Jak wspomniałem wcześniej, słoneczne promieniowanie ultrafioletowe jest głównym bodźcem do powstawania cząsteczek ozonu, oczywiste jest, że zmiany aktywności słonecznej muszą wpływać na jego ilość w atmosferze ziemskiej. Najsilniejszym czynnikiem powodującym zmiany ilości promieniowania słonecznego są zmiany liczby plam słonecznych na Słońcu. Odkryto je na początku XVII wieku. Ale dopiero w 1843 roku niemiecki astronom amator, aptekarz Heinrich Schwabe, odkrył pewną cykliczność w występowaniu plam słonecznych. Okazało się, że cykl trwa średnio 11 lat, a cykle aktywności słonecznej nie są takie same, są bardziej i mniej intensywne. Okazało się również, że niektóre rodzaje promieniowania słonecznego zależą od stanu aktywności słonecznej. Takim promieniowaniem jest promieniowanie ultrafioletowe.

Na podstawie badań naukowych nad tym problemem z 1973 roku przez D.F. Heatha przyjęto, że gdy Słońce znajduje się w fazie maksymalnej aktywności, jego promieniowanie ultrafioletowe o długości fali 0,000175 mm jest o 244% intensywniejsze niż gdy znajduje się w fazie minimalnej aktywności. (Dla promieniowania ultrafioletowego o długości fali 0,000295 mm różnica ta jest mniejsza i wynosi 152%). W 1981 roku J.E. Frederick uzyskał inny wynik dla fali o długości 0,000273 mm, a mianowicie 102% plus minus 30%. (A. Marks 1992)

Faktem jest, że zmiany w aktywności słonecznej powodują duże i wyraźne zmiany w intensywności promieniowania ultrafioletowego ze Słońca. Jeśli więc zmienia się natężenie promieniowania ultrafioletowego, powoduje to zmiany ilości ozonu w sferze ozonowej. W 1973 roku H.K. Paetzold poinformował, że ilość ozonu w sferze ozonowej zmienia się podczas cyklu aktywności słonecznej o około 3%, a N. Natarajan w 1980 roku doszedł do wniosku, że ilość ozonu zmienia się o około 6,5%. Zakłócenia są również powodowane przez promieniowanie korpuskularne (cząstkowe) Słońca. Chodzi o cząstki atomowe wyrzucane przez Słońce w przestrzeń kosmiczną. Zjawisko to nazywa się "wiatrem słonecznym". Są to przede wszystkim protony – elementarne cząstki materii, stanowiące składnik jąder atomowych. Ten wiatr dociera do Ziemi i nie jest mu obojętny. Podczas minimów aktywności słonecznej wiatr słoneczny jest stosunkowo słaby. Jednak podczas maksimów aktywności słonecznej na Słońcu pojawiają się intensywne rozbłyski chromosferyczne, powodujące wyrzucanie dużej liczby protonów w przestrzeń międzyplanetarną. Zjawisko to musi mieć wpływ na stan ozonosfery.

W 1981 roku odkryto go przy pomocy meteorologicznych sztucznych księżyców Ziemi, stwierdzono, że na wysokości 42 kilometrów nad Ziemią następuje spadek zawartości ozonu o około 15%, na wysokości 50 km nawet o około 30%, a na wysokości 70 km dochodzi do 70%. (…) Zaobserwowano, że spadek ten jest silniejszy w regionach polarnych, co jest spowodowane faktem, że Ziemia posiada pole magnetyczne, którego natężenie jest większe w pobliżu biegunów. Z drugiej strony, naładowane elektrycznie cząstki wiatru słonecznego podlegają oczywiście wpływowi pola magnetycznego naszej planety. Oprócz bezpośredniego wpływu cząstek wiatru słonecznego na ozon atmosferyczny, obserwuje się również, że powodują one jonizację atomów gazu w atmosferze, jony z kolei atakują ozon, a więc mamy do czynienia również z pośrednim wpływem wiatru słonecznego na ozon. (Marks, 1992)

Reasumując jednak, okres minimalnej aktywności słonecznej jest bardziej niekorzystny, kiedy zmniejsza się intensywność promieniowania ultrafioletowego, a co za tym idzie zmniejsza się produkcja ozonu.

Ostatnie maksimum aktywności słonecznej miało miejsce w 1991 roku, więc kolejne maksimum spodziewane jest w 2002 roku. Należy mieć nadzieję, że choć w niewielkim stopniu przyczyni się to do poprawy pogarszającego się stanu sfery ozonowej Ziemi.

Jeśli potrzebujesz pomocy w napisaniu pracy z zakresu ochrony środowiska, to polecamy serwis pisanie prac - prace z ekologii i innych kierunków pisane na (prawie) każdy temat.

Od 1930 roku prowadzone są systematyczne badania zawartości ozonu w atmosferze, które odkryły pewne prawidłowości. Stwierdzono, że w ciągu roku występuje okres jego najniższego i najwyższego stężenia. Ponieważ zmiany te zachodziły regularnie z roku na rok, nie budziło to żadnych podejrzeń, gdyż było to normalne zjawisko. Jednak w sierpniu 1981 roku amerykański naukowiec Donald Heath, pracujący dla amerykańskiej agencji NASA, ogłosił, że podczas opracowywania serii pomiarów wykonanych przez satelitę Nimbus 7 odkrył spadek stężenia ozonu w atmosferze o 1% i wyraził przypuszczenie, że zjawisko to będzie się nadal pogłębiać. Jednak jeden procent to za mało i ten sygnał został zignorowany. Okazało się, że kilka miesięcy później, w marcu 1982 roku, zaczęto przewidywać pięcio-, a nawet dziewięcioprocentowy spadek zawartości ozonu. Był to sygnał alarmowy, że coś jest nie tak ze sferą ozonową.

Prawdziwy alarm nadszedł, gdy angielska stacja naukowa na Antarktydzie znajdująca się w Zatoce Halleya, gdzie określono zawartość ozonu w atmosferze ziemskiej. Do tego celu użyto standardowego spektrofotometru Dobsona. Systematyczne pomiary wykazały dobrze znaną prawidłowość – coroczny spadek ozonu na wiosnę, a następnie jego powrót do normy. Jednak spadek stężenia ozonu w 1982 r. był większy niż wcześniej, w 1983 r. nawet większy, a w 1984 r. jeszcze wzrósł. Na stacji Halley Bay poziom ozonu wynoszący około 300 Dobsonów zaobserwowano zimą i wczesną wiosną od początku pomiarów, wzrastając do 400 jednostek wczesnym latem. Jednak w 1984 roku Farman (brytyjski naukowiec z Uniwersytetu w Cambridge) zmierzył spadek stężenia ozonu na wiosnę do 140 jednostek Dobsona.

Odkrycie było na tyle szokujące, że podejrzewano raczej, iż urządzenia pomiarowe się mylą, zwłaszcza, że pomiary ozonu prowadzone są równolegle przez satelitarną stację meteorologiczną NASA (Space Research Agency), nie wskazywały one na nic takiego. (Kalinowska, 1995)

Gdy zaczęto analizować całą sekwencję pomiarową, okazało się, że spadek ozonu rozpoczął się już w 1977 roku, a jego ilość nie wraca do wartości z lat poprzednich. Zanim jednak Joe Farman ogłosił swoje odkrycie, postanowił je sprawdzić, porównując wyniki swoich pomiarów z wynikami pomiarów wykonanych na najbliższej stacji prowadzącej podobne badania. Taka stacja znajdowała się na wyspie argentyńskiej w odległości 1600 kilometrów.

Po porównaniu sekwencji obserwacyjnych z obu stacji okazało się, że Argentyńska Wyspa również doświadczyła spadku zawartości ozonu, w tym samym okresie i w tym samym stopniu. Nie było już żadnych wątpliwości. W sierpniu Joe Farman ogłosił swoje odkrycie. (…) Zresztą nie tylko J. Farman zauważył owo zubożenie warstwy ozonowej. Artykuł na ten temat opublikował również w 1984 roku japoński naukowiec Shigeru Chubachi, opierając się na wynikach pomiarów przeprowadzonych w japońskiej stacji badawczej Syowa. Wyniki jego pomiarów nie były jednak tak zatrważające, a tym bardziej nie było tak wyraźnej tendencji do systematycznego zmniejszania – z roku na rok – ilości ozonu. Wynikało to jednak z faktu, że stacja japońska znajdowała się w znacznie większej odległości od bieguna niż stacja brytyjska, a więc znajdowała się na „krawędzi” „ozonowej”, która w tym czasie zaczynała się formować, a więc tak drastyczny spadek ilości ozonu nie nastąpił jeszcze nad nią. (Marks 1992)

W celu dokładniejszego zbadania problemu, cały materiał naukowy dotyczący tego zjawiska zaczął być pospiesznie analizowany. W pierwszej kolejności wykorzystano dane satelitarne z satelity Nimbus 7. Okazało się, że przyrządy pomiarowe również wskazywały zubożenie warstwy ozonowej, ale komputery odrzuciły wynik, ponieważ nie został on przewidziany w programie. Dane pomiarowe, które dostarczył, zostały opracowane w NASA przez Donalda Heatha. Opracował więc dane do określenia zawartości ozonu nad Antarktydą. Wyniki były rewelacyjne. Zdjęcia ozonowej były bardzo sugestywne i przemawiały do wyobraźni.

Te zdjęcia pokazywały stopniowe zubożenie warstwy ozonowej nad regionem Antarktydy. Jak widać, roczne zubożenie warstwy ozonowej jest bardzo duże. Antarktyda to kontynent prawie dwa razy większy od Australii, o powierzchni około 14 milionów km2. ozonowa nad Antarktydą nie jest więc jakimś małym lokalnym zaburzeniem, ale jest ogromnym zjawiskiem. Nie jest to też chwilowe zakłócenie, ale zjawisko, które występuje z roku na rok i na coraz większą skalę oraz na coraz dłuższe czasy. Dane pomiarowe zebrane przez Donalda Heatha wykazały, że w latach 1970-1981 średnia zawartość ozonu spadała rocznie o 0,15%, a po 1981 roku nawet o 0,5%. Niestety okazało się również, że choć ozonowa znika latem, to ilość ozonu nie wzrasta do takiej samej wartości jak w poprzednich latach, ale za każdym razem jest mniejsza. Przez kolejne lata „” nad biegunem rozrastała się tak, że w październiku 1987 roku ilość ozonu była tam o 50% mniejsza niż przed jej odkryciem.

Na początku 1992 roku zaobserwowano nieprzewidywalnie wysokie stężenia chloru w stratosferze na półkuli północnej, i to nie tylko nad Arktyką. 12 stycznia 1992 roku w zupełnie niewiarygodnym miejscu, na Morzu Karaibskim, znaleziono pasmo chloru. (…) Zgodnie z przewidywaniami, wiosną 1992 r. warstwa ozonowa nad Europą była już uszczuplona o 10-18%. Poza tym sytuacja znacznie pogorszyła się również nad Antarktydą. Jesienią 1992 roku pojawiła się wcześniej. We wrześniu była już głębsza niż w roku poprzednim, powierzchnia była 65 razy większa niż powierzchnia Polski (ok. 20 mln km2), a zubożenie warstwy ozonowej było bardzo duże. (…) Kolejny rekord został wykryty następnej jesieni: 6 października 1993 r. w atmosferze nad Antarktydą pozostały tylko 94 jednostki ozonu Dobsona. (Urmiński 1995)

W 2001 roku ozonowa nad Antarktydą pokryła powierzchnię 28,3 miliona kilometrów kwadratowych – została ona zmierzona przez satelitę NASA. Poprzedni rekord wynosił 27,2 miliona km.kw i miało to miejsce w 1998 roku. (www.wiadomości.tvp.pl) Jak można zauważyć, sytuacja znacznie się pogorszyła, a ozonowa zwiększyła się o 40% w porównaniu z rokiem 1992. Pojawia się jednak pytanie: dlaczego wiosną nad Antarktydą tworzy się ozonowa? Wszak kończy się wtedy noc polarna i pojawiają się promienie słoneczne, które powodują powstawanie cząsteczek ozonu. Cykl ewolucji ozonowych związany jest z występowaniem tzw. polarnych chmur stratosferycznych.

Zimowe chmury stratosferyczne, od dawna znane jako chmury opalizujące, nie są częstym zjawiskiem – powyżej troposfery zawartość wody zmniejsza się około 1000 razy. Jednak uwagę badaczy, którzy analizowali dane z satelity Nimbus 7, przykuł inny typ chmury. Odkryli, że w stratosferze polarnej zimą można wyróżnić chmury złożone z maleńkich kryształków hydratu kwasu azotowego (hydratu); Związek ten krzepnie łatwiej niż woda. Jak wykazały dalsze badania, rolę nasion krystalizacyjnych odgrywają cząsteczki kwasu siarkowego zarówno pochodzenia naturalnego (erupcje wulkaniczne), jak i antropogenicznego (zanieczyszczenia przemysłowe).

Badania laboratoryjne przeprowadzone przez Mario Molinę dowiodły, że zarówno cząsteczki lodu, jak i hydrat kwasu azotowego ulegają niebezpiecznemu procesowi podczas długiej nocy polarnej. Powierzchnia mikrokryształów okazuje się być dobrym środowiskiem do wzajemnej reakcji cząsteczek chlorowodoru i azotanu chloru (ClONO2). W fazie gazowej szybkość tego procesu jest bardzo niska, ale tutaj chlorowodór pojawia się w postaci stałej:

HCl (kryst.) + ClONO2 (gaz) Cl2 (gaz) + HNO3 (kryst.)

Produktem jest chlor cząsteczkowy, który ulega rozkładowi fotochemicznemu na wolne atomy, gdy tylko pierwsze promienie słońca zaczną przenikać przez chmurę stratosferyczną, utrzymywaną w obszarze polarnym przez silne ruchy wirowe powietrza. Chmura w końcu znika w wiosennym cieple. Uwolnione atomy chloru reagują z ozonem w „tradycyjny” sposób, tworząc tlenek chloru (ClO) i tlen cząsteczkowy. Na tym jednak proces ten się nie kończy. Jak odkrył Molina, cząsteczki ClO ulegają tzw. dimeryzacji w warunkach wiru polarnego:

ClO + ClO Cl2O2

Powstały dimer rozkłada się przy udziale światła na tlen cząsteczkowy i chlor atomowy. Cykl destrukcji może wtedy rozpocząć się od nowa: atomy chloru reagują z ozonem, tworząc ClO, tlenek chloru dimeryzuje, dimer rozpada się na chlor i tlen.

Bogate w ozon powietrze ze strefy umiarkowanej „leczy dziurę nad Antarktydą. Jednocześnie jednak powietrze znad bieguna, o znacznie obniżonej zawartości ozonu, rozprowadzane jest na niższe szerokości geograficzne, nad terenami zaludnionymi, które w ten sposób tracą skuteczną ochronę przed silnym letnim promieniowaniem ultrafioletowym. („Wiedza i Życie”, nr 4/1996)

Nad biegunem północnym Ziemi sytuacja jest inna, ponieważ półkule Ziemi nie są symetryczne. Równik nie znajduje się w tej samej płaszczyźnie co orbita wokół Słońca, a orbita jest eliptyczna. Łączny efekt jest taki, że zmiany sezonowe są bardziej dotkliwe na półkuli południowej. Zima na Antarktydzie jest surowsza niż zima arktyczna. (Niedzielski i Gierczak 1992)

Wydawać by się mogło, że skoro ozonowa znajduje się nad Antarktydą, to jest to dla nas zjawisko zupełnie nieszkodliwe, ponieważ jest bardzo daleko i nikt tam nie mieszka (poza naukowcami). Ale teraz obszar pokryty ozonową jest tak duży, że obejmuje nie tylko Antarktydę, ale także Australię i południową część Ameryki Południowej. Ponadto geofizycy i meteorolodzy z Europy i Ameryki Północnej zaalarmowali opinię publiczną, że każdego roku obserwują spadek ilości ozonu w atmosferze nad północną półkulą Ziemi. Za pośrednictwem GOOS (Global Ozone Observing System, oddziału Organizacji Meteorologicznej z siedzibą w Genewie) dane te pochodziły z obserwatoriów geofizycznych na półkuli północnej. Na większości jego obszaru średnia ilość ozonu w styczniu była w 1992 r. znacznie niższa niż średnia styczniowa w latach poprzednich. Również w Polsce, na podstawie pomiarów przeprowadzonych w Belsku, tendencje te zostały potwierdzone. Swoista panika wybuchła w lutym 1992 roku, kiedy to prasa doniosła, że nad Polską pojawiła się ozonowa (191 Dobsonów, podczas gdy norma na ten miesiąc wynosi około 350 Dobsonów). W rezultacie, konsekwentny trend spadkowy stężenia ozonu w atmosferze i wszelkie zaburzenia w stratosferze nad naszymi głowami są alarmujące.

Jeśli potrzebujesz pomocy w napisaniu pracy z zakresu ochrony środowiska, to polecamy serwis pisanie prac - prace z ekologii i innych kierunków pisane na (prawie) każdy temat.

W powyższym tekście często używałem określenia: promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie ultrafioletowe. W tej części mojej pracy chcę wyjaśnić jej znaczenie i związek z poruszanym przeze mnie problemem. Otóż oko ludzkie widzi tylko promieniowanie elektromagnetyczne (światło) o długości fali nie mniejszej niż około 0.00038mm (ma ono kolor fioletowy dla ludzkiego oka) i nie dłuższego niż 0.00076mm (ma ono barwę czerwoną). Jednak, jak pisze Andrzej Marks, dopiero w XIX wieku dowiedzieliśmy się, że oprócz promieniowania widzialnego istnieje również inne promieniowanie elektromagnetyczne, które nie jest widoczne dla ludzkiego oka. Odkrycia tego dokonał wybitny angielski astronom Friedrich William Herschel (1738-1822). Przeprowadził prosty, ale bardzo ważny eksperyment. Za pomocą pryzmatu rozprowadził promienie słoneczne w kolorowym pasie (widmie). Następnie Herschel umieścił termometr w widmie. Zgodnie z przewidywaniami temperatura wzrosła. Herschel przesunął jednak termometr poniżej czerwonego końca widma i okazało się, że chociaż oko nie widziało już żadnego światła, termometr nadal wykazywał wzrost temperatury, nawet większy niż w widmie widzialnym. Wniosek był więc taki, że jakieś niewidzialne promieniowanie słoneczne docierało właśnie do tego miejsca. Promieniowanie to nazywane jest promieniowaniem podczerwonym (lub podczerwonym). Naukowiec przesunął również termometr powyżej fioletowego końca spektrum. Zgodnie z podejrzeniami, termometr wykazał wzrost temperatury, choć mniejszy niż w poprzednich przypadkach. Tak więc również powyżej fioletowego końca widzialnego spektrum, Słońce również wyemitowało pewną ilość promieniowania. Nazywano je promieniowaniem ultrafioletowym (znanym również jako promieniowanie ultrafioletowe). W ten sposób Herschel odkrył, że oprócz światła widzialnego istnieją również promieniowania niewidoczne dla ludzkiego oka, ale bardzo realne, ponieważ mogą być wykryte przez instrumenty fizyczne. Herschel wykazał również, że te niewidzialne promienie są emitowane przez Słońce i najprawdopodobniej przez inne ciała niebieskie, i że promienie te docierają do powierzchni Ziemi.

Współczesna astronomia opanowała metody rejestrowania i badania promieniowania podczerwonego ciał niebieskich, a także promieniowania ultrafioletowego. Dlatego obecność warstwy ozonowej Ziemi w atmosferze nie jest obojętna astronomom, ponieważ sfera ozonowa uniemożliwia obserwację promieniowania ultrafioletowego z kosmosu na powierzchni Ziemi, o długości fali mniejszej niż 0,000289 mm i choć przepuszcza promieniowanie ultrafioletowe o dłuższej długości fali, to znacznie ją osłabia. Problem ten został rozwiązany przy pomocy sztucznych satelitów Ziemi. Na jednym z nich naukowcy umieścili duży teleskop astronomiczny – zwany teleskopem Hubble'a. O wiele ważniejszy jest jednak fakt, że promieniowanie ultrafioletowe ma bardzo szkodliwy wpływ na organizmy żywe, a w dużych ilościach jest wręcz śmiertelne. W dalszej części mojej pracy pokażę ten szkodliwy wpływ ultrafioletu na organizmy żywe. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że gdyby w stratosferze nie było cienkiej warstwy ozonowej, życie na powierzchni naszej planety byłoby niemożliwe. Poza tym, gdy miliard lat temu w atmosferze ziemskiej nie było tlenu, a co za tym idzie ozonu, na powierzchni Ziemi nie było życia. Życie zaczęło się formować w głębinach oceanów, pod ochronną warstwą wody. Kiedy glony zaczęły produkować tlen, który przeniknął do atmosfery, życie mogło "wyjść" na powierzchnię lądu. Nic więc dziwnego, że zubożenie warstwy ozonowej interesuje nie tylko naukowców. Kwestia ta dotyczy nas wszystkich, co więcej, dotyczy ona całego życia na naszym globie.

Ważne jest, aby wiedzieć, że intensywność promieniowania ultrafioletowego docierającego do powierzchni Ziemi zależy od położenia Słońca na niebie. Gdy Słońce znajduje się w zenicie (wysokość kątowa nad horyzontem wynosi 900), jego promienie docierające do powierzchni Ziemi mają najkrótszą drogę do przebycia, wtedy są pochłaniane najsłabsze. Słońce może zajmować takie stanowisko tylko w strefie międzyzwrotnikowej naszej planety, położonej między 230 szerokością geograficzną północną a 230 szerokości geograficznej południowej. Dla każdego miejsca w tym obszarze Słońce osiąga swoją pozycję zenitalną dwa razy w roku. Jest to obszar, w którym natężenie promieniowania słonecznego osiąga najwyższą wartość. Z drugiej strony, na biegunach naszej planety Słońce jest w ogóle niewidoczne przez pół roku – noc polarną, lub przez pół roku – dzień polarny. Ponadto na biegunach Słońce wschodzi tylko 230 stopni nad horyzontem w środku dnia polarnego. Z tego powodu intensywność promieniowania słonecznego jest bardzo niska. Na umiarkowanych szerokościach geograficznych, a więc i w Polsce, mamy do czynienia z sytuacją pośrednią. Maksymalna wysokość Słońca nad Polską wynosi około 610, a minimalna wysokość to tylko 150.

Jak to wpływa na intensywność słonecznego promieniowania ultrafioletowego padającego na powierzchnię Ziemi? Jeśli zdefiniujemy ją jako 100%, gdy Słońce znajduje się w zenicie, czyli na wysokości 900 m n.p.m., to tam, gdzie wznosi się mniej nad horyzontem, będziemy mieli odpowiednio niższe wartości.

Intensywność promieniowania ultrafioletowego padającego na powierzchnię Ziemi zależy od wysokości Słońca nad horyzontem. W obszarze międzyzwrotnikowym jest bardzo silny przez cały rok, podczas gdy praktycznie w ogóle nie dociera do regionów polarnych. Na obszarach o umiarkowanej szerokości geograficznej mamy do czynienia ze specyficzną sytuacją. Zimą natężenie promieniowania ultrafioletowego jest tak niskie, że można je praktycznie zignorować, natomiast latem wzrasta, ale nadal jest dwa do trzech razy słabsze niż w międzyzwrotnikowych regionach naszej planety.

W swojej książce Andrew Marx pisze, że wysokość nad poziomem morza ma bardzo istotny wpływ na intensywność promieniowania ultrafioletowego. W górach, na dużej wysokości nad poziomem morza, jest wyraźnie silniejszy niż na nizinach nie położonych wysoko nad poziomem morza. Okazuje się, że natężenie promieniowania ultrafioletowego wzrasta o około 3%/100m. Na przykład na Gubałówce w Tatrach natężenie promieniowania ultrafioletowego jest o około 30% wyższe niż na plaży w Sopocie (porównanie dotyczy lata, bo zimą różnica jest znacznie większa). Na wysokości około 2000 metrów, czyli na wysokości Kasprowego Wierchu, różnica ta sięga prawie 60%. Dlatego w bardzo wysokich górach konieczne jest chronienie oczu okularami przeciwsłonecznymi z filtrem UV, w przeciwnym razie możesz cierpieć na poważny paraliż oczu, zwany "ślepotą śnieżną". Dlatego nawet w grudniu i styczniu słońce w Tatrach się opala.

Wydawać by się mogło, że natężenie promieniowania ultrafioletowego na wysokościach nawet najwyższych gór nie ma żadnego znaczenia, ponieważ warstwa ozonowa jest znacznie wyższa i to ona pochłonie całe to promieniowanie. Tak jednak nie jest. Jednak niewielka część promieniowania przenika i jest "wychwytywana" przez masy powietrza troposferycznego. Poniżej sfery ozonowej znajduje się około 10% ozonu atmosferycznego, ale oprócz tego promienie ultrafioletowe są pochłaniane (choć bardzo słabo) przez inne gazy atmosferyczne. Dużą rolę odgrywa tu zanieczyszczenie dolnych warstw atmosfery. Jest tak duży, że pochłania promieniowanie ultrafioletowe. Wszystko to razem składa się na to, że w górach – nawet w stosunkowo niskich Tatrach – natężenie promieniowania ultrafioletowego jest wyraźnie większe niż na nizinach.

Należy wyjaśnić, że gdy Słońce znajduje się w zenicie, promieniowanie ultrafioletowe dociera do Ziemi krótszą długością fali niż wtedy, gdy znajduje się ona na niższej wysokości.

