Warstwa ozonowa i jej znaczenie. Czy „dziura ozonowa” to problem minionej epoki?
16 września obchodzimy Międzynarodowy Dzień Ochrony Warstwy Ozonowej. O tym, jakie zagrożenia niesie ze sobą dziura ozonowa i jaką rolę pełni gazowa warstwa ozonowa nad Ziemią z prof. dr hab. Januszem Krzyścinem, Kierownikiem Zakładu Fizyki Atmosfery w Instytucie Geofizyki PAN rozmawia Joanna Szubierajska.
Joanna Szubierajska: Jakie jest znaczenie warstwy ozonowej w stratosferze?
Mimo niewielkiej koncentracji ozonu w stratosferze (w obszarze maksymalnej koncentracji ozonu stwierdzono obecność kilku cząsteczek ozonu na milion cząsteczek powietrza) jest on decydujący dla życia na Ziemi. Ozon, praktycznie jako jedyny składnik gazowy w atmosferze, efektywnie pochłania promieniowanie słoneczne w zakresie UV-B (290-315 nm). Promieniowanie w tym zakresie ma dużą energię, zdolną do niszczenia organizmów żywych, więc jego osłabienie przez ozon umożliwia życie na Ziemi. Pochłaniając promieniowanie UV ozon jednocześnie podgrzewa stratosferę wpływając na cyrkulację powietrza w tym obszarze atmosfery, co w pewnym stopniu decyduje także o warunkach klimatycznych na powierzchni Ziemi.
W latach osiemdziesiątych naukowcy zauważyli zanik ozonu. Media zaczęły straszyć nas dziurą ozonową. Obecnie jest to temat nieco przebrzmiały. Czy problem dziury ozonowej wygasł?
W latach 80-tych i do połowy lat 90-tych ubiegłego wieku obserwowano stopniowe zmniejszanie grubości warstwy ozonowej w strefie poza równikowej, a zwłaszcza nad Antarktydą. Corocznie wiosną antarktyczną pojawiały się nad tym kontynentem coraz rozleglejsze obszary w dolnej stratosferze (15-20 km od powierzchni Ziemi), gdzie ozon uległ całkowitemu zniszczeniu. Dla opisu tej sytuacji wprowadzono termin „dziura ozonowa”. Termin ten odnosi się jedynie do sezonowego zaniku ozonu nad Antarktydą w dolnej stratosferze i sporadycznie w Arktyce.
W średnich szerokościach geograficznych, w tym i nad Polską, grubość warstwy ozonowej zmniejszyła się o około 5% w latach 1980-1995 i raczej należy mówić o niewielkim ubytku ozonu niż używać terminu „dziura ozonowa”. Od połowy lat 90-tych XX wieku poziom ozonu ustabilizował się na niskim poziomie, a nawet nad niektórymi obszarami, w tym i nad Polską, wzrósł o 2-3% w stosunku do minimum z połowy lat 90-tych XX wieku, co można zaobserwować na poniższym wykresie. W tej sytuacji media uznały, że problem ubytku ozonu został opanowany, choć rozlegle obszary ze znacznymi ubytkami ozonu pojawiają się corocznie nad Antarktydą z końcem sierpnia i zanikają zwykle w pierwszych dniach grudnia. (rozwój dziury ozonowej nad Antarktydą można śledzić na stronie internetowej: https://toms.gsfc.nasa.gov/eptoms/dataqual/ozone_v8.html ).
Sporadycznie temat „dziury ozonowej” powraca, gdy na półkuli północnej pojawiają się na krótko (od kilka dni- do kilku tygodni) obszary ze znacznymi ubytkami ozonu. Tak zdarzyło się w tym roku i nad Polską, kiedy w ciągu kilku dni w marcu i kwietniu zmierzono zawartość ozonu w całej pionowej kolumnie atmosfery o 20% poniżej średniej wieloletniej. Duże ubytki ozonu zanotowano też w końcu sierpnia br. Takie zmiany w warstwie ozonowej nie maja trwałego charakteru i nie są przejawem nowo formującego się trendu.
Czy to nasza sprawka, że dziura ozonowa w ogóle powstała? Bo nie wszyscy naukowcy popierają tezę o wpływie działalności człowieka na zanik warstwy ozonowej.
Wpływ człowieka na warstwę ozonową jest bezsprzeczny. Toczą się jedynie dyskusje w literaturze dot. udziału zmian klimatu (w tym cyrkulacji atmosferycznej) w obserwowanym spadkowym trendzie w latach 1980-1995 i tempem naprawy warstwy ozonowej tj. powrotu do stanu z końca lat 70-tych ubiegłego wieku. Trudno precyzyjnie oszacować udział „naturalnych” czynników, gdyż są
Wpływ człowieka na warstwę ozonową jest bezsprzeczny. Toczą się jedynie dyskusje w literaturze dot. udziału zmian klimatu w obserwowanym spadkowym trendzie w latach 1980-1995 i tempem naprawy warstwy ozonowej
one powiązane w złożony sposób ze zmianami antropogenicznymi, np. pojawienie się aerozolu w stratosferze po potężnych wybuchach wulkanów, kiedy w atmosferze występuje znaczna koncentracja substancji niszczących ozon, intensyfikuje jego destrukcję. Proces niszczenia ozonu w wysokich szerokościach geograficznych ulega wzmocnieniu w sytuacji występowania tzw. polarnych chmur stratosferycznych, które pojawiają się wraz ze znacznym obniżeniem temperatury w stratosferze (ma to miejsce zwykle w czasie nocy polarnej nad Antarktyda i sporadycznie nad Arktyką). Zmiany długookresowe (trendy) w ozonie atmosferycznymi uwarunkowane procesami naturalnymi w atmosferze osiągnęły by znacznie mniejszą skalę w sytuacji, gdyby atmosfera nie byłaby zanieczyszczona substancjami niszczącymi warstwę ozonową. W niektórych stacjach pomiary ozonu prowadzone są ciągle od 20-tych lat ubiegłego wieku i tak wyraźnego trendu, jaki zanotowano w końcu XX wieku, nie obserwowano wcześniej.
Dlaczego dziura ozonowa tworzy się w okresie wiosennym głównie na Antarktydzie, w rejonach biegunów?
Pojawienie się rozległej i głębokiej dziury ozonowej umożliwiają warunki meteorologiczne panujące w stratosferze antarktycznej w czasie zimy (czerwiec-sierpień). Niska temperatura stratosfery (-78oC) przyczyniła się do utworzenia tam chmur zwanych polarnymi chmurami stratosferycznymi (PSCs). Zawartość pary wodnej w stratosferze jest bardzo mała, więc w warunkach normalnych w stratosferze chmury się nie pojawiają. Jednakże, kiedy temperatura jest wystarczająco niska, zaczynają się tworzyć chmury zawierające mieszaninę wody i kwasu azotowego. Tego rodzaju chmury są nazywane polarnymi chmurami stratosferycznymi (PSCs) typu I. Na powierzchni cząstek tworzących te chmury zachodzą reakcje chemiczne, które zmieniają nieaktywne i nieszkodliwe dla ozonu związki halogenowe (np. kwas solny i bromowodór) w aktywne chlorki i bromki (np. ClO i BrO).
Te aktywne formy chloru i bromu powodują w warunkach dopływu promieniowania słonecznego szybki rozpad cząsteczek ozonu w cyklu katalitycznym, w którym jedna cząsteczka ClO może rozłożyć tysiące cząsteczek ozonu, zanim ulegnie dezaktywacji spowodowanej reakcją z cząsteczką dwutlenku azotu (NO2). Kiedy temperatura spada jeszcze bardziej (rzędu -90oC) mogą tworzyć się chmury zawierające wyłącznie zamarzniętą wodę. Te lodowe chmury nazywane są PSCs typu II. Tworzenie się chmur lodowych będzie prowadziło do dużo poważniejszych strat ozonu niż gdyby niedobory były spowodowane wyłącznie przez PSCs typu I, gdyż związki halogenowe będą bardziej wydajnie aktywowane na powierzchniach cząstek lodowych. Rozmiar i czas trwania dziury ozonowej zależy od zmienności z roku na rok temperatury i intensywności procesów dynamicznych w atmosferze, co widać na poniższym wykresie.
Czy jest szansa, że warstwa ozonowa kiedyś się zregeneruje?
Badania modelowe pozwalają przewidywać, że zawartości ozonu atmosferycznego będą rosnąć w wyniku spadku zawartości halogenów w stratosferze, lecz nie osiągną poziomu z lat poprzedzających 1980 rok przed upływem połowy bieżącego stulecia. Wydaje się, że proces regeneracji warstwy ozonowej już się rozpoczął, gdyż w XXI wieku nie obserwuje się kontynuacji
Proces regeneracji warstwy ozonowej już się rozpoczął, gdyż w XXI wieku nie obserwuje się kontynuacji spadkowego trendu, a nad niektórymi obszarami pojawiły się sygnały wzrostu poziomu ozonu.spadkowego trendu, a nad niektórymi obszarami pojawiły się sygnały wzrostu poziomu ozonu w stosunku do minimum z połowy lat 90-tych ubiegłego wieku. W ciągu ostatnich kilku lat zwrócono baczniejszą uwagę na powiązania pomiędzy zagadnieniem spadku zawartości ozonu i zmianami klimatu. Rozpoczęto np. badania nad związkiem zmian klimatu z regeneracją warstwy ozonu. Gazy cieplarniane, takie jak para wodna, dwutlenek węgla, metan i inne, poprzez modyfikacje termiki i dynamiki atmosfery wpływają na tempo regeneracji warstwy ozonowej. Należy podkreślić, iż nie wypełnianie postanowień Protokołu Montrealskiego z 1987 r. (i jego późniejszych poprawek) o ochronie warstwy ozonowej opóźnia, a nawet uniemożliwia regenerację warstwy ozonowej. Szacuje się, że kontynuacja produkcji niszczących ozon substancji na poziomie z 1999 roku odsunęłaby termin regeneracji warstwy ozonu aż poza rok 2100.
Czyli podpisanie w 1987 roku przez wiodące państwa Protokołu Montrealskiego, i związana z nim rezygnacja z produkcji i stosowania substancji niszczących ozon to dobra decyzja?
Zdecydowanie tak. Międzynarodowe działania zmierzające do zredukowania użycia i uwalniania do atmosfery substancji niszczących ozon spowodowały, że zawartość chloru i innych substancji chemicznych osiągnęła maksimum już w latach 1996-1997, co można zaobserwować na poniższym rysunku. Sumaryczna koncentracja tych substancji pozostaje jednak na wystarczająco wysokim poziomie, aby stanowiła nadal zagrożenie dla warstwy ozonowej. Dalsza poprawa sytuacji uzależniona jest od zakresu wypełniania Protokołu Montrealskiego wraz z poprawkami zakazującymi bądź ograniczającymi używanie substancji szkodliwych dla warstwy ozonowej.
Pojawiają się opinie, że wpływ freonów na okresowy spadek stężenia ozonu, to kłamstwo. Pojawiają się też teorie spiskowe, które mówią, że lobby koncernów chemicznych obarczyło winą za ubytek ozonu freony, po to, by wprowadzić swoje zamienniki. Co budzi coraz więcej wątpliwości wśród społeczeństwa.
Destrukcyjny wpływ freonów na warstwę ozonową jest niepodważalny. Skali globalnego zmniejszenia grubości ochronnej warstwy ozonowej w latach 1980-1995 nie można wyjaśnić w inny sposób jak wpływem antropogenicznych substancji niszczących bezpośrednio lub pośrednio ozon w stratosferze. Pomiary zawartości ozonu w atmosferze prowadzone są na stacjach naziemnych od dziesiątków lat i nie obserwowano takich zmian w warstwie ozonowej w okresach poprzedzającym intensywne stosowanie substancji niszczących warstwę ozonową. Modele statystyczne i chemiczno-dynamiczne modele klimatyczne jednoznacznie wskazują na wpływ człowieka na zmiany w warstwie ozonowej.
Na łamach National Geographic pojawił się artykuł (https://news.nationalgeographic.com/news/2010/05/100505-science-environment-ozone-hole-25-years/), z którego wynika, że odbudowująca się powłoka ozonowa przyczynia się do nasilania się efektu cieplarnianego, zwłaszcza w rejonie antarktyczny. Czy mamy się czego obawiać?
