Ozon i dziura ozonowa

Ozon jest alotropową odmianą tlenu o cząsteczce trójatomowej O3. Jest on niebieskawym gazem o charakterystycznym zapachu, jest nietrwały. Należy do silnych utleniaczy, powstaje z tlenu podczas wyładowań elektrycznych i w reakcjach chemicznych. Ozon ok. 10 razy lepiej rozpuszcza się w wodzie niż tlen. Stosowany jest jako środek utleniający i bakteriobójczy m.in. do odkażania wody i odświeżania powietrza. Ozon w większych stężeniach jest szkodliwy dla zdrowia człowieka.

Koncentrację ozonu mierzy się w jednostkach zwanych dobsonami (od nazwiska konstruktora przyrządów pomiarowych). Ozon nie jest równomiernie rozłożony nad całą powierzchnią Ziemi. Średni poziom wynosi 300 D, podczas gdy nad równikiem jest tylko ok. 250 D. Gdyby nie istniały wiatry stratosferyczne, najwięcej ozonu byłoby właśnie ok. 30 km nad równikiem.

W Polsce spadek ilości ozonu zaznacza się szczególnie wyraźnie w miesiącach zimowych np. na przełomie stycznia i lutego 1992 pokrywała Polskę niemal dwukrotnie mniejsza warstwa ozonu niż przeciętnie. Zanotowano 191 D, gdy zazwyczaj o tej porze pomiary wynosiły 350 D.

Dziura ozonowa to zjawisko ubytku ozonu w ozonosferze, związane z zanieczyszczeniami atmosfery związkami reagującymi z ozonem. Związki te to chloro-fluoropochodne węglowodorów tzw. freony. Wielu uczonych uważa, że produkcja fluorochlorowych pochodnych węglowodorów (metanu i etanu) powoduje, że gazy te w coraz większej ilości dostają się do atmosfery. Przy powierzchni Ziemi i w troposferze zachowują się obojętnie. Dopiero w stratosferze, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego uwalnia się atom chloru, będący katalizatorem rozpadu ozonu. W ten sposób następuje spadek koncentracji ozonu i tworzenie się dziur ozonowych. Pierwsze wieści o zaniku ozonosfery pojawiły się w latach 70. Największy spadek koncentracji ozonu zaobserwowano nad Antarktydą. Spadek ten pojawia się rokrocznie w okresie wiosennym.Tempo spadku wynosi ok. 3% na rok. Dziura ozonowa nad Antarktydą powiększyła się już o 15% od chwili jej odkrycia. Dalej rozprzestrzenia się nad południową Argentyną i Chile. Zmniejszenie ilości ozonu sięga nawet 70%. Na wysokościach 14-17 km występują prawie całkowite braki ozonu. Dziura ta zagraża w pierwszej kolejności mieszkańcom półkuli południowej. Wielkość i kształt dziury stale się zmienia, ale co roku wyraźnie się powiększa.

Dlaczego nad Antarktydą zanik ozonu jest największy? Wiatry stratosferyczne spychają powietrze wzbogacone w ozon znad równika w stroną biegunów. Transport ozonu znad równika w kierunku północnym i południowym osiąga szczególnie dużą wydajność, gdy na danej półkuli kończy się noc polarna. Ruchy mas powietrznych nie są symetryczne i faworyzują półkulę północną, która otrzymuje ponad połowę ozonu. Na początku antarktycznej nocy polarnej (u nas zaczyna się wiosna) nad całym obszarem Antarktydy formuje się bardzo regularny i stabilny wir, w którym powietrze przez pół roku krąży koło bieguna. Następstwa odizolowania od dopływu powietrza równikowego: procesy rozpadu ozonu biorą górę nad procesami jego wytwarzania i ilość ozonu nad Antarktydą zaczyna maleć. W 1991 roku po raz pierwszy w historii w dolnych warstwach stratosfery nad Antarktydą zanotowano kilkudniowy całkowity brak ozonu.

 

Dziura ozonowa nad biegunem południowym (niebieski obszar, październik 1999). Łagodna pogoda spowodowała, że wielkość tej dziury ozonowej jest mniejsza niż w poprzednim roku.

Tempo globalnego spadku ozonu stratosferycznego pod wpływem działalności człowieka (z wyjątkiem Antarktydy), oszacowane na podstawie badań satelitarnych, wynosi 0,4-0,8% na rok w północnych, umiarkowanych szerokościach geograficznych i mniej niż 0,2% w tropikach.

Kilkuprocentowe zmniejszanie się ozonosfery może mieć dramatyczne skutki tj. wzrost zachorowań na raka skóry i chorobę oczu z zaćmą i ślepotą włącznie oraz wzrost liczby poparzeń słonecznych. Nadmiar promieniowania ultrafioletowego uszkadza strukturę kwasów nukleinowych, powodując liczne mutacje genetyczne. Zanik ozonosfery może więc niekorzystnie odbić się na całych systemach ekologicznych.

Freony, które są głównie odpowiedzialne za rozkład ozonu używane są w chłodnictwie i jako składnik dezodorantów. Freony są tanie w produkcji i nie sprawiają problemów z transportem i przechowywaniem. W wielu państwach wprowadzono surowe ograniczenia używania freonów i dlatego ich produkcja spadła. Freon utrzymuje się w stratosferze przez 65 – 130 lat, dlatego skutki obecnej bezmyślności odczują jeszcze przyszłe pokolenia.

Halony - fluorowcopochodne metanu i etanu, są stosowane jako środki gaśnicze (gaśnice halonowe zawierają sprężone halony). Stosowanie halonów zostało ograniczone, gdyż uważa się, że działają one niszcząco na ozonosferę, podobnie jak freony.

Uczeni uważają, że za zmniejszanie się grubości ozonosfery są odpowiedzialne, oprócz freonów i halonów, także tlenki azotu (produkt m.in. spalania paliw w silnikach samolotów i rakiet). Substancje te w pewnych warunkach mogą powodować łańcuchowy rozpad cząsteczek ozonu.

Po pewnym czasie stwierdzono, jak katastrofalne skutki przynosi używanie tych związków dla warstwy ozonowej. Cząsteczki freonów nie wchodzą w reakcję z innymi substancjami i nie rozpadają się, mogą więc żyć w atmosferze ponad 100 lat. Owa niezniszczalność freonów oraz lekkość pozwalająca na przenikanie aż do ozonosfery zaniepokoiła dwóch amerykańskich chemików – M. Molinę i F. S. Rowlanda. Prowadzili oni pomiary zawartości ozonu nad Anterktydą w Zatoce Halleya nad Morzem Weddela od 1959 roku. W 1985 roku opinia światowa została zaalarmowana doniesieniem o zaniku 40% ozonu nad biegunem południowym. Przyczyn tak wysoce niekorzystnego dla całego globu zjawiska upatrywano w cyklicznym formowaniu się i zaniku polarnego wiru, zwiększonej aktywności wulkanów, pojawieniu się plam na Słońcu, wzroście poziomu zawartości tlenków azotu pochodzących ze źródeł antropogenicznych oraz rosnącym poziomie zawartości związków halogenoorganicznych. Dopiero dzięki badaniom Molina i Rowlanda odkryto prawdziwe przyczyny powstawania dziury ozonowej. Z ich założeń wynikało, że w ozonosferze miliony ton lekkich freonów pod wpływem promieniowania ultrafioletowego rozkładają się na pierwiastki: fluor, węgiel i chlor. Wprawdzie węgiel spala się, ale fluor i jeszcze silniej chlor rozpoczynają reakcję łańcuchową z ozonem powodując tworzenie się tlenków i powstanie zwykłego tlenu dwuatomowego.

W 1995 Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii przyznano za badania nad wpływem freonów na ozon atmosferyczny (zdobywcy to właśnie M. Molina, F.S. Rowland) oraz badania nad powstawaniem i reakcjami ozonu atmosferycznego (P. Crutzen - chemik holenderski).

Powłoka ozonowa niewątpliwie jest naturalnym filtrem chroniącym organizmy żywe przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym. W celu jej ochrony z inicjatywy UNEP (Program Ochrony Środowiska Narodów Zjednoczonych) przedstawiciele 31 państw podpisali w 1987 Protokół Montrealski - umowę zakładającą 50-procentowy spadek produkcji freonów do roku 2000, w stosunku do 1986. Od 1990 obserwowane jest zmniejszenie tempa wzrostu freonów w atmosferze - z 5% rocznie do mniej niż 3%.

Można mówić o znacznym wzroście świadomości władz i społeczeństwa, co jest ważnym zjawiskiem. W produkcji kosmetyków i dezodorantów nie stosowane są już praktycznie freony, a jako nośniki używane są inne, nieszkodliwe dla środowiska gazy - propan i butan. Kosmetyki te oznaczane są jako "CFC frez" lub "ozon friendly" (przyjazne ozonowi). Także nowoczesne lodówki i chłodziarki są urządzeniami bezfreonowymi.

Aby chronić nasze środowisko życia powinniśmy używać aerozoli bez freonów, o czym informuje taki znak na opakowaniu: