podrozdział pracy magisterskiej

Osobnym tematem jest wpływ ultrafioletu na wodne systemy ekologiczne, które produkują więcej biomasy (104 mld ton rocznie) niż systemy lądowe (100 mld ton rocznie – Niedzielski i Gierczak, 1992). Plankton roślinny naszych mórz i oceanów ma ogromne znaczenie dla całego życia na Ziemi, a także dla równowagi klimatycznej. Organizmy autotroficzne – tak nazywamy organizmy, które czerpią energię ze światła słonecznego i pokrywają swoje zapotrzebowanie na węgiel poprzez pochłanianie CO2 – są początkiem łańcucha pokarmowego, na końcu którego znajduje się człowiek. Organizmy te wiążą 100 miliardów ton CO2 rocznie, z czego około 60 miliardów to plankton roślin morskich. Morski łańcuch pokarmowy przebiega w następujących etapach: fitoplankton – zooplankton – skorupiaki – i małe ryby – większe ryby, ssaki morskie – człowiek.

Sam fitoplankton wytwarza około 60 miliardów ton suchej masy rocznie. Taka ilość jest wręcz niewyobrażalna, ale należy zdać sobie sprawę, że biomasa jest redukowana o blisko 90% za każdym razem, gdy przechodzi przez kolejne etapy łańcucha pokarmowego. Oznacza to, że jedna tona fitoplanktonu prowadzi do 100 kilogramów zooplanktonu, co z kolei prowadzi do 10 kilogramów skorupiaków i małych ryb. Biomasa większych ryb, która jest już spożywana przez ludzi, wynosi więc tylko jeden kilogram. Jest to modelowy przykład pełnego łańcucha żywnościowego. Można go jednak skrócić, np. gdy większe zwierzęta (np. wieloryby) żywią się zooplanktonem.

Udowodniono eksperymentalnie, że fitoplankton bardzo wrażliwie reaguje na wzrost promieniowania ultrafioletowego. W praktyce oznacza to, że zwiększony poziom promieniowania UV doprowadzi nie tylko do śmierci dużej masy planktonu, ale także do poważnych zmian jakościowych – niektóre gatunki będą się rozmnażać, inne całkowicie znikną. W bardzo zróżnicowanym ekosystemie morskim występują gatunki wyspecjalizowane w jednym konkretnym typie planktonu. Wszelkie zmiany w składzie gatunkowym planktonu wpływały zatem również na ekosystemy wyższe. A jednocześnie plankton już cierpi w wyniku rosnącego zanieczyszczenia wód morskich. Pod wpływem światła ultrafioletowego plankton traci również część swojej zdolności do asymilacji dwutlenku węgla. Wzrost średniej temperatury wody morskiej w wyniku efektu cieplarnianego wywołany zwiększonym stężeniem CO2 doprowadził do wymierania kolejnych mas planktonu. (www.RokitasysUSERS.SZKOLA.pl)

Ultrafiolet (UV) to promieniowanie elektromagnetyczne, które odgrywa istotną rolę w wielu procesach ekologicznych. Jego wpływ na wodne systemy ekologiczne jest złożony i obejmuje zarówno pozytywne, jak i negatywne skutki, zależne od natężenia promieniowania oraz rodzaju organizmów i warunków środowiskowych. W ekosystemach wodnych, promieniowanie UV dzieli się na trzy zakresy: UV-A, UV-B i UV-C. Spośród nich, UV-C jest najsilniej absorbowane przez atmosferę i rzadko dociera do powierzchni Ziemi. UV-B ma najbardziej negatywne skutki dla organizmów, podczas gdy UV-A jest mniej szkodliwe, ale również wpływa na procesy biologiczne.

Promieniowanie UV-B, ze względu na krótszą długość fali, jest bardziej energetyczne i może powodować uszkodzenia DNA, co prowadzi do mutacji oraz zaburzeń w funkcjonowaniu komórek. W wodnych systemach ekologicznych, organizmy takie jak fitoplankton, zooplankton, ryby i inne organizmy wodne są narażone na bezpośrednie działanie UV-B. Badania wykazały, że UV-B może hamować fotosyntezę w fitoplanktonie, co ma negatywne konsekwencje dla całego łańcucha pokarmowego. Fitoplankton, będący podstawą większości ekosystemów wodnych, jest kluczowym producentem pierwotnym, a wszelkie zaburzenia w jego funkcjonowaniu mogą prowadzić do zmniejszenia produktywności ekosystemu. Ponadto, zmniejszenie aktywności fitoplanktonu wpływa na zdolność absorbowania dwutlenku węgla z atmosfery, co ma globalne znaczenie w kontekście zmiany klimatu.

Organizmy wodne wykształciły różnorodne mechanizmy obronne przed szkodliwym działaniem promieniowania UV. Wiele gatunków produkuje substancje chemiczne, takie jak mykosporiny i karotenoidy, które działają jako naturalne filtry UV. Dodatkowo, niektóre organizmy potrafią przemieszczać się w głębsze warstwy wody w celu uniknięcia nadmiernego nasłonecznienia. W strefach przybrzeżnych i na płytkich wodach, gdzie penetracja promieni UV jest większa, szczególnie narażone są młode organizmy, których mechanizmy obronne nie są w pełni rozwinięte.

Kolejnym aspektem oddziaływania UV na ekosystemy wodne jest jego wpływ na substancje organiczne rozpuszczone w wodzie. Promieniowanie UV, zwłaszcza UV-B, przyczynia się do fotodegradacji rozpuszczonej materii organicznej, co z jednej strony może zwiększać dostępność składników odżywczych dla mikroorganizmów, ale z drugiej strony prowadzi do produkcji reaktywnych form tlenu (ROS). ROS mogą wywoływać stres oksydacyjny u organizmów, co prowadzi do dalszych uszkodzeń na poziomie komórkowym.

Zmiany klimatyczne i związana z nimi redukcja warstwy ozonowej dodatkowo zwiększają natężenie promieniowania UV docierającego do powierzchni Ziemi, co może nasilić negatywne skutki w ekosystemach wodnych. Szczególnie wrażliwe są ekosystemy polarne, gdzie sezonowe zjawiska, takie jak dziura ozonowa, prowadzą do okresowych wzrostów natężenia UV-B. W tych regionach, organizmy są ewolucyjnie przystosowane do niskich poziomów UV, co sprawia, że gwałtowny wzrost promieniowania może mieć poważne skutki ekologiczne.

Promieniowanie UV, zwłaszcza UV-B, ma znaczący wpływ na wodne systemy ekologiczne. Chociaż organizmy wodne wykształciły mechanizmy obronne, zwiększone natężenie promieniowania UV wynikające z antropogenicznych zmian, takich jak zmniejszenie warstwy ozonowej, stanowi poważne zagrożenie dla stabilności tych ekosystemów. Kontynuacja badań nad mechanizmami obronnymi oraz wpływem UV na różne komponenty ekosystemów wodnych jest kluczowa dla zrozumienia przyszłych zmian w tych delikatnych środowiskach.

Wpływ ultrafioletu na wodne systemy ekologiczne

Promieniowanie ultrafioletowe (UV) stanowi naturalny składnik spektrum słonecznego, który odgrywa istotną rolę w funkcjonowaniu biosfery. Pomimo że w większości przypadków pełni funkcję regulacyjną i wpływa na podstawowe procesy biologiczne, jego nadmierna intensywność może prowadzić do degradacji struktur komórkowych organizmów oraz zakłócenia równowagi ekosystemów. Szczególnie wrażliwe na skutki podwyższonego promieniowania UV są wodne systemy ekologiczne, w których interakcje między środowiskiem abiotycznym i biotycznym są wyjątkowo złożone. W ostatnich dekadach, wraz ze zjawiskiem osłabienia warstwy ozonowej, zagadnienie wpływu promieniowania UV na środowisko wodne stało się jednym z kluczowych tematów badawczych w ekologii i ochronie środowiska.

Ultrafiolet jako czynnik środowiskowy w ekosystemach wodnych

Promieniowanie UV, a szczególnie jego zakres UV-B (280–315 nm), ma zdolność przenikania do warstw powierzchniowych wód słodkich i morskich, co w znacznym stopniu determinuje życie organizmów zamieszkujących strefę eufotyczną. Głębokość penetracji zależy od czystości wody, zawartości substancji organicznej, obecności fitoplanktonu oraz stopnia zmącenia. W wodach oligotroficznych, charakteryzujących się dużą przejrzystością, promieniowanie UV może docierać na znaczne głębokości, oddziałując na organizmy zamieszkujące nie tylko powierzchnię, ale także niższe warstwy toni wodnej. W wodach eutroficznych natomiast jego zasięg jest znacznie ograniczony, co wynika z większej koncentracji cząstek zawieszonych oraz substancji rozpuszczonych absorbujących promieniowanie.

Promieniowanie UV wpływa zarówno na procesy fizyczno-chemiczne w wodzie, takie jak fotoliza związków organicznych i nieorganicznych, jak i na funkcjonowanie organizmów wodnych. Reakcje fotochemiczne indukowane przez UV mogą prowadzić do powstawania reaktywnych form tlenu, które z kolei oddziałują na skład chemiczny wody i metabolizm organizmów. Umiarkowane ilości UV mogą wspierać procesy samooczyszczania wód poprzez inicjację fotolizy zanieczyszczeń organicznych, jednak ich nadmiar powoduje niepożądane skutki biologiczne.

Oddziaływanie promieniowania UV na organizmy wodne

Organizmy wodne wykazują zróżnicowaną wrażliwość na promieniowanie UV, co jest uzależnione od ich budowy, fazy rozwoju, sposobu życia i zdolności adaptacyjnych. Szczególnie podatne na uszkodzenia są fitoplankton, zooplankton oraz larwy ryb i bezkręgowców. Promieniowanie UV może powodować uszkodzenia DNA, zakłócenia procesów fotosyntezy, denaturację białek oraz uszkodzenia błon komórkowych. Dla fotosyntetyzujących mikroorganizmów, takich jak fitoplankton, zbyt duża dawka UV prowadzi do ograniczenia produkcji pierwotnej, co ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania całego ekosystemu, ponieważ fitoplankton stanowi podstawę wodnych łańcuchów troficznych.

W przypadku zooplanktonu obserwuje się zmniejszenie tempa wzrostu, redukcję sukcesu rozrodczego oraz zwiększoną śmiertelność. Szczególnie wrażliwe są gatunki powierzchniowe, które naturalnie narażone są na bezpośredni kontakt ze światłem słonecznym. Larwy wielu gatunków ryb i bezkręgowców cechują się słabo rozwiniętymi systemami ochronnymi, dlatego ich przeżywalność jest istotnie obniżana przy zwiększonej ekspozycji na UV. W skrajnych przypadkach promieniowanie UV może prowadzić do zakłóceń w strukturze populacji, ograniczając możliwości odnowy biocenoz wodnych.

Mimo negatywnych skutków, część organizmów wodnych wykształciła mechanizmy obronne przed promieniowaniem UV, takie jak produkcja pigmentów ochronnych (np. melanina, karotenoidy), zdolność do naprawy DNA dzięki enzymom fotoliazowym czy zmiana zachowań, polegająca na migracji pionowej w toni wodnej. Mechanizmy te jednak nie zawsze są wystarczające, szczególnie w warunkach gwałtownych zmian środowiskowych.

Skutki ekologiczne i biogeochemiczne

Promieniowanie UV oddziałuje nie tylko na poszczególne organizmy, ale również na całe ekosystemy wodne. Ograniczenie produkcji pierwotnej fitoplanktonu prowadzi do zmniejszenia dopływu energii do wyższych poziomów troficznych, co może skutkować spadkiem biomasy zooplanktonu, ryb oraz innych organizmów wodnych. Długoterminowe zmiany tego typu wpływają na stabilność ekosystemu, prowadząc do obniżenia jego odporności na stres środowiskowy i zaburzeń funkcjonowania sieci troficznych.

Zwiększone promieniowanie UV wpływa także na cykle biogeochemiczne, w tym przede wszystkim cykl węgla i azotu. Fotoliza rozpuszczonej materii organicznej może zwiększać produkcję dwutlenku węgla, przyczyniając się do zakwaszenia wód oraz wzrostu emisji CO₂ do atmosfery. Zmiany te mogą mieć globalne konsekwencje klimatyczne, co nadaje zagadnieniu dodatkowy wymiar.

Wpływ promieniowania ultrafioletowego na wodne systemy ekologiczne jest złożony i obejmuje zarówno procesy biologiczne, jak i chemiczne. Zwiększona ekspozycja na UV, wynikająca m.in. z redukcji warstwy ozonowej i zmian klimatycznych, stanowi poważne zagrożenie dla organizmów wodnych, szczególnie tych najniższych w łańcuchu troficznym. Ograniczenie produkcji pierwotnej, zaburzenia w populacjach zwierząt planktonowych oraz zmiany w cyklach biogeochemicznych mogą prowadzić do degradacji całych ekosystemów wodnych. Zrozumienie tych procesów oraz wdrażanie działań ochronnych, takich jak redukcja emisji substancji niszczących ozon czy monitorowanie jakości wód, stanowi podstawę dla zachowania równowagi ekologicznej i ochrony zasobów wodnych w dobie globalnych zmian środowiskowych.

Problem efektu cieplarnianego zostanie omówiony w następnym podrozdziale.

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.

Życie na Ziemi bezpośrednio lub pośrednio zależy od promieniowania słonecznego jako źródła energii. Wszystkie żywe organizmy potrzebują go, aby zapewnić funkcjonowanie metabolizmu związanego ze wzrostem, rozwojem i rozmnażaniem. Pręciki i czopki siatkówki ludzkiego oka reagują na światło o długości fali 400-800 nm, które odbieramy jako światło widzialne. Promieniowanie o większej długości fali jest odbierane jako ciepło. Światło z energią w zakresie ultrafioletu jest pochłaniane przez ludzką skórę i służy częściowo do napędzania syntezy witaminy D, która jest niezbędna do metabolizmu kości. Jednak oprócz dobroczynnego działania, światło ultrafioletowe ma również szkodliwe działanie. Wpływ ultrafioletu zależy od jego długości fali. Im mniejsza fala promieniowania ultrafioletowego, tym większy ma wpływ. Promieniowanie ultrafioletowe dzieli się na trzy kategorie:

1. UV-c – o długości fali 180-275 nm – ma najsilniejszy wpływ na materię żywą. Na szczęście jest on całkowicie zatrzymywany przez sferę ozonową.

2. UV-b – o długości fali od 275-320 nm. Promieniowanie to jest bardzo silnie pochłaniane w sferze ozonowej i pozostałej części atmosfery, jednak niewielka jego część dociera do Ziemi. Promieniowanie tej kategoriiOdgrywa ważną rolę zarówno w ostrym, jak i przewlekłym niszczeniu skóry.

3. UV-a o długości fali od 320-400 nm. Promieniowanie to jest najmniej zatrzymywane przez atmosferę, a całkiem spora jego część dociera do Ziemi. Powszechnie uważa się, że promienie UVB są odpowiedzialne za choroby skóry wywoływane przez słońce, ale ostatnie doniesienia sugerują, że promieniowanie UVA również odgrywa ważną rolę. Promienie UVA wnikają głębiej w skórę, nasilając szkodliwe działanie promieniowania UVB.

Wpływ promieniowania ultrafioletowego na organizmy żywe jest bardzo duży, ponieważ powoduje jonizację atomów. Oczywiście promieniowanie ultrafioletowe jonizuje nie tylko atomy w materii ożywionej, ale także materię nieożywioną. Nas jednak interesuje pierwsze zjawisko. Badania wykazały, że białka, aminokwasy, a zwłaszcza kwas dezoksyrybonukleinowy – DNA, który jak wiemy odgrywa niezwykle ważną rolę w każdym żywym organizmie, są szczególnie podatne na wyrządzone w ten sposób uszkodzenia, a jego uszkodzenie zaburza proces dziedziczenia. Badania laboratoryjne przeprowadzone na bakteriach dowiodły, że nawet niewielki wzrost natężenia promieniowania ultrafioletowego zwiększa liczbę mutacji u potomstwa od tysiąca do nawet miliona razy. Dalszy wzrost intensywności powoduje, że przestają się dzielić. Dalszy wzrost dawki promieniowania ultrafioletowego prowadzi do zabijania bakterii. Promieniowanie ultrafioletowe jest więc silnym środkiem bakteriobójczym i stosuje się je np. do sterylizacji sal operacyjnych w szpitalach. Dlatego należy zdać sobie sprawę z tego, jak ważna jest ozonosfera – gdyby zniknęła, Słońce zaczęłoby wyjaławiać otaczającą nas przyrodę, doprowadzając do wyginięcia życia na Ziemi.

Z wpływem promieniowania ultrafioletowego na nasz organizm spotykamy się bardzo często, szczególnie latem, kiedy wystawiamy się na działanie promieni słonecznych. Zrozumiałe jest, że promieniowanie atakuje przede wszystkim skórę, która jest pierwszą barierą ochronną organizmu przed czynnikami zewnętrznymi. Rezultatem jest opalenizna. I choć ludzka skóra jest niezwykle cienka, to jest to bardzo złożony narząd i pełni wiele niezwykle ważnych funkcji dla życia. Skóra posiada kilka mechanizmów chroniących ją przed szkodliwym działaniem promieniowania UV. Zrogowaciała warstwa naskórka ma zdolność odbijania pewnej części padających promieni. Jednak podstawową linią obrony przed promieniowaniem słonecznym jest melanina zawarta w naskórku, która pochłania i rozprasza promieniowanie UV oraz stabilizuje wolne rodniki.

Zabarwienie skóry jest wynikiem wpływu czynników konstytucyjnych i zewnętrznych. Ubarwienie konstytucyjne odpowiedzialne za różnice w kolorze skóry osób różnych ras jest uwarunkowane genetycznie i zależy od zawartości melaniny w skórze. Nietrwałe zabarwienie, czyli opalenizna, zależy od ilości melaniny nagromadzonej w odpowiedzi na promieniowanie UV. Opalanie jest zjawiskiem dwufazowym. Pierwsza faza odbywa się już podczas ekspozycji na promienie słoneczne. Polega na reakcji fotooksydacji, prowadzącej do natychmiastowego ciemnienia barwnika. Efekty drugiej fazy stają się widoczne po około 72 godzinach. W fazie opóźnionego opalania następuje wzrost syntezy melaniny w naskórku i wzrost liczby melanosomów. Powtarzające się napromienianie może powodować wzrost liczby melanocytów w naskórku. ("Medycyna po studiach" tom 3/nr 2/lipiec 1994) Funkcja obronna melaniny nie ogranicza się do biernego blokowania promieniowania przenikającego przez skórę. Posiada również właściwości chemicznie wiążących produktów fotolizy powstających pod wpływem promieniowania – bardzo szkodliwego dla organizmu. Obecnie wiadomo, że promieniowanie ultrafioletowe powoduje wzrost zachorowalności na raka skóry i przyspiesza procesy starzenia się skóry.

Szacuje się, że 10% wzrost natężenia promieniowania ultrafioletowego powoduje taki sam procentowy wzrost liczby nowotworów skóry, więc 25% wzrost natężenia promieniowania ultrafioletowego może spowodować taki sam wzrost liczby nowotworów skóry (w literaturze naukowej podaje się dwa razy więcej liczb). Tymczasem dla 10% wzrostu intensywności promieniowania ultrafioletowego wystarczy 5% spadek ozonu. Warto zauważyć, że osoby o słabej pigmentacji są około 10 razy bardziej podatne na raka skóry pod wpływem promieniowania ultrafioletowego niż te, które opalają się na ciemno. Praktycznie nie są to wrażliwe czernie. Jest to zrozumiałe. Jeśli skóra wytwarza więcej melaniny, lepiej chroni przed promieniowaniem ultrafioletowym. (A. Marks, 1992) Poniższe zdjęcia pokazują wpływ promieni ultrafioletowych na skórę.

Według amerykańskich statystyk w samych Stanach Zjednoczonych co roku na raka skóry umiera 12 000 osób. ludzi, a największy odsetek zgonów obserwuje się w najbardziej nasłonecznionych stanach: Kalifornii i Florydzie. (Anna Kalinowska 1995)

Oprócz skóry oczy są również narażone na promieniowanie ultrafioletowe. Wynika to z faktu, że gałka oczna nie posiada warstwy zrogowaciałego naskórka i jest przezroczysta. W efekcie światło ultrafioletowe wnikające w głąb oka powoduje uszkodzenie zarówno jego rogówki, soczewki, jak i siatkówki. Zapalenie rogówki jest na ogół wynikiem ostrej ekspozycji. Uszkodzenie soczewki objawia się różnymi postaciami zaćmy. Udowodniono ich związek z ekspozycją na światło słoneczne. Ultrafiolet powoduje pękanie białek soczewki, a nierozpuszczalne białka we włóknach soczewki powodują zmętnienie. Jan Niedzielski i Tomasz Gierczak piszą w swojej książce, że spadkowi stężenia ozonu w stratosferze zaledwie o 1% towarzyszyć będzie wzrost zachorowań na zaćmę o 0,6-0,8%. Z drugiej strony Światowa Organizacja Zdrowia podaje, że na całym świecie jest co najmniej 40 milionów ludzi, którzy stracili wzrok lub mają ograniczony wzrok z powodu zaćmy, a liczba ta stale rośnie. Kończąc część dotyczącą zagrożeń dla życia i zdrowia człowieka spowodowanych promieniowaniem ultrafioletowym, należy podkreślić, że mimo obfitości opisanych powyżej groźnych dolegliwości, niebezpieczeństwo w polskich szerokościach geograficznych jest daleko, zwłaszcza jeśli ktoś zgodnie z dyktatem zdrowego rozsądku nie przesadza z plażowaniem, a zmuszony jest do ciągłego przebywania na słońcu, Używa okularów przeciwsłonecznych z filtrem i kosmetyków ochronnych.

Wzrost promieniowania ultrafioletowego nie jest obojętny roślinom, które w toku ewolucji, na przestrzeni milionów lat, przystosowały się do sytuacji radiacyjnej, jaka istnieje na Ziemi w obszarze ich wegetacji, dlatego zmiana jakichkolwiek warunków budzi uzasadnione obawy. Z badań amerykańskich naukowców wynika, że około 2/3 gatunków roślin jest wyraźnie uczulonych na promieniowanie ultrafioletowe (Marks 1992). Ultrafiolet ma negatywny wpływ na wzrost roślin, powierzchnię liści i suchą masę. Ostatnie obserwacje wykazały, że wzrost promieniowania UV przyczynił się do spadku plonów pszenicy, sorgo i grochu i uważa się, że utrata ozonu o 10% spowoduje taki sam spadek plonów tych upraw.

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.

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.