Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki
bg‑azure

Występowanie ozonu

OzonozonOzon znajduje się w troposferzetroposferatroposferzestratosferzestratosferastratosferze, a jego największa koncentracja występuje na wysokości od 18 do 24 km n.p.m.

1

Przy powierzchni Ziemi (w troposferze) ozon występuje w małej ilości, ale miejscowo jego stężenie może się zwiększać. Gaz ten powstaje np. podczas wyładowań atmosferycznych (co łatwo można rozpoznać po wyczuwalnym po burzy świeżym zapachu charakterystycznym dla ozonu), wchodzi również w skład smogu fotochemicznegosmog fotochemicznysmogu fotochemicznego. Będąc silnym utleniaczem, ozon w dużym stężeniu jest szkodliwy dla organizmów: u roślin powoduje zamieranie tkanek liści, u ludzi prowadzi do uszkodzeń układu oddechowego i jest groźny zwłaszcza dla dzieci oraz osób starszych.

ROlm8xreWoHVE
W większych stężeniach ozon może wywoływać wzrost ciśnienia tętniczego, przyspieszenie tętna i obrzęk płuc prowadzący do zgonu. Na zdjęciu RTG widoczny jest śródmiąższowy i pęcherzykowy obrzęk płuc.
Źródło: James Heilman, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑azure

Ozonosfera

W stratosferze znajduje się warstwa ozonu (ozonosferaozonosferaozonosfera), która pełni dwie funkcje:

  • redukuje dopływ do powierzchni Ziemi promieniowania ultrafioletowegopromieniowanie ultrafioletowepromieniowania ultrafioletowego emitowanego przez Słońce, pochłaniając ok. 97% zakresu promieniowania UVB – mutagennegomutagenne czynnikimutagennego dla organizmów;

  • bierze udział w przekształcaniu energii promieniowania UV w energię cieplną (co oznacza, że ozon jest w niewielkim stopniu gazem cieplarnianym).

RTJhVx7xZSpfd
Grafika - w postaci szerokiej strzałki skierowanej w dół - przedstawia warstwy atmosfery ziemskiej. Zaznaczono następujące główne warstwy (od dołu strzałki): troposferę, stratosferę, mezosferę i termosferę. Na samym dole strzałki w warstwie troposfery zaznaczono smugi kondensacyjne na wysokości 6-12 kilometrów, chmury cirrus na wysokości 6-12 kilometrów, balon meteorologiczny na wysokości 40 kilometrów oraz chmury cumulonimbus, znajdujące się bardzo blisko warstwy tropopauzy, górnej warstwy troposfery, leżącej na wysokości 12 kilometrów. Na granicy tropopauzy i stratosfery występują obłoki perłowe (na wysokości 15-25 kilometrów). Tropopauza graniczy ze stratosferą, w której znajduje się warstwa ozonowa. Górną granicą stratosfery jest stratopauza. Występuje ona na wysokości 50 kilometrów. Nad stratosferą znajduje się mezosfera, na wysokości 80 kilometrów wieńczy ją mezopauza. W mezosferze, na wysokości 80 kilometrów, występują obłoki srebrzyste. Nad mezosferą leży gruba warstwa termosfery. Na wysokości 100 kilometrów przebiega linia Kármána. Nad linią Kármána pojawiają się zorze polarne, a powyżej nich, na wysokości 330-410 kilometrów, zaznaczono Międzynarodową Stację Kosmiczną. Górną granicą termosfery jest termopauza, zwana egzobazą, leży na wysokości 350-800 kilometrów. Na ilustracji opisano następujące elementy: 1. Ozonosfera. Wchodzi w skład stratosfery i znajduje się na wysokości od 15 do 35 kilometrów., 2. Tropopauza. To cienka warstwa przejściowa zamykająca troposferę., 3. Stratopauza. To cienka warstwa o stałej temperaturze około 0 stopni Celsjusza zamykająca stratosferę., 4. Mezopauza. To cienka warstwa o stałej temperaturze -90 stopni Celsjusza zamykająca mezosferę., 5. Linia Kármána. To umowna granica pomiędzy atmosferą Ziemi i przestrzenią kosmiczną. Przebiega ona na wysokości 100 kilometrów nad poziomem morza (62,1 mili). Przyjęła ją Międzynarodowa Federacja Lotnicza (FAI), a jej nazwa pochodzi od Theodore’a von Kármána, inżyniera i fizyka zajmującego się aeronautyką., 6. Termopauza. To warstwa zamykająca termosferę.
Warstwy atmosfery ziemskiej.
Źródło: Kelvinsong, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Grubość warstwy ozonu nie jest równomierna – zależy m.in. od szerokości geograficznej, pory roku i dnia, np. na półkuli południowej największe ubytki ozonu występują we wrześniu i październiku, czyli podczas tamtejszej wiosny.