Choć różnice mogą wydawać się liczbowo niewielkie, są one bardzo ważne. Chodzi o to, że wpływ promieniowania krótkofalowego na materię, zwłaszcza materię żywą, jest silniejszy niż promieni o dłuższej długości fali. Ponieważ na intensywność promieniowania ultrafioletowego tak duży wpływ ma wysokość Słońca nad horyzontem, zrozumiałe jest, że w danym miejscu w południe jest ona najwyższa, a o wschodzie lub zachodzie słońca (nawet latem i nawet na równiku) promieniowanie w ogóle nie dociera. Promienie słoneczne muszą bowiem przeniknąć przez tak grubą warstwę powietrza, że pochłania ona nawet krótkofalowe promieniowanie słoneczne, tak że tarcza słoneczna zmieni kolor na czerwony.

Wynika z tego, że gdy Słońce znajduje się na niebie poniżej wysokości 200-150, to w dowolnym miejscu na powierzchni Ziemi na nizinach i o każdej porze roku promieniowanie ultrafioletowe, które dociera do Ziemi, jest tak słabe, że może nie być brane pod uwagę. Nasuwa się więc pytanie, w jaki sposób zubożenie warstwy ozonowej wpływa na wzrost intensywności promieniowania ultrafioletowego na Ziemi?

Szacuje się, że każde 1% zmniejszenie całkowitej ilości ozonu spowoduje 2% wzrost promieniowania UV-B na powierzchni Ziemi i 4% wzrost zachorowalności na raka skóry. (Fréor, 1994) Wszystko zależy jednak od tego, gdzie i kiedy ten spadek nastąpi.

W Polsce pod koniec stycznia normalne natężenie promieniowania ultrafioletowego wynosi zaledwie 0,4 jednostki SU. Dlatego, choć spadek zawartości ozonu aż o 40% spowodował wzrost natężenia promieniowania ultrafioletowego aż o 80%, to w liczbach bezwzględnych był on nieistotny, gdyż wyrażał się wzrostem intensywności z 0,4 jednostki SU do około 0,7, co jest praktycznie bez znaczenia, gdyż opalanie zaczyna się dopiero przy natężeniu promieniowania powyżej 1 SU. (Marks 1992)

Co innego, gdyby zjawisko to wystąpiło latem, w czerwcu, kiedy natężenie promieniowania ultrafioletowego w Polsce dochodzi do 10 jednostek SU. Wówczas 40% spadek zawartości ozonu spowodowałby wzrost intensywności do 18 jednostek SU, czyli tyle samo, co w tym czasie w Kalifornii. Wydawać by się mogło, że taki spadek ozonu nie miałby większego wpływu, ale takie zjawisko nie byłoby całkowicie obojętne naszej naturze, która jest przystosowana do zupełnie innego nasłonecznienia niż California. Jednak w rejonie równikowym, gdzie Słońce może znajdować się w zenicie, zależność wzrostu intensywności promieniowania ultrafioletowego od spadku ilości ozonu jest znacznie większa.

Prawdziwym szczęściem dla mieszkańców obszarów subtropikalnych jest więc to, że dotychczas nie zaobserwowano tam drastycznych zmian w ilości ozonu, a jedynie niewielki spadek. (…) Warto w tym miejscu dodać, że różnica między natężeniem promieniowania ultrafioletowego na Ziemi w rejonie polarnym i równikowym wyraża się współczynnikiem 1000% – jest więc ona 10 razy intensywniejsza na równiku niż na biegunie. (Marks, 1992)

Ważne jest również, aby zdawać sobie sprawę z tego, że z promieniowaniem ultrafioletowym mamy kontakt nie tylko wtedy, gdy jesteśmy wystawieni na działanie promieni słonecznych, ale także w cieniu, ponieważ promieniowanie ultrafioletowe jest silnie rozproszone w atmosferze. Dyspersja ta może wynosić od 45% do 70% całego promieniowania ultrafioletowego latem. Tak więc chowanie się w cieniu nie wystarczy.

Jeśli potrzebujesz pomocy w napisaniu pracy z zakresu ochrony środowiska, to polecamy serwis pisanie prac - prace z ekologii i innych kierunków pisane na (prawie) każdy temat.

Chlor jako przyczyna utraty ozonu w górnych warstwach atmosfery został odkryty już w 1973 roku – kiedy nie było już obaw o sferę ozonową – przez dwóch amerykańskich naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, prof. Sherwooda Rowlanda i dr Mario Molinę (laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie chemii w 1995 roku).

Do niedawna lotne chlorowcowane węglowodory nie budziły większych obaw jako zanieczyszczenie atmosfery, ponieważ występują w niskich stężeniach. Jeśli można je dokładnie określić, to dzięki wynalezieniu w 1961 roku chromatograficznego detektora wychwytu elektronów (ECD), który jest szczególnie czuły na te związki. To właśnie wynalazca detektora ECD, Lovelock, jako pierwszy poinformował o wykryciu śladowych ilości CFC w atmosferze: CCl3F i SF6. (Niedzielski i Gierczak, 1992)

Chlor jest gazem bardzo aktywnym chemicznie i jeśli zostanie uwolniony do atmosfery w pobliżu powierzchni Ziemi, nie będzie w stanie przeniknąć do stratosfery, ponieważ po drodze zwiąże się chemicznie z tlenem lub parą wodną. Jak widać, wolny chlor nie stanowi bezpośredniego zagrożenia. Skąd więc bierze się chlor w stratosferze? Człowiek wytwarza różne związki chemiczne, które go zawierają. Istnieje wiele z tych związków, o różnym charakterze i różnym przeznaczeniu. Molina i Rowland zasygnalizowali niebezpieczeństwo, jakie niesie ze sobą obecność w pełni fluorowcowanych węglowodorów (freonów) w atmosferze, ponieważ ich cząsteczki są lotne i mają bardzo długą stabilność.

Pionierska synteza wodorofluorowęglowodorów została dokonana w 1892 roku przez Belgium-Swarts. Jednak związki te przez długi czas nie miały żadnego zastosowania.

Przełomu dokonał w 1928 roku Amerykanin Midgley, zatrudniony w General Motors, który dwa dni po powierzeniu zadania dokonał rewolucji w chłodnictwie, proponując freon CFC-12 (CCl2F2) jako idealne medium chłodzące, trwałe, niepalne, niekorozyjne, nietoksyczne i o dobrych właściwościach termodynamicznych. Nie jest dużo gorszy od CFC-11 (CCl3F). Trudna technologia wytwarzania tych związków została z czasem opanowana i po 20 latach weszły one do powszechnego użytku. (Niedzielski i Gierczak, 1992).

Wydawało się, że nowa substancja jest idealnym środkiem do wielu celów. Zaczęto go stosować w domowych chłodziarkach, chłodniach przemysłowych, urządzeniach klimatyzacyjnych domowych i samochodowych, a także jako środek czyszczący – odtłuszczacz powierzchniowy. Ale to nie wszystko. Znalazł zastosowanie w przemyśle precyzyjnym, zwłaszcza w przemyśle elektronicznym. Freony doskonale sprawdzały się jako środek do opryskiwania kosmetyków w aerozolu czy farb. Wykorzystywano je również m.in. do otrzymywania materiałów piankowych. Styropian. Używano ich również do sterylizacji narzędzi chirurgicznych. Ale to tylko najważniejsze aplikacje spotykane w życiu codziennym.

Jak piszą Niedzielski i Gierczak, wzrost produkcji freonów w latach 1950-1970 był jednym ze zjawisk nowoczesnej cywilizacji przemysłowej. W 1988 r. ich światowa konsumpcja przekroczyła 109 kg. W Stanach Zjednoczonych 5 000 firm w ponad 375 000 zakładów było zaangażowanych w działania związane z CFC.

Cała grupa związków chemicznych została nazwana freonami, ale najpowszechniej stosowane są dwa z nich, nazywane przez Amerykanów freonem 11 (lub CFC 11) i freonem 12 (CFC 12). W tym miejscu należy wyjaśnić dotychczas używane skróty CFC. Skrót ten oznacza: C-węgiel (węgiel), F-fluor, C-chlor. Na przykład związek chemiczny CFC-11 o wzorze chemicznym CFCl3 jest związkiem chemicznym składającym się z jednego atomu węgla z atomem fluoru i trzech atomów chloru. Oprócz tych dwóch najczęściej stosowanych freonów produkowane są inne freony, np. F-113 (CCl2FCClF2), F-114 (CClF2CClF2), F-115 (CClF2CF3) oraz halony zawierające chlor 1211 (CF2ClBr) i 1301 (CF3Br). Poszukiwania nowych CFC jednak wciąż trwają.

