the total amount of mass that is deficit relative to the amount of mass present for a value of 220 Dobson Units (DU). The annual data are for 21 September–13 October.

Sposób w jaki freony wpływają na eliminacje ozonu z atmosfery?

Freony pod wpływem promieniowania ultrafioletowego ulegają fotolizie, w wyniku czego uwolnione zostają atomy chloru, który wchodzi w reakcję z ozonem, tworząc aktywny tlenek chloru(ClO) oraz dwuatomowy tlen (O2).

Cl + O3 → ClO + O2

Następnie reakcja 2 cząsteczek tlenku chloru prowadzi do powstania cząsteczki dwutlenku chloru (ClO2) i uwolnienia ponownie atomu chloru, który rozbija następną cząsteczkę ozonu.

2ClO → ClO2 + Cl

Ponadto dwutlenek chloru sam może się rozpaść na atom chloru i dwuatomową cząstkę tlenu.

ClO2 → Cl + O2

Reakcje te przebiegają do całkowitego wyczerpania ozonu lub eliminacji chloru z atmosfery w wyniku innych reakcji chemicznych.

Protokół Montrealski

Protokół z Montrealu to pierwsze międzynarodowe porozumienie, zobowiązującego jego sygnatariuszy do ograniczenia zużycia szkodliwych dla warstwy ozonowej środków chemicznych. Zawarte w 1987 roku porozumienie nawoływało do nieużywania freonów i halonów wykorzystywanych m.in. w lodówkach i produktach do prania chemicznego.  Protokół przewidywał znaczące ograniczenie produkcji freonów do 2000 roku.

Protokół z Montrealu pierwotnie został podpisany przez 24 państwa, jednak po trzech dekadach liczba sygnatariuszy wzrosła do 197. Było to pierwsze tego rodzaju porozumienie międzynarodowe zapoczątkowane przez działania środowiska badawcze.

Polska podpisała Protokół Montrealski a od 1990 roku jest także członkiem Konwencji Wiedeńskiej w sprawie ochrony warstwy ozonowej.

W 1992 roku podczas spotkania w Kopenhadze aż 162 państwa zgłosiły chęć ograniczenia wpływu freonu na atmosferę. Przyczyniła się do tego szeroka kampania środków masowego przekazu, ukazująca wpływ malejącej warstwy ozonowej na drastyczny wzrost zachorowań na raka skóry, choroby oczu, w tym prowadzącą do ślepoty zaćmę.

W trosce o własne zdrowie konsumenci zaczęli wybierać dezodoranty z napisem ozone frindly lub CFC free.

Utylizacja zużytego sprzętu chłodniczego

Bardzo dużym zagrożeniem dla środowiska jest niewłaściwe przetwarzanie lodówek, chłodziarek czy klimatyzatorów.

Szacuje się, że w Polsce tylko 30% zużytego sprzętu chłodniczego trafia do prawidłowego przetwarzania. Zdecydowana większość zużytych lodówek czy zamrażarek przetwarzana jest w prymitywny sposób. Nieprofesjonalny demontaż zużytego sprzętu chłodniczego jest źródłem poważnych zanieczyszczeń. Nieprawidłowe przetworzenie zużytej lodówki jest równoważne emisji CO2 z podróży samochodem osobowym na dystansie 10 tys. km. Dużo szkodliwego freonu znajduje się w starych lodówkach w izolacji z pianki poliuretanowej.

Dlatego tak ważny jest proces recyklingu zużytego sprzętu chłodniczego.

Odbiór zużytych sprzętów, żeby odzyskiwanie freonów i ich unieszkodliwianie chemiczne odbywało się w wyspecjalizowanych zakładach.

zobacz więcej szczegółowych informacji:
ozonewatch.gsfc.nasa.gov
earthobservatory.nasa.gov
nasa.gov/ozone

utylizacja zużytego sprzętu