Ozon to gaz nietrwały termicznie, który rozpada się stopniowo do tlenu już w temperaturze pokojowej. Procesy rozpadu i tworzenia cząsteczek ozonu powinny pozostawać we względnej równowadze. Pod koniec lat 70. XX wieku naukowcy zauważyli jednak znaczne zmniejszenie ilości ozonu nad Antarktydą – nawet o 40%. To wtedy narodziło się pojęcie dziury ozonowej, które oznacza spadek stężenia ozonu w stratosferze. Ozon pochłania część promienia ultrafioletowego, które jest szkodliwe dla organizmów (m.in. uszkadza materiał genetyczny). Spadek jego stężenia w stratosferze wiąże się więc ze zwiększoną ilością promieniowania ultrafioletowego przenikającego do powierzchni Ziemi.

bg‑azure

Cykl ozonowo‑tlenowy

Ozon w stratosferze ulega licznym reakcjom, którym towarzyszy przemiana promieniowania ultrafioletowego w energię cieplną. Pierwszy etap polega na pochłonięciu przez cząsteczkę tlenu fotonu promieniowania ultrafioletowego. Podczas tej reakcji dochodzi do rozbicia cząsteczki tlenu (OIndeks dolny 2) na dwa reaktywne atomy (2O), które przyłączają się do innych cząsteczek tlenu (OIndeks dolny 2). W ten sposób powstaje ozon (OIndeks dolny 3). Cząsteczki ozonu (OIndeks dolny 3), podobnie jak tlenu (OIndeks dolny 2), mogą ulec rozpadowi pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (powstanie wówczas tlen cząsteczkowy – OIndeks dolny 2 i reaktywny atom tlenu – O).

Reakcje ozonu i towarzyszące im przemiany promieniowania ultrafioletowego skutkują pochłanianiem wysokoenergetycznego promieniowania (UV‑C i UV‑B), które stanowi zagrożenie dla organizmów. Dzięki przemianom cyklu ozonowo‑tlenowego znaczna część promieniowania o dłuższych zakresach fal zostaje zatrzymana przez atmosferę. W konsekwencji zmniejsza się ilość docierającego do powierzchni Ziemi promieniowania UV‑B i UV‑C.

bg‑azure

Powstawanie dziury ozonowej

Badania mechanizmu powstawania dziury ozonowej doprowadziły naukowców do wniosku, że najbardziej szkodliwe dla ozonosfery są chlorofluorowęglowodory (CFC), czyli freonyfreony (CFC)freony. Są to gazy nieszkodliwe w dolnych warstwach atmosfery, ale w stratosferze – w wyniku rozkładu przez promieniowanie słoneczne – uwalniają chlor, który niszczy ozon w następujących reakcjach:

Cl+O3ClO+O2
ClO+O3Cl+2O2

Jeden atom chloru może rozłożyć ok. 100 tys. cząsteczek ozonu.

R1ejpQrADyPd71
Wykres kołowy.
Źródła chloru w stratosferze
. Lista elementów: HCl; Wartość: 3; Udział procentowy: 3%CH[baseline-shift: sub; font-size: smaller;]3[/subscript]Cl; Wartość: 15; Udział procentowy: 15%HCFC-22; Wartość: 3; Udział procentowy: 3%CFC-113; Wartