Promienie słoneczne – wróg czy przyjaciel?

Bez promieni słonecznych nasza planeta byłaby jałowa. Słońce ogrzewa powierzchnię naszej planety, pobudza atmosferę i hydrosferę do ciągłego ruchu, sprzyjając tym samym dystrybucji energii. Promienie słoneczne wykorzystywane są przez rośliny w procesie fotosyntezy. Niektóre długości fal są jednak szkodliwe. Promieniowanie słoneczne (elektromagnetyczne) obejmuje promieniowanie podczerwone, światło widzialne oraz ultrafioletowe (UV), które dzieli się ze względu na długość:

• Promieniowanie UV‑A cechuje się mniejszą szkodliwością w porównaniu z innymi długościami; posiada najdłuższy rodzaj fali cechujący się niskim poziomem energii. Wystawienie na działanie promieniowania może przyczynić się do uszkodzenia znajdującego się w skórze włókna kolagenowego, efektem czego może być przyspieszone starzenie; narażenie na promieniowanie w długim okresie czasu przyczynić może się do powstania zaćmy;

• Promieniowanie UV‑B charakteryzuje się krótkim rodzajem fal. Wraz ze wzrostem wysokości n.p.m. wzrasta natężenie oraz szkodliwe działanie promieniowania, którego efektem jest starzenie się skóry oraz wystąpienie chorób nowotworowych skóry. UV‑B odgrywa role w syntezie witaminy D;

• Promieniowanie UV‑C jest to rodzaj promieniowania charakteryzujący się najkrótszą falą oraz dużym poziomem energii, które jest niemal w całości absorbowane przez warstwę ozonową. Efektem wystawienia na działanie omawianego promieniowania może być uszkodzenie łańcuchu DNA oraz wystąpienia nowotworów skóry.

R57NS0aQX8Oho

Na ilustracji przedstawiono filtrowanie promieniowania docierającego do powierzchni Ziemi. Po lewej stronie ilustracji zaznaczono wysokość troposfery (zjawiska pogodowe), nad troposferą jest stratosfera (warstwa ozonu na wysokości 20‑30 kilometrów, wysokość lotu samolotu wynosi 10 kilometrów), nad stratosferą leży mezosfera (spalanie meteorów), ostatnią warstwą jest termosfera (zorze polarne). Pokazano różne promieniowania i wysokość, do której docierają. Promieniowanie gamma jest absorbowane przez górne warstwy stratosfery, podobnie jak krótsze fale promieniowania X. Dłuższe fale promieniowania X są absorbowane w mezosferze, podobnie jak głęboki ultrafiolet. Następnie jest światło widzialne, bliska podczerwień i część ultrafioletu, które tworzą tak zwane okno optyczne, czyli bez większych przeszkód docierają do powierzchni Ziemi. Dalsza podczerwień jest absorbowana przez wodę i dociera do wyższych partii troposfery. W przypadku mikrofal są częściowo absorbowane przez wodę, dlatego do powierzchni Ziemi docierają osłabione. Fale radiowe bez problemu docierają do powierzchni Ziemi w tak zwanym oknie radiowym, natomiast bardzo długie fale radiowe są absorbowane w termosferze.

Promieniowanie UV‑B i UV‑A  mają odpowiednio coraz dłuższą falę i mniejszą energię. Obydwa docierają poniżej warstwy ozonowej i wywołują niekorzystne efekty biologiczne, ale nie dokonują na powierzchni Ziemi spustoszenia. Promieniowanie UV‑C, a także UV‑B może doprowadzić do uszkodzenia łańcuchów DNA, w wyniku czego dochodzi do mutacji powodujących nowotwory skóry. Promienie ultrafioletowe typu B i A zabijają mikroorganizmy, ale dzięki powyższym właściwościom w środowisku naturalnym odbywa się swoista dezynfekcja (te właściwości promieniowania wykorzystuje się do sterylizacji instrumentów i pomieszczeń medycznych). Co więcej, promieniowanie słoneczne jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu człowieka. Do dobroczynnych efektów można zaliczyć korzystny wpływ na samopoczucie i aktywność fizyczną, umożliwienie syntezy witaminy D, pobudzenie wydzielania wielu hormonów.

Słońce może być źródłem korzyści zdrowotnych, ale nasza skóra posiada ograniczoną zdolność do ochrony przed promieniowaniem słonecznym. Warstwa zrogowaciałego naskórka odbija promienie, a barwnik (melanina) pochłania i rozprasza promieniowanie, jednak przy dłuższym oddziaływaniu promieni może dojść do natychmiastowych negatywnych skutków (np. poparzeń słonecznych, fototoksycznych i fotoalergicznych reakcji na leki i kosmetyki) oraz odległych skutków biologicznych (np. przedwczesnego starzenia skóry, stanów przednowotworowych, raka skóry).

Czym jest ozon i dlaczego jest ważny?

Ozon (OIndeks dolny 3₃) jest gazem naturalnie występującym w atmosferze ziemskiej. Składa się z trzech atomów tlenu i odznacza się znacznie mniejszą stabilnością niż tlen (OIndeks dolny 2₂). Jest przez to znacznie bardziej reaktywny - oznacza to, że ma zdolność do udziału w reakcjach chemicznych. Ze względu na tę niestabilność, ozonu jest w atmosferze stosunkowo mało (najwyższe stężenie występuje na wysokości około 25‑32 km nad powierzchnią Ziemi). W celu zobrazowania zawartości ozonu w kolumnie powietrza określa się grubość warstwy, która by powstała w przypadku wyizolowania go z atmosfery i osadzeniu na powierzchni ziemi przy określonych warunkach (ciśnienie powietrza atmosferycznego 1000 hPa i temperatura 0°C). Osiągnięty wynik w metrach jest mnożony przez 100 000 i oznacza grubość warstwy w jednostkach Dobsona (DU). Przeciętna warstwa wynosi 300 Dobsonów (3 mm); w przypadku występowania dziury ozonowej wskaźnik ten nie przekracza 220 DU.

Ozon jest obecny w całej atmosferze, ale przede wszystkim w dwóch kluczowych strefach:

– Ozon troposferyczny – występuje w niższej atmosferze (od 5 km do 15 km w zależności od szerokości geograficznej). W większości troposfery stężenie ozonu jest stosunkowo niskie. Stężenie ozonu bardzo blisko powierzchni może być jednak wyższe lokalnie, szczególnie w miejscach, gdzie tworzy się w wyniku zanieczyszczenia powietrza. Powstaje w wyniku reakcji chemicznych między zanieczyszczeniami takimi jak tlenki azotu, lotne związki organiczne i światło słoneczne. Te zanieczyszczenia powietrza są emitowane ze spalin samochodowych, procesów przemysłowych, urządzeń elektrycznych i rozpuszczalników chemicznych. Ozon na poziomie gruntu może mieć negatywny wpływ na zdrowie ludzi,

– Ozon stratosferyczny – jest obecny w górnej atmosferze (od około 10‑15 km do 50 km w zależności od szerokości geograficznej). Stratosfera obejmuje strefę zwaną „warstwą ozonową”. Ozon w stratosferze odgrywa zupełnie inną rolę niż w warstwie troposferycznej. W warstwie ozonowej często określa się ją mianem „dobrego” ozonu, ponieważ odgrywa on kluczową rolę w absorpcji potencjalnie niebezpiecznego promieniowania ultrafioletowego ze Słońca. Warstwa ozonowa zazwyczaj pochłania całkowicie promieniowanie UV‑C i 97–99% przychodzącego promieniowania UV‑B. Wyższe stężenia ozonu w stratosferze mają zatem kluczowe znaczenie dla zapewnienia życia na powierzchni Ziemi.

RIVrYHui8bhpU

Standardowy profil stężenia ozonu w atmosferze ziemskiej pokazuje, że ozon troposferyczny jest do wysokości 15 kilometrów. Blisko powierzchni ziemi znajdują się lokalne warstwy ozonu pochodzące z zanieczyszczenia powietrza, to tak zwany zły ozon. Na wysokości od 15 do około 40 kilometrów jest warstwa ozonowa, ozon stratosferyczny (promieniowanie UV). To ozon niezbędny do ochrony przed promieniowaniem UV, tak zwany dobry ozon. Koncentracja ozonu jest najwyższa na wysokości około 22 kilometrów.

Jakie substancje niszczą warstwę ozonową?

Substancje zubożające warstwę ozonową to gazy halogenowe zawierające chlor i/lub brom, które mogą rozkładać ozon w stratosferze. Istnieje znaczna liczba takich substancji, w tym chlorofluorowęglowodory, wodorochlorofluorowęglowodory, chlorek i bromek metylu oraz halony.

Często nazywa się te substancje freonami. Zostały odkryte stosunkowo niedawno, bo w latach 20. XX wieku, a ich wytwarzanie rozpoczęto w latach 30. XX wieku. Z biegiem lat ich produkcja zwiększała się, podobnie ich zastosowanie. Freony trafiły między innymi do układów chłodniczych lodówek i aerozoli, ale także miały swoje zastosowanie przy produkcji spienionych tworzyw sztucznych, rozpuszczalników, preparatów do mycia urządzeń elektrycznych, substancji odtłuszczających i lakierów.

Gazy te, emitowane na powierzchni Ziemi, stopniowo rozprowadzane były przez dolną atmosferę, skąd trafiały do górnej atmosfery. Ta droga zajmuje nawet od kilku do kilkunastu lat, dlatego w początkowym okresie nie wystąpiły niekorzystne zmiany w stratosferze (nikt też tego zjawiska nie badał do lat 60‑70. XX wieku). Ostatecznie utworzyły się w stratosferze wysoce reaktywne chlorowe lub bromowe gazy, które w obecności promieni ultrafioletowych (UV) zaczęły niszczyć ozon stratosferyczny, powodując zubożenie warstwy ozonowej. Proces niszczenia może jeszcze zachodzić nawet przez 65‑130 lat od wprowadzenia chloru do środowiska.

Dziura oznowa, czyli bomba zegarowa

R4fBWbO3vfXIP

Na ilustracji pokazano zmiany zawartości ozonu na biegunie południowym w latach 1979‑2018 w jednostkach Dobsona. Na kulach ziemskich zaznaczono biegun południowy ze zmianami ozonu co dwa lata od 1979 roku do 2018 roku. Pod kulami ziemskimi jest skala dotycząca zawartości ozonu w jednostkach Dobsona (DU). Skala ma kolory od czerwonego, przez żółty, po odcienie niebieskiego. Kolor czerwony z odcieniami oznacza na zawartość ozonu od 100 do 220 DU, kolor żółty z odcieniami od 220 do 300 DU, kolor niebieski z odcieniami od 300 do 500 DU. W 1979 roku zawartość ozonu nad biegunem mieściła się w granicach od 220 do 500 DU. Kolor czerwony pojawia się w roku 1983. Od tego czasu zawartość ozonu malała, czyli powiększała się dziura ozonowa. Zmniejszenie dziury ozonowej przypada na rok 2017.

Od lat 70. XX wieku zauważono problem zaniku warstwy ozonowej w strefach okołobiegunowych i powiązano ten ubytek z działalnością człowieka, która zanieczyszczała środowisko i naruszyła równowagę w atmosferze. Produkowane gazy, w tym głównie chlor, w wyniku emisji do atmosfery zmniejszały ilość stratosferycznego ozonu (OIndeks dolny 3₃).

Atomy chloru dostające się do atmosfery ze związków zwanych freonami, po kilku latach docierają do stratosfery. Na wysokości około 30 km promieniowanie ultrafioletowe jest na tyle silne, że rozszczepia cząsteczki i uwalnia atomy chloru, które atakują ozon. W reakcji łańcuchowej chlor łączy się z milionami cząsteczek ozonu, który jest eliminowany ze stratosfery. W konsekwencji prowadzi to do zmian w składzie chemicznym górnej warstwy atmosfery.