W mojej opinii nie mamy jasnych przesłanek do takiego stwierdzenia. Jest to pewna hipoteza naukowa nie łatwa do zweryfikowania. Ozon jest gazem cieplarnianym i wzrost jego koncentracji zwłaszcza w troposferze implikuje wzrost temperatury przy powierzchni gruntu. Nad Antarktydą przewiduje się odbudowę powłoki ozonowej w stratosferze mniej więcej w połowie XXI wieku. W stratosferze ozon intensywnie pochłania promieniowanie UV słońca, więc mniejszy będzie także dopływ promieniowania UV do troposfery. Troposferyczny ozon jest wynikiem spływu ozonu ze stratosfery i reakcji fotochemicznych zachodzących w troposferze z udziałem promieniowania UV. Potencjał tworzenia ozonu troposferycznego będzie mniejszy w sytuacji mniejszego natężenia promieniowania UV w troposferze. Wydaje się, że o kierunku zmian w temperaturze przy powierzchni gruntu w
Podsumowując, wiele czynników wpływa na zmiany temperatury i nie wydaje się, że ozon w stratosferze (zanik dziury ozonowej) ma znaczenie kluczowe.Antarktydzie decydują procesy dynamiczne tj. ewentualne słabnięcie wiru polarnego i zmiany w wymianie masy między stratosferą i troposferą. Od początku lat 80-tych ubiegłego wieku, dziura ozonowa corocznie pojawia się w sierpniu nad Antarktydą i zanika w listopadzie. Gdyby wpływ dziury ozonowej na temperaturę powierzchniową był decydujący, to trend w temperaturze w rejonie Antarktydy powinien być w miarę jednorodny na całym kontynencie i znacznie mniejszy niż w średnich szerokościach geograficznych półkuli południowej. Satelitarne pomiary temperatury przy powierzchni gruntu pokazują całkiem inny obraz (https://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=8239 ). Nad Antarktydą znajdują się obszary, gdzie temperatura ekstremalnie spada lub rośnie od początku lat 80-tych ubiegłego wieku. Podsumowując, wiele czynników wpływa na zmiany temperatury i nie wydaje się, że ozon w stratosferze (zanik dziury ozonowej) ma znaczenie kluczowe.
Dziękuję bardzo za rozmowę
Prof. dr hab. Janusz Krzyścin – Kierownik Zakładu Fizyki Atmosfery w Instytucie Geofizyki Polskiej Akademii Nauk. Od 1998 roku członek Rady Naukowej Instytutu Geofizyki PAN. W latach 2000 – 2008 należał do “International Ozone Commission of the International Association of Meteorology and Atmospheric Physics”. Autor wielu publikacji naukowych, jego prace pojawiały się między innymi na łamach „Papers in Meteorology and Geophysics”, „Atmospheric Chemistry and Physics” czy „Atmospheric Environment”. Do jego największych osiągnięć naukowych zalicza się między innymi: zdefiniowanie i zbadanie własności cząstkowego (związanego ze zmiennością profilu ozonu), chmurowego i aerozolowego współczynnika wzmocnienia promieniowania UV; zbudowanie jednego z pierwszych modeli indeksu promieniowania UV (maksymalnej dziennej wartości natężenia promieniowania) stosującego informację o grubości optycznej aerozolu czy rozszerzenie bazy pomiarowej IGF PAN: organizacja stacji do pomiarów radiacyjnych w Warszawie i wprowadzenie identycznych pomiarów na stacji polarnej Hornsund, Svalbard.
Kiedy ten wywiad został przeprowadzony?
więcej UVB to lepsza synteza witaminy D, czyli mocniejsze kości, mniej chorób serca, nowotworów złośliwych (płuc, krtani, jelita grubego, trzustki, szyjki macicy, piersi, prostaty). Obecnie większość Polaków ma niedobory tej cennej witaminy, większe natężenie UVB skróci czas jej syntezy oraz zwiększy jej poziom we krwi:) Każdy kij ma dwa końce:)