Dziura ozonowa – zjawisko atmosferyczne polegające na zmniejszaniu się stężenia cząsteczek ozonu w ozonosferze i zwiększaniu się przepuszczalności tej warstwy atmosferycznej dla promieniowania ultrafioletowego. Dziura ozonowa to zjawisko stosunkowo nowe, narastające wraz z rozwojem przemysłu, odkryte i nazwane w latach 80. ubiegłego wieku. Bezpośrednią przyczyną powstawania dziury ozonowej są atomy chloru, które katalizują rozpad ozonu. Tworzą się one w wyniku reakcji fotochemicznych zachodzących w różnych substancjach chemicznych zanieczyszczających atmosferę.

Przyczyny powstawania dziury ozonowej

Ozon, czyli trójatomowy tlen, to związek mający zdolność pochłaniania szkodliwego promieniowania nadfioletowego (ultrafioletowego, UV), którego źródłem jest Słońce. Najwięcej ozonu znajduje się w ozonosferze, warstwie stratosfery zalegającej pomiędzy 20 a 50 km nad powierzchnią Ziemi. Najwyraźniejszą koncentrację ozonu w atmosferze obserwuje się pomiędzy 20 a 35 km.

Wskutek utrzymywania się zjawiska dziury ozonowej, dociera do nas więcej szkodliwego promieniowania UV Photo by saeed mhmdi on Unsplash

Ozon powstaje w stratosferze z cząsteczek tlenu. Przekształcają się one w trójatomowy tlen pod wpływem promieniowania UV. Najpierw promieniowanie nadfioletowe rozbija dwuatomowy tlen na pojedyncze cząsteczki. Mogą się one łączyć z nienaruszonymi dwuatomowymi cząsteczkami tlenu, w wyniku czego powstaje ozon. Następnie zachodzi proces odwrotny – promieniowanie zostaje pochłonięte przez cząsteczki ozonu, który na powrót przekształca się w tlen. Obie reakcje zachodzą przy różnym natężeniu promieniowania. Przemiana tlenu w ozon ma miejsce przy falach krótszych niż 200 nm (które nie przenikają do atmosfery poniżej 20 km nad powierzchnię Ziemi), a proces odwrotny zachodzi  w wyniku styczności z promieniowaniem o długości fali powyżej 200 nm.

Stężenie ozonu w stratosferze oraz grubość ozonosfery są zmienne i różne w zależności od wielu czynników. Kształtują je m.in. szerokość geograficzna, wysokość Słońca nad nieboskłonem, pory dnia i pory roku. Wynika to z faktu, że ozon jest pierwiastkiem bardzo chwiejnym i aktywnym chemicznie, toteż proces jego rozpadu jest dość dynamiczny. Co ważne, stężenie ozonu w ozonosferze nie jest szczególnie wysokie – w porównaniu jednak do rozmieszczenia tego pierwiastka w innych warstwach jest znaczne, i to właśnie tam dochodzi do przechwytywania największej ilości niebezpiecznego promieniowania. Przeciętny czas życia cząsteczki ozonu wynosi około kilka miesięcy.

Dziura ozonowa nad Antarktydą (zdjęcia z roku 2006). By NASA [Public domain], via Wikimedia Commons

Warstwa ozonu w atmosferze wskutek naturalnych mechanizmów powinna utrzymywać się w stanie względnej równowagi. Czynnikami powodującymi rozpad ozonu są promieniowanie ultrafioletowe oraz wybuchy wulkanów, emitujące do atmosfery wiele niszczycielskich (również dla ozonu) gazów. Są to jednak czynniki naturalne, z regulacją których atmosfera radzi sobie doskonale. Na nadmierny rozpad cząsteczek ozonu, a co za tym idzie, przerzedzanie się ozonosfery, wpływ mają wyłącznie czynniki antropogeniczne. Strukturę ozonosfery i stratosfery niszczy przede wszystkim przemysł chemiczny, który w krótkim czasie zaczął wprowadzać do atmosfery rozmaite substancje w różnych stężeniach. Pochodzą one chociażby z pestycydów i nawozów używanych do produkcji żywności. Niszczenie ozonu jest również skutkiem katastrof ekologicznych (np. spalania ropy naftowej). Za największe zagrożenie dla ozonosfery uznano jednak freon. Freony to chlorowcowane węglowodory, które odznaczają się wysoką trwałością i długo służyły ludzkości jako czynnik chłodzący, m.in. w lodówkach, chłodniach przemysłowych, urządzeniach samochodowych, urządzeniach klimatyzacyjnych, środkach czyszczących czy w przemyśle elektronicznym. Szacuje się, że uwalniający się z produkcji freonów jeden atom chloru może zniszczyć około 100 tys. cząsteczek ozonu. Choć na świecie zakazano produkowania freonów, ich migracja do atmosfery trwa dziesiątki lat – dlatego zjawisko przerzedzania się ozonosfery ciągle się pogłębia. Ozon jest ponadto niszczony przez produkowane w dalszym ciągu gazy szklarniowe, przede wszystkim przez dwutlenek węgla. Unoszący się w atmosferze dwutlenek węgla powoduje zmniejszenie temperatury w okolicach ozonosfery. Implikuje to powstanie kryształków lodu, które ze względu na spore rozmiary opadają na niższe warstwy atmosfery. Tam zaś wchłaniają azot, który jest głównym elementem atmosfery przeciwdziałającym cząsteczkom chloru.

Szacuje się, że ubytek 1% ozonu w atmosferze powoduje 2% wzrost szkodliwego promieniowania UVB, które jest przyczyną m.in. zmian nowotworowych w komórkach skóry.

Najmniej ozonu znajduje się nad kołem podbiegunowym By Daniel_Nebreda via Pixabay CC0

Dziura ozonowa nad kołem podbiegunowym

Koncentracja ozonu w ozonosferze jest największa w okolicach 23 km i wynosi 10 ppm. Przy samej powierzchni Ziemi jego stężenie spada zaś do 0,05 ppm w warunkach czystego powietrza. W powietrzu zanieczyszczonym wartość ta sięga 0,5 ppm. Najmniej ozonu w ozonosferze znajduje się w obszarach przyrównikowych, a w miarę oddalania się od równika jego koncentracja wzrasta. Ponieważ ozon jest trwalszy w niskich temperaturach, jego kumulacja następuje jesienią i zimą. Z kolei wytwarzanie ozonu zachodzi najintensywniej latem, ale jednocześnie dochodzi wówczas do szybszego rozpadu jego cząsteczek. Wynika więc stąd, że zimniejsza półkula północna ma więcej ozonu niż południowa.

Jednocześnie to w obszarach okołobiegunowych obserwuje się najbardziej postępującą dziurę ozonową. W czasie nocy polarnych za kołem podbiegunowym produkcja ozonu ulega bowiem znaczącej redukcji. Nie zatrzymuje się natomiast niszczenie jego cząsteczek w wyniku naturalnego rozpadu, a przede wszystkim w wyniku przenikania szkodliwych związków chemicznych do atmosfery.

Największym zagrożeniem dla stabilności ozonosfery jest freon wytwarzany przez stare lodówki i systemy chłodzące . Fot. pixabay.com

Bibliografia

1. Hans Vockenhuber,; “Bomba zegarowa: ozon”; Oficyna Wydawnicza SPAR, Warszawa 1995;
2. Gary W. VanLoon, Stephen J. Duffy; “Chemia środowiska”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007;
3. Grażyna Łabno; “Ekologia. Słownik encyklopedyczny ”; Wydawnictwo Europa, Warszawa 2006;
4. Edward A. Parson; “Protecting the Ozone Layer: Science and Strategy ”; Oxford University Press, 2003;
5. Edward R. Miller-Jones; “The Ozone Layer. Earth's Shield”; FastBook Publishing, 2012;