Emisja freonów w latach 80. XX wieku bardzo się nasiliła, a naukowcy zaczęli poważnie traktować coraz niższe wartości ozonu nad Antarktydą. Zjawisko uznano za groźne i nazwano je dziurą ozonową. W 1992 r. problem zidentyfikowano także na półkuli północnej. Od 1997 r. podejmuje się działania na całym świecie zmierzające do opanowania zmian klimatycznych.

R8a7Rm0MSfQcq

Wykres dotyczy naturalnej oraz całkowitej emisji w latach 1961‑2014 w milionach ton. Na wykresie są dwie krzywe. Jedna z nich dotyczy naturalnej emisji. Biegnie równolegle do osi X przez wszystkie lata na wysokości nieco poniżej 0,2 miliona ton. Krzywa dotycząca całkowitej emisji w tym naturalnej i antropogenicznej rozpoczyna się od wartości 0,4 miliona ton w 1961 roku, po czym biegnie w górę do wartości maksymalnej przekraczającej 1,4 miliona ton w 1990 roku. Po osiagnięciu maksimum krzywa opada do wartości nieco powyżej 0,3 miliona ton w 2014 roku.

Dobre i złe wieści

Na skutek negatywnego wpływu freonów na warstwę ozonową w 1985 r. kraje należące do ONZ uchwaliły Konwencję Wiedeńską, a w 1987 r. podpisały Protokół Montrealski. Zarówno konwencja jak i protokół zostały uznane przez państwa świata, które zobowiązały się do wycofania z produkcji freonu i innych substancji szkodzących warstwie ozonowej. Postanowienia protokołu były kilkukrotnie poprawiane,  a w efekcie wdrażanych działań w XXI wieku w atmosferze zmniejszyła się koncentracja szkodliwych substancji.

R1mvbVj4byWhm

Wykres zależności zawartości ozonu w latach 1960‑2100. Krzywa biegnie od zawartości ozonu bliskiej 300 dobsonów w 1971 roku, przez minimum pod koniec lat 90. XX wieku - nieco poniżej 150 dobsonów. Po osiągnięciu minimum następuje powolny wzrost zawartości ozonu. Według prognoz w roku 2060 poziom ozonu wzrośnie do wartości 250 dobsonów, a w roku 2100 osiągnie wartość prawie 300 dobsonów.

Chęć zysku często jednak nie idzie w parze z ochroną środowiska. W 2018 r. wykazano, że chociaż po 2012 r. nikt nie przyznawał się do produkcji CFC‑11CFC‑11CFC‑11, a jego koncentracja w atmosferze się zmniejszyła, to jednak zaczęła spadać o połowę wolniej niż wcześniej. Na podstawie pomiarów i obliczeń ustalono, że przyczyną jest nielegalna produkcja tego związku. W 2019 r. potwierdzono na podstawie pomiarów atmosferycznych to, co już wcześniej sugerowały wyniki śledztw dziennikarskich i prowadzonych przez organizacje pozarządowe – intensywny rozwój Chin uwalnia do atmosfery niebezpieczne ilości różnych substancji, w tym także CFC‑11. W przyszłości możemy spodziewać się podobnych, niewłaściwych postaw ze strony państw rozwijających się.

Pomimo przeszkód i nieprawidłowości podejmowane działania można uznać za sukces ludzkości, gdyż argumenty naukowe zmobilizowały polityków do podjęcia kroków zmierzających do zapobiegnięcia katastrofie.

Negatywne skutki istnienia dziury ozonowej

Skutki zaniku warstwy ozonowej dotyczą całej planety. Możemy je usystematyzować na te, które wpływają na klimat oraz te, które szkodzą florze, faunie oraz samemu człowiekowi.

Słownik