Dziura ozonowa.
Tlen, którym oddychamy na co dzień to połączone wiązaniem chemicznym dwa atomy. W ozonie jest jeden dodatkowy. Jest on wytwarzany przez wyładowania elektryczne w powietrzu lub tlenie w tzw. ozonizatorach.
Ozon jest niebieskawym gazem o ostrej woni, wyraźnie toksycznym. Jedna cząstka tego gazu na milion cząstek powietrza jest już dla ludzi trująca. Blisko powierzchni Ziemi ozon to trucizna, która współuczestniczy w tworzeniu smogu fotochemicznego i kwaśnego deszczu. Na szczęście w niższej warstwie atmosfery – troposferze znajduje się nie więcej niż 10% całego ozonu znajdującego się na Ziemi, pozostałe 90% gromadzi się wysoko w atmosferze. Już 15 – 50 km w górę od powierzchni Ziemi ozon staje się pożyteczny, tworzy warstwę ochronną dla życia. Ozon jest bowiem jedynym gazem w atmosferze, który zatrzymuje nadmiar promieniowania ultrafioletowego. W 1881 roku stwierdzono, że zawartą w tym promieniowaniu energię przetwarza na ciepło, dzięki czemu spełnia też funkcję atmosferycznego termoregulatora.
Dzieje się to dlatego, że ozon nie jest trwałą odmianą tlenu. Szybko następuje jego rozpad, w wyniku którego powstają cząsteczki tlenu (O2). Tlen również ulega rozbiciu na bardzo reaktywne atomy (O), które przyłączają się do cząsteczek tlenu, tworząc na powrót ozon (O3). Wszystkie te procesy pochłaniają energię promieniowania UV i w ten sposób osłabiają je, czyli redukują szkodliwe działanie.
Głównym zagrożeniem dla biosfery, spowodowanym zanikaniem ozonu jest wzrost ilości promieniowania ultrafioletowego. Wprawdzie masa ozonu stanowi zaledwie 5/100 000 masy całej atmosfery, jednak gdyby nie ten delikatny filtr promienie ultrafioletowe mogłyby zniszczyć życie na lądzie i w powierzchniowych warstwach wody. Już strata 1% ozonosfery może spowodować wzrost promieniowania ultrafioletowego na Ziemi, a przez to zniszczenie chlorofilu niezbędnego producentom (istotom samożywnym) do wytwarzania pokarmu, nieodwracalne zmiany klimatyczne, a także – w mniejszych dawkach – wywołują niebezpieczne choroby, tj. raka skóry
i choroby oczu (głównie na zaćmę). Promienie ultrafioletowe powodują również zniszczenie struktur białkowych i kwasów nukleinowych. To drugie powoduje liczne mutacje genetyczne. Może to odbić się niekorzystnie na całym systemie ekologicznym, gdzie wyłączeniem jednego ogniwa w łańcuch troficznym spowoduje zachwianie równowagi biologicznej.
Nadmiar promieniowania UV (zwłaszcza UVB) powoduje osłabienie odporności na zarażenia chorobami wirusowymi (np. wirusem opryszczki – herpes, czego często doświadczają narciarze na wiosnę w górach) i pasożytami. Najgroźniejsze jest to, że uszkodzony system odpornościowy organizmu ułatwia powstawania różnych form nowotworów, zwłaszcza skóry. Najzłośliwsza forma raka skóry to czerniak, który rozwija się często z przebarwień, znamion i różnych „pieprzyków”. Usunięcie 10% ozonu spowoduje zwiększenie zachorowań na raka skóry o 26%, a na dzień dzisiejszy dane zdrowotne wskazują, że liczba przypadków raka skóry zwiększa się na naszym kontynencie o 5-7% rocznie. Zdaniem ekspertów medycznych, ta groźna tendencja jest przynajmniej w połowie wynikiem spadku stężenia ozonu w górnych warstwach atmosfery.
Promieniowanie ultrafioletowe przyspiesza proces starzenia się skóry i wczesne pojawienie się takich zmian, jak zgrubienie, przebarwienie, zmarszczki. Również
w niebezpieczeństwie są oczy. Wiele osób zna już skutki długiego przebywania na słońcu: zaczerwienienie, podrażnienie spojówek, jest ono jedną z głównych przyczyn powstawania zaćmy. Wzrost promieniowania UV na obszarach największego rozrzedzenia warstwy ozonu, nie tylko wpływa niekorzystnie na zdrowie ludzkie, lecz również na produkcję żywności i pogorszenie jej jakości. Ponad dwie trzecie gatunków roślin, u których sprawdzono reakcję na ultrafiolet, okazało się wrażliwych na promieniowanie. Większość z nich to podstawowe gatunki zbóż i innych roślin uprawnych. Promieniowanie ultrafioletowe przenika w głąb wody, nieraz nawet poniżej 20 metrów w przypadku wód przezroczystych. Plankton zwierzęcy i roślinny jest szczególnie wrażliwy na promieniowanie, a wszelkie uszkodzenia i zmniejszenia produkcji planktonu odbijają się natychmiast w dalszych ogniwach układu pokarmowego. Ucierpi więc produkcja ryb i zmniejszą się wyniki połowów.
Organizmy ludzkie bronią się przed nadmiarem ultrafioletu produkując ochronną warstwę pigmentu (efektem obrony jest opalenizna). Także niektóre gatunki drobnych organizmów planktonowych produkują pigment – melaninę, ale te możliwości samoobrony są ograniczone.
Na tym jeszcze nie koniec kłopotów. Niektóre z substancji rozkładających ozon powodują również podnoszenie się temperatury Ziemi – zatrzymują ciepło promieni słonecznych, nie pozwalając im uciec z powrotem w kosmos. Zjawisko to zwane efektem cieplarnianym powoduje szybsze topnienie górskich i okołopolarnych lodowców i prowadzi do zaburzeń klimatu, np., zanikania przejściowych pór roku
i szybkich przejść od mroźnych zim do upalnych lat.
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.
Znaczny spadek koncentracji ozonu (do 90%) w ozonosferze nazywany jest dziurą ozonową. Obserwowany jest od końca lat 80, głównie w okolicach bieguna południowego, nad Antarktydą. Pojawia się tam rokrocznie w okresie wiosennym (od września do listopada). 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.
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.
Przypuszcza się, że główną przyczyną powstawania dziury ozonowej są substancje przedostające się do atmosfery w wyniku gospodarczej działalności człowieka, zwłaszcza freony i halony, a także tlenki azotu (produkt m.in. spalania paliw w silnikach samolotów i rakiet). Substancje te w pewnych warunkach mogą powodować łańcuchowy rozpad cząsteczek ozonu.
Problem pojawił się gdy zaczęto używać związku CCl2F2, zwanego freonem 12 oraz innych fluoropochodnych metanu i etanu (zwanych wspólnie freonami lub CFC) do produkcji aerozoli. Są one tanie w produkcji i nie sprawiają problemów z transportem i przechowywaniem. Związki te wykorzystywane były w konstrukcji systemów chłodniczych:
- w sprężarkach lodówek;
- w chłodnicach i urządzeniach klimatyzacyjnych;
- do produkcji lakierów;
- w przemyśle kosmetycznym;
- w medycynie;
- jako delikatne środki czyszczące w przemyśle komputerowym.
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 (RYS.3.).
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 są oczywiste: procesy rozpadu ozonu biorą górę nad procesami jego wytwarzania i ilość ozonu nad Antarktydą zaczyna maleć. Najmniejszą ilość ozonu stwierdza się na przełomie antarktycznej zimy i wiosny (październik), na krótko przed rozpadem zimowego wiru i dopływem świeżego powietrza od strony równika. W 1991 roku po raz pierwszy w historii w dolnych warstwach stratosfery nad Antarktydą zanotowano kilkudniowy całkowity brak ozonu.
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.
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%.
W Polsce nadal używa się produktów zawierających freon, które wycofano już w innych krajach. Nasz kraj podpisał co prawda Protokół Montrealski, nie jest to jednak ściśle przestrzegane. Przystąpiliśmy do tej konwencji tylko jako użytkownicy, ponieważ nie produkuje się u nas ani freonów ani halonów.
Doniesienia prasowe i telewizyjne uwidaczniają, z jakim zapałem nasi naukowcy badają dziury ozonowe. Prowadzi się coraz dokładniejsze pomiary. Jednak tej wieloletniej diagnostyce powinna towarzyszyć terapia. A oni mierzą dalej,
w bezludnych okolicach pracują stacje miernicze, specjalne samoloty i balony wysokościowe okrążają Ziemię. Według tych badań pełne odtworzenie płaszczyka ochronnego Ziemi – ozonu nastąpi ok. 2050 roku. Czy do tej pory Polacy nie będą działać?
BIBLIOGRAFIA
- Jan strzałko, Teresa Mossor – Pietraszewska „Kompendium wiedzy ekologii” – PWN, Warszawa – Poznań 1999;
- Henryk Wiśniewski, Grzegorz Kowalewski „Ekologia z ochroną
i kształtowaniem środowiska” – AGMEN, Warszawa 1997;
- Brian Beckett, RoseMarie Gallagher „Vademecum ucznia – Biologia” – DELTA, Warszawa 1996;
- Encyklopedia multimedialna PWN’99;
- Multimedialna Encyklopedia Powszechna – Fogra’98;
- Anna Misztal „Atmosfera” – sieć WWW;
- „Dziura nad Antarktydą, zarejestrowana 10 września 2000” – miesięcznik „Wiedza i życie”, grudzień 2000;
- Marcin Jamkowski „Dziura ozonowa” – sieć WWW.