Węglowodory to grupa zanieczyszczeń, których wyjątkowość polega na tym, że znaczna część produkowanej masy wydostaje się do atmosfery, co jest nieuniknionym skutkiem sposobu ich wykorzystania. Ponieważ są w troposferze bierne lub całkowicie pasywne, pozostają w niej (miesiące, a często dziesiątki i setki lat), stając się nieodłączną częścią środowiska, w którym żyjemy.

Warto wiedzieć, że produkcja i stosowanie CFC jest, a raczej było, ogromną częścią gospodarki krajów wysoko rozwiniętych, ponieważ prawie wszystkie kraje zrezygnowały z produkcji CFC i innych związków szkodliwych dla ozonu. W tej sprawie podpisano traktaty międzynarodowe: Protokół montrealski w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową. Podpisały ją 122 kraje, w tym USA, Kanada, Australia, prawie cała Europa z byłym ZSRR, Ameryka Południowa i większość krajów afrykańskich. Wyspy Salomona i Barbados również zobowiązały się do stopniowego pozbywania się chemikaliów zubożających warstwę ozonową. Polska przystąpiła do układu na początku 1990 roku.

Od 1990 roku obserwuje się spadek tempa wzrostu freonów w atmosferze – z 5% rocznie do mniej niż 3% (wcale nie dzięki Polsce). Ponadto w dniu 11 października 1990 r. Polska stała się członkiem Konwencji wiedeńskiej o ochronie warstwy ozonowej, zgodnie z którą zakazana jest produkcja CFC oraz import zagranicznych urządzeń chłodniczych zawierających CFC. Mimo to w naszym kraju nadal stosuje się produkty zawierające CFC, które zostały już wycofane w innych krajach, chociaż nasz kraj podpisał Protokół Montrealski, ale nie jest to ściśle przestrzegane. Przystąpiliśmy do tej konwencji tylko jako użytkownicy, ponieważ nie produkujemy freonów ani halonów.

Szczegóły tego dokumentu ujawniły, jakie przeszkody trzeba było pokonać, aby osiągnąć porozumienie. Delegacje krajów uprzemysłowionych zaczęły negocjować odpowiednie programy mające na celu zmniejszenie ilości produktów CFC w powietrzu na tyle, aby zapobiec katastrofie, ale aby wyjść z tych negocjacji z najwyższą możliwą produkcją CFC, ponieważ produkcja i wykorzystanie produktów CFC jest wysoce dochodowym przedsięwzięciem. Z drugiej strony, delegacje krajów rozwijających się przystąpiły do negocjacji z chęcią uniknięcia tragedii, ale także z silnym przekonaniem, że niesprawiedliwe byłoby pozbawianie Trzeciego Świata szansy na czerpanie zysków z produkcji freonów. Ponadto każdy z uczestników negocjacji miał pewne powiązania i prowadził określoną politykę we własnych krajach lub większych społecznościach, takich jak Europejska Wspólnota Gospodarcza, która forsowała swoje stanowisko w sprawie kontroli produkcji wyrobów zawierających freon. W związku z tym ostateczne porozumienie jest złożonym kompromisem. Wprowadza ona rozróżnienie między krajami rozwiniętymi i rozwijającymi się. Pod uwagę wzięto również różnice w poziomach ekonomicznych państw w ramach dwóch głównych grup. (Fréor, 1992)

Aby zdać sobie sprawę z wielkości działu CFC gospodarki, należy wiedzieć, że w samych Stanach Zjednoczonych zatrudnionych było w nim około 300 000 osób, a obroty wyniosły około 10 miliardów dolarów. Od wielu lat branża „freonowa” rozwija się bardzo dynamicznie. Charakteryzował się rocznym wzrostem produkcji o 7%, co skutkowało podwojeniem produkcji w ciągu 10 lat. Pomimo podpisania Protokołu Montrealskiego, tempo ograniczania produkcji freonów i halogenów jest wolniejsze niż zakłada większość ekspertów badających sferę ozonową. Traktat wszedł w życie 1 stycznia 1989 r., podpisany przez większość uprzemysłowionego świata, ale bez udziału dwóch dużych krajów rozwijających się: Indii i Chin.

Należy wspomnieć, że przed podpisaniem Protokołu Montrealskiego przemysł freonowy zaciekle bronił się przed wszelkimi ograniczeniami. Posługiwał się argumentem, że doniesienia o szkodliwości freonów dla sfery ozonowej są jedynie przypuszczeniem, a więc nie jest możliwe likwidowanie całej gałęzi gospodarki tylko na podstawie domysłów. I przez prawie 20 lat od alarmu naukowców Moliny i Rowlanda, pomimo zubożenia warstwy ozonowej i podejrzeń o przyczynę tego freonu, nic nie zostało zrobione, a nawet rozwinięto produkcję freonów. Naukowcy zintensyfikowali jednak swoje badania i powoli, ze skomplikowanych pomiarów, obliczeń i analiz, zaczęła wyłaniać się niebezpieczna prawda. Zostało to bezpośrednio wykazane przez badania zawartości związków chloru i samego chloru w stratosferze. Zorganizowano specjalną ekspedycję lotniczą do stratosfery nad Antarktydę, która miała bezpośrednio określić zawartość ozonu i związków chloru. Wyprawa trwała od sierpnia 1987 r. do marca 1988 r. i składała się z samolotów ER 2 i DC 8. W ekspedycji wzięło udział 160 naukowców. Każdy lot trwał ponad 7 godzin, a trasa liczyła ponad 5000 kilometrów. Wyposażenie naukowe samolotu składało się z 14 przyrządów. Marks pisze w swojej książce, że w okresie od 17 sierpnia 1987 r. do października 1987 r. wykonano 12 lotów.

Rezultat był tak przyciągający wzrok, że aż przerażający. Z wykresu jasno widać, że wraz ze wzrostem zawartości związków chloru w atmosferze zmniejszała się zawartość ozonu. Nie był to przypadkowy wynik, ale za każdym razem był znajdowany. Od tego momentu nie było już wątpliwości, że związki chloru powodują zubożenie warstwy ozonowej w sferze ozonowej. Tak więc winowajca został znaleziony. Jak to się dzieje, że CFC niszczą ozon? Jak wspomniałem wcześniej, cząsteczki freonu są bardzo trwałe i przez wiele lat nie rozpadają się w niższych warstwach atmosfery, ale powoli unoszą się w górę i po kilkunastu latach docierają do środkowej stratosfery.

Pasywność chemiczna, tak cenna w zastosowaniach przemysłowych, decyduje o złowrogiej roli CFC w stratosferze. Zwykłe procesy fizykochemiczne, fotoliza przez światło słoneczne, wypłukiwanie przez deszcz, utlenianie, które normalnie usuwają śladowe zanieczyszczenia z atmosfery, zawodzą w przypadku freonów, które są przezroczyste, nierozpuszczalne i całkowicie pasywne. (Niedzielski i Gierczak, 1992) Ale kiedy CFC docierają do środkowej stratosfery, są wystawione na działanie pochłoniętego przez siebie promieniowania. CFC-12 zaczyna absorbować światło o długości fali < 220nm, a CFC-11 < 240nm, a więc odporne chemicznie CFC rozpadają się pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, w wyniku czego uwalnia się wolny atom chloru. Jak już pisałem, chlor jest pierwiastkiem bardzo aktywnym chemicznie, więc gdy napotka bardzo aktywną chemicznie cząsteczkę ozonu, reaguje z nią, w wyniku czego powstaje cząsteczka tlenku chloru (ClO) i cząsteczka tlenu (O2). Gdyby ten proces zakończył się w tym miejscu, nie byłoby problemu, który tutaj opisuję. Niestety, gdy cząsteczka tlenku chloru napotka wolny atom tlenu, którego nie brakuje w stratosferze, zachodzi kolejna reakcja chemiczna, w której chlor jest uwalniany z cząsteczki tlenku chloru, a dwa wolne atomy tlenu łączą się, tworząc cząsteczkę dwuatomową.

I znowu, mamy wolny atom chloru, który może zniszczyć cząsteczkę ozonu, a następnie zostanie ona ponownie uwolniona. Działa jak katalizator reakcji. Szacuje się, że tylko jeden atom chloru może zniszczyć około 100 000 cząsteczek ozonu. Ponieważ znaleziono główną przyczynę zubożenia warstwy ozonowej i po zatrzymaniu jej produkcji, wydaje się, że problem został rozwiązany. Niestety, nie tylko sytuacja nie poprawi się od razu, ale będzie się pogarszać przez dziesięciolecia. Powodem tego jest to, że niektóre CFC mają okres przydatności do spożycia przekraczający sto lat, a ich migracja do stratosfery trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu lat, nietrudno więc zauważyć, że przez dziesięciolecia po całkowitym zaprzestaniu produkcji CFC, cząstki uwolnione w poprzednich latach trafią do stratosfery. Prognozy nie są zbyt optymistyczne, szacuje się, że ilość ozonu w stratosferze zmniejszy się co najmniej do 2020 roku, osiągając minimum na poziomie około 18%. Ta prognoza jest jeszcze przed nami, ale obecnie zakłada się, że minimum zostanie osiągnięte później i znacznie głębiej. Powrót do normalności ma nastąpić dopiero pod koniec przyszłego stulecia. Najnowsze prognozy szacują, że ilość freonów w stratosferze może wzrosnąć o 1000% w porównaniu z rokiem 1955. Spowoduje to duży wzrost ilości aktywnego chloru.

Zespół chemików atmosferycznych kierowany przez Stevena A. Montzka z National Oceanic and Atmospheric Administration donosi, że w 1997 roku całkowita ilość CFC i halonów w niższych warstwach atmosfery zmniejszyła się o 3 procent w porównaniu z maksymalnym stężeniem zarejestrowanym w latach 1993/1994. Podkreślają jednak, że spadek ten można niemal w całości przypisać trichloroetanowi (CH3CCl3), którego emisje do atmosfery zostały zredukowane praktycznie do zera. Oprócz tego związku zmniejsza się również stężenie czterochlorku węgla (CCl4) i freonu-11 (CCl3F), choć w znacznie wolniejszym tempie. („Wiedza i Życie” nr 8/1999)

Teoria zubożenia warstwy ozonowej przez freony jest powszechnie znana, ale według najnowszych doniesień odkryto nowy czynnik powodujący jej zubożenie.

Okazało się, że warstwa ozonowa jest niszczona w takim samym, a może nawet większym stopniu, przez gazy cieplarniane, zwłaszcza dwutlenek węgla. Wyższy poziom dwutlenku węgla w atmosferze doprowadzi do dalszego zubożenia warstwy ozonowej w górnych warstwach atmosfery na półkuli północnej. Chmury kryształków lodu na wysokości od 15 do 25 km odgrywają kluczową rolę” – powiedział szef agencji atmosferycznej, profesor Thomas Peter, kierownik projektu badawczego na Uniwersytecie Technicznym w Zurychu. Dwutlenek węgla unosi się nad Ziemią, obniżając temperaturę na wysokości stratosfery w pobliżu warstwy ozonowej. Kryształki lodu w stratosferze przybierają większe rozmiary i opadają do niższych stref. Stamtąd pobierają azot, który jest głównym składnikiem atmosfery i w naturalny sposób przeciwdziała szkodliwym cząsteczkom chloru, w wyniku czego CFC (związki chlorofluorowęglowe) niszczą coraz więcej ozonu. Jak pokazują analizy, sytuacja w tym zakresie staje się coraz trudniejsza w porównaniu z końcem lat 70., kiedy to naukowcy po raz pierwszy zarejestrowali dziurę ozonową nad Antarktydą. Naukowcy z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka opierają się na danych zebranych zimą 1994/1995 roku przez sondy umieszczone na balonach wysłanych w ramach eksperymentu MIPAS w Niemieckim Centrum Badawczym w Karlsruhe. („Rzeczpospolita” 28.04.1999 nr 99)

Proponując powyższy tekst, mimo ponurych prognoz, należy przeciwdziałać i mieć nadzieję, że sytuacja z roku na rok będzie się poprawiać.

Jeśli potrzebujesz pomocy w napisaniu pracy z zakresu ochrony środowiska, to polecamy serwis pisanie prac - prace z ekologii i innych kierunków pisane na (prawie) każdy temat.

W przyrodzie istnieje wiele czynników, które powodują rozpad cząsteczek ozonu. Główną rolę odgrywają: promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca oraz erupcje wulkaniczne (wyjątkowo duże straty w warstwie ozonowej w latach 1992-1993 przypisuje się wcześniejszej erupcji wulkanu Pinatubo na Filipinach), które wyrzucają do atmosfery ziemskiej ogromne ilości gazów, które niszczą ozon chemicznie, powodując rozpad jego cząsteczek. Są to jednak naturalne czynniki, na które nie mamy wpływu. Natura wytworzyła pewien stan równowagi, który funkcjonuje od milionów lat, a raczej funkcjonuje, ponieważ czynniki antropogeniczne ten stan rzeczy zmieniły. Jeszcze do niedawna ludzie żyli nie wiedząc, że mają "jakiś" ozon nad głową. Niestety, w ciągu ostatniego stulecia zaobserwowaliśmy, że w przyrodzie zaczęło się wiele procesów jednokierunkowych, takich, które nie wracają do stanu przeciętnego. Od dwudziestu kilku lat obserwujemy, że dzieje się tak właśnie z ozonem.

Zagrożenie rozkładem ozonu przez antropogeniczne zanieczyszczenia atmosfery po raz pierwszy dostrzegł Amerykanin Johnston w 1971 roku, który takie niebezpieczeństwo dostrzegł w planach rozwoju komunikacji z wykorzystaniem samolotów naddźwiękowych, które podobnie jak bardzo słynny w tamtych latach Concorde latają w stratosferze (Concorde na wysokości 17 km). Gdyby taki transport stał się bardzo popularny, jak przewidywano, zanieczyszczenie stratosfery tlenkami azotu ze spalin mogłoby osiągnąć niebezpieczny poziom. Taka groźba się nie spełniła. (Niedzielski i Gierczak, 1992)

Mówiąc o samolotach, należy wspomnieć o pociskach rakietowych. Rakieta kosmiczna lecąca z Ziemi przelatuje przez praktycznie całą atmosferę i zatruwa ją bezpośrednio swoimi spalinami. Ciekły wodór i ciekły tlen są często używane do napędzania rakiet, które wytwarzają parę wodną powodującą rozkład ozonu. Jeszcze gorzej jest, jeśli stosuje się "specjalne" związki chemiczne, takie jak hydrazyna i kwas azotowy, ponieważ ich spaliny najbardziej rozkładają ozon. Zasygnalizowano również, że urządzenia wykorzystują nadchloran amonu jako detonator, a ich intensywne użytkowanie może doprowadzić do zatrważonej ilości chloru do stratosfery. Na szczęście obawy związane z rakietami kosmicznymi również się nie spełniły i choć niszczą one ozon, to badania wykazały, że ma on stosunkowo niewielkie znaczenie. Gdyby jednak liczba startów kosmicznych rakiet nośnych, zwłaszcza promów kosmicznych, wzrosła, byłby to główny czynnik niszczenia ozonu.

Bardzo ważnym czynnikiem w niszczeniu ozonu były (i są, choć w znacznie mniejszym stopniu, ze względu na mniejszą liczbę) eksperymentalne wybuchy jądrowe. Podczas tych eksplozji wysadzane były w powietrze całe wyspy oceaniczne, do atmosfery wyrzucane były ogromne ilości radioaktywnych gazów i pyłów. Eksplozje atomowe są potężnym źródłem tlenków azotu, które są bardzo trwałe, zwłaszcza podtlenek azotu (N2O może istnieć przez około 150 lat). Gaz ten unosi się powoli do stratosfery ponad sferą ozonową i tutaj pod wpływem promieniowania ultrafioletowego ze Słońca ulega fotodysocjacji na dwuatomowe cząsteczki azotu (N2) i wolny atom tlenu (O). Mogłoby się wydawać, że proces ten jest korzystny dla sfery ozonowej, ponieważ dostarcza atomów tlenu (O), które mogą przyłączać się do dwuatomowych cząsteczek tlenu (O2) i tworzyć ozon (O3), ale promieniowanie ultrafioletowe rozbija dwuatomowe cząstki azotu (N2) na pojedyncze atomy azotu (N), które przyłączają się do cząsteczek ozonu, rozkładając go. W wyniku tego procesu powstaje cząsteczka tlenku azotu (NO) i cząsteczka tlenu (O2), a więc ozon znika. Ponadto w stratosferze cząsteczki (N2O) mogą przyłączać się do obecnych tam kryształków lodu, tworząc kwas azotowy, który również niszczy ozon. Należy wspomnieć, że podtlenek azotu jest również wytwarzany w procesach życiowych w glebach i oceanach Ziemi oraz w wyniku spalania w wysokiej temperaturze. Na szczęście wybuchy jądrowe w atmosferze zostały zakazane przez traktat międzynarodowy czterdzieści lat temu, chociaż Francja, Chiny i kilka innych krajów nie zastosowało się do niego.

Pojawił się nowy wróg ozonu. W atmosferze uwalniany jest nie tylko w wyniku utleniania chlorofluorowęglowodorów, ale także, jak się okazuje, z mikroskopijnych cząsteczek soli wyrzucanych w powietrze przez fale w strefach przybrzeżnych. Te miniaturowe kryształy są otoczone cienką warstwą wody, co pozwala im wchodzić w reakcje chemiczne z gazami atmosferycznymi. Nad strefami przybrzeżnymi oceanów zjawisko to prowadzi do znacznych strat ozonu w wyniku utleniania chloru uwalnianego z soli. Reakcja ta, podobnie jak większość procesów chemicznych zachodzących w atmosferze, nie zachodzi w nocy, ponieważ promieniowanie słoneczne jest niezbędnym elementem. (Sieć internetowa. Geograficzne strona internetowa Tomasza Krawczyka)

Powyższe przyczyny zubożenia warstwy ozonowej, zarówno naturalne, jak i sztuczne, nie stanowią głównego zagrożenia dla ozonu. Można oszacować, że zubożenie warstwy ozonowej spowodowane wyżej wymienionymi czynnikami nie jest prawdopodobnie większe niż kilkanaście procent i nie ma tendencji do znaczącego wzrostu zubożenia warstwy ozonowej w czasie. Nasuwa się pytanie: jaka jest główna przyczyna zubożenia warstwy ozonowej w stratosferze?

Rozwijamy branżę chemiczną na coraz większą skalę. Wymyślamy i produkujemy na coraz większą skalę nowe związki chemiczne, bez których rzekomo nie możemy się obejść, a które są czymś obcym i szkodliwym w otaczającej nas przyrodzie. Natura zdołała przystosować się do naturalnie istniejących substancji przez miliony lat ewolucji. Przyroda nie jest jednak w stanie przystosować się do substancji produkowanych przez człowieka i uwalnianych do atmosfery w ogromnych ilościach. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że produkując chemikalia, zatruwamy atmosferę, środowisko i siebie w tym samym czasie. Niektóre produkty chemiczne stały się naprawdę niezbędne wraz z eksplozją demograficzną. Mam na myśli nawozy i pestycydy potrzebne do produkcji coraz większej ilości żywności, bez których nie byłoby to możliwe. Jest nas już ponad 6 miliardów, a szacuje się, że w 2040 roku będzie nas ponad 10 miliardów. Ponadto należy wspomnieć o katastrofach ekologicznych spowodowanych przez człowieka. Jedną z takich katastrof jakie wpłynęły na zanik ozonu było wycofanie wojsk irackich z Kuwejtu na początku 1991 roku. Podpalono około 700 szybów naftowych i początkowo spalano kilkaset tysięcy ton ropy naftowej dziennie. Pożar ten trwał wiele miesięcy. Spowodowało to liczne niebezpieczne skutki dla środowiska, z których największy dotyczy atmosfery, która nie jest ograniczona granicami.

Już w 1985 roku dwaj indyjscy fizycy, E. Beig i D.K. Chakrabaty, przeprowadzili badania na obszarze pożaru na polu naftowym w pobliżu Ahmedabadu, które objęło obszar około 4000m2. Płomień miał 50 m wysokości i temperaturę 13000 C. Pożar trwał 16 dni. Naukowcy przeprowadzili pomiary za pomocą spektrometru Dobsona zainstalowanego w Akhmedabadzie. Wyniki były przerażające. Okazało się, że zaledwie dzień po wybuchu pożaru zawartość ozonu nad tym obszarem spadła o około 10%, a stan ten trwał prawie miesiąc. Można sobie wyobrazić, jak wielkie szkody w sferze ozonowej wyrządził pożar szybu naftowego w Kuwejcie, który był znacznie większy i trwał znacznie dłużej. Być może więc zubożenie warstwy ozonowej w ciągu ostatnich dziesięciu lat na naszej półkuli jest w jakiś sposób z tym związane.

Można tu dodać, że z badań satelitarnych wynika, iż duże pożary lasów działają destrukcyjnie na sferę ozonową, powodując jej zanikanie. (Marks, 1992)

Jak wiemy, pod koniec 2001 roku ogromne pożary lasów niszczyły australijską glebę. Jednak wśród "winowajców" zubożenia warstwy ozonowej nie wymieniłem jego najważniejszego "wroga", który od dziesięcioleci działa podstępnie. Jest to FREON. I choć już go znamy i niemal całkowicie zatrzymaliśmy jego emisję do atmosfery, to będzie on funkcjonował jeszcze przez kolejne dekady, ale o tym w kolejnym rozdziale.

Jeśli potrzebujesz pomocy w napisaniu pracy z zakresu ochrony środowiska, to polecamy serwis pisanie prac - prace z ekologii i innych kierunków pisane na (prawie) każdy temat.

Trójatomowy tlen, czyli ozon, nie jest równomiernie rozprowadzany w atmosferze. W sferze ozonowej, na wysokości 20-35 km nad powierzchnią Ziemi, stężenie osiąga około 10 ppm. W czystym powietrzu przy powierzchni Ziemi stężenie nie przekracza 0,05 ppm, w zanieczyszczonym powietrzu 0,5 ppm. (Kożuchowski, 1995)

Chociaż stężenie ozonu na wysokości 20-35 km staje się bardzo wyraźne, nie jest to prawdziwa "powłoka", a ozonu jest w niej wyjątkowo mało. Podane wartości są wartościami średnimi i średnimi, należy zdawać sobie sprawę, że w różnych regionach geograficznych Ziemi wysokość występowania i grubość warstwy ozonowej jest różna. Dla przykładu na biegunie znajduje się na wysokości 20 km, w Polsce na wysokości około 25 km, a na równiku na wysokości około 30 km. Na dodatek, wysokość sfery ozonowej zmienia się w różnych momentach w czasie. Nieco inaczej jest w dzień i w nocy, inaczej latem i zimą.

Stężenie ozonuAtmosfera ziemska jest bardzo ruchoma, zmienna i podatna na różne wpływy. Warstwa ozonowa ma grubość około 20 km. Nazwa tropopauza pochodzi od granicy między troposferą, najniższą warstwą atmosfery, a stratosferą nad nią. Z drugiej strony stratopauza oddziela stratosferę od mezosfery. Wiadomo, że warstwa ozonowa znajduje się w całości w stratosferze. Co więcej, ozon jest przyczyną powstania stratosfery. W dalszej części tego podrozdziału postaram się odpowiedzieć na pytania: skąd właściwie bierze się ozon w atmosferze i dlaczego koncentruje się na wysokości około 25 km?

Wiadomo, że tlen jest pierwiastkiem bardzo aktywnym chemicznie, dlatego ozon musi być tym bardziej aktywny. Jego zawartość w danym miejscu i czasie jest wynikiem chwiejnej równowagi pomiędzy procesami powstawania trójatomowych cząstek tlenu a ciągłym procesem ich rozpadu. Już w 1930 roku S. Chapman wpadł na trop prowadzący do wyjaśnienia tego zjawiska. Słusznie doszedł do wniosku, że skoro ozon bardzo silnie pochłania ultrafioletowe promieniowanie słoneczne, musi odgrywać rolę w jego powstawaniu. Okazuje się, że promieniowanie ultrafioletowe ma tak dużą energię, że powoduje rozpad dwuatomowej cząsteczki tlenu na pojedyncze atomy. Proces ten nazywa się fotodysocjacją. Dziś wiadomo, że proces ten zachodzi tylko pod wpływem promieniowania ultrafioletowego o długości fali nie większej niż 0,000242 mm. Jednak promieniowanie o tej długości nie przenika do atmosfery poniżej 20 km wysokości. Dlatego fotodysocjacja nie może zachodzić na niższych wysokościach. Następnie pojedyncze atomy tlenu mogą łączyć się z dwuatomowymi cząstkami tlenu, w wyniku czego powstaje trójatomowa cząstka ozonu. Proces ten, zapisany symbolami chemicznymi, ma następującą postać:

O + < promieniowanie 0,000242 mm = O + O

O + O2 + M = O3 + M

Warunkiem powstania tlenu trójatomowego jest również odpowiednio gęsta atmosfera, umożliwiająca wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia tzw. potrójnych zderzeń cząstek tlenu O2 z atomami tlenu O i obojętną cząsteczką M (np. N2). (Kożuchowski, 1995)

Intensywne tworzenie się cząstek ozonu zachodzi w górnych rejonach stratosfery. Cięższe od jedno- lub dwuatomowego tlenu toną, w wyniku czego w niższych rejonach stratosfery jest ich więcej niż w wyższych regionach. Cząsteczki ozonu nie są jednak stabilne, a średni czas życia cząstki O3 w atmosferze wynosi kilka miesięcy (Dziewulska-Łosiowa, 1991). Wręcz przeciwnie, są mniej stabilne niż cząsteczki tlenu. Rozpadają się również pod wpływem promieniowania ultrafioletowego ze Słońca i są jeszcze bardziej wrażliwe na promieniowanie o dłuższej długości fali – przenikające do niższych warstw atmosfery – niż promieniowanie o krótszej długości fali. (Marks 1992)

Każdego dnia ozon powstaje w wyniku reakcji kontrolowanych przez intensywne światło słoneczne. Pewna część całego ozonu w stratosferze jest niszczona w wyniku reakcji z substancjami chemicznymi, które naturalnie występują w stratosferze. Ilość wytwarzanego ozonu jest mniej więcej stała, podczas gdy ilość niszczona zwiększa się wraz ze wzrostem całkowitej ilości ozonu. Ilość ozonu wzrasta do momentu, gdy część wytworzonego ozonu zrówna się z częścią ozonu zniszczoną i wtedy zostanie osiągnięty stan przybliżonej równowagi (Frior, 1994), w wyniku czego w atmosferze ziemskiej pojawi się stabilna warstwa ozonu.

Ilość ozonu zawartego w atmosferze podawana jest w "jednostkach Dobsona".

1 Dobson (du) = 1 milicentoatmosfera, jednostka odpowiadająca ciśnieniu wywieranemu przez masę ozonu, zajmującą 1 cm3, w warunkach normalnych, tj. przy ciśnieniu 1 atmosfery i temperaturze 0o C. Nazwa urządzenia pochodzi od nazwiska G.M.B. Dobsona, wynalazcy spektrofotometru służącego do pomiaru ozonu. (Kożuchowski, 1995)

Na przykład liczba 320 JD oznacza grubość warstwy ozonowej wynoszącą 3,2 milimetra

( 320 x 0,01 = 3,2 mm )

Jak widać, najmniej ozonu znajduje się w atmosferze ziemskiej w rejonach równikowych, a w miarę oddalania się od równika do biegunów jego ilość wzrasta. Może się to wydawać dziwne, ponieważ nasłonecznienie atmosfery ziemskiej jest znacznie silniejsze w rejonach równikowych niż w rejonach polarnych, co powinno skutkować zwiększoną produkcją w rejonach równikowych, a więc to właśnie powyżej równika powinna znajdować się najgrubsza warstwa ozonu. I tak jest – ozon powstaje przede wszystkim w równikowych rejonach atmosfery ziemskiej, ale nie zachodzi w tych rejonach, lecz w wyniku prądów powietrznych występujących w stratosferze przemieszcza się w kierunku biegunów. Należy tu dodać, że w rejonach okołobiegunowych promieniowanie słoneczne jest znacznie słabsze niż w rejonach równikowych, a więc jego destrukcyjny wpływ na cząsteczki ozonu jest słabszy, dzięki czemu może się on kumulować w atmosferze w większych ilościach. Również w regionach polarnych temperatura atmosfery w sferze ozonowej jest niższa niż w regionach subtropikalnych, a przy niższych temperaturach ozon jest trwalszy i trudniej go zniknąć.

Wydawać by się mogło, że skoro nasłonecznienie odgrywa kluczową rolę w powstawaniu ozonu, to najliczniej występuje on w sferze ozonowej latem i jesienią, kiedy nasłonecznienie jest największe, a zimą najmniejsze. Niestety tak nie jest. Dzieje się tak dlatego, że choć zimą produkcja ozonu w atmosferze jest mniej intensywna, to przy niższych temperaturach, jak już pisałem, jest on trwalszy i może się kumulować. Z kolei produkcja ozonu jest najbardziej intensywna latem, ale wtedy jest najmniej trwała, głównie ze względu na wyższą temperaturę w sferze ozonowej. Dlatego najwięcej ozonu występuje na początku wiosny, a najmniej pod koniec jesieni.

W regionach polarnych stężenie ozonu może wzrosnąć o 50% w pierwszych dniach wiosny; Dobowe wahania notowano w granicach 25%. Na pewnych szczególnych wysokościach mogą wystąpić jeszcze większe wahania; Np. ośmiokrotny wzrost w ciągu kilku dni w dolnej stratosferze. Największe stężenie pionowe występuje na wysokości od 20 do 26 kilometrów. Półkula północna ma więcej ozonu niż półkula południowa. Charakteryzuje się trzema maksimami, nieco na północ od 60 równoleżnika: nad Wyspą Baffina, nad środkową Syberią i nad północną Skandynawią. Na półkuli południowej jedno szerokie maksimum znajduje się na 60. równoleżniku na południowy wschód od Australii. Maksima, podobnie jak dzienne zmiany, są wynikiem przemieszczania się ozonu pod wpływem stale zmieniających się warunków meteorologicznych. Istnieje korelacja między stężeniem ozonu a ciśnieniem na poziomie tropopauzy. Układ niskiego ciśnienia zmusza bogate w ozon powietrze do przemieszczania się z wysokości 15-20 km w dół do niższej stratosfery; Gęstość kolumny ozonu wzrasta. Odwrotnie w high. Prędkość pionowego ruchu powietrza może osiągnąć 1 km / dzień. Kształt warstwy ozonowej zależy od szerokości geograficznej. W tropikach tropopauza sięga wysokości, do 16 km n.p.m. Warstwa ozonowa jest wąska, osiąga maksimum na 26 kilometrze. Ruch mas powietrza jest skierowany do góry, w przeciwieństwie do dyfuzyjnego ruchu ozonu. Stężenie ozonu wzrasta równomiernie. Ozon nie dostaje się do troposfery, ale podlega południkowemu transportowi do biegunów, wspieranemu przez dyfuzję wirową. Podczas migracji warstwa ozonowa rozszerza się i zmniejsza. Na wyższych szerokościach geograficznych ma postrzępioną strukturę; Warstwy uboższe i bogatsze w ozon przeplatają się ze sobą, dając efekt warstwowania. Maksimum przypada tu na niższe wysokości: 20-23 km (tropopauza w kierunku biegunów również się zmniejsza; do 6 km). Stężenie ozonu powyżej tropopauzy gwałtownie wzrasta. Gradient stężeń, wspierany przez ruch dużych mas powietrza, zmusza ozon do cyrkulacji w dół w kierunku tropopauzy. Ruch tropopauzy w wyniku procesów wymiany ciepła powoduje, że do troposfery przedostają się porcje powietrza bogatego w ozon . Cyrkulacja mas powietrza jest podobna, ale nie taka sama, na obu półkulach pod decydującym wpływem warunków meteorologicznych. (Niedzielski i Gierczak, 1992)

Jak pisałem wcześniej, ozon występuje nie tylko w sferze ozonowej, ale również w pobliżu powierzchni Ziemi. Badania wykazały, że ozon jest ważnym składnikiem smogu miejskiego. Powstaje w wyniku fotodysocjacji przez promienie słoneczne substancji chemicznych obecnych w smogu nad dużymi miastami. W warstwie powietrza przyziemnego Los Angeles ozon może czasami osiągać takie samo stężenie jak w sferze ozonowej. Troposfera zawiera około 10% ozonu, pozostałe 90% znajduje się w stratosferze. W ostatnim czasie jednak, w wyniku destrukcyjnej działalności człowieka, obserwuje się powolny, ale stały wzrost ilości ozonu w dolnych warstwach atmosfery o grubości od 1 do 1,5 kilometra. Należy tu wspomnieć o jego destrukcyjnym charakterze. Działa bardzo korozyjnie na wiele tworzyw sztucznych – metalicznych, ceramicznych i plastikowych (między innymi niszczy gumę, a co za tym idzie opony samochodowe). Nie ma więc potrzeby uświadamiania ludziom zgubnego wpływu, jaki wywiera ona na żywą przyrodę, a co za tym idzie na ludzi. Mogłoby się wydawać, że wzrost stężenia ozonu w niższych warstwach troposfery zrekompensuje jego utratę w ozonsferze. Częściowo tak jest, ale należy wyjaśnić, że aby zrekompensować utratę 10 % ozonu w stratosferze, jego zawartość w troposferze musiałaby zostać zwiększona o 25 %, a to byłoby bardzo szkodliwe, a nawet śmiertelne dla organizmów żywych.

Jeśli potrzebujesz pomocy w napisaniu pracy z zakresu ochrony środowiska, to polecamy serwis pisanie prac - prace z ekologii i innych kierunków pisane na (prawie) każdy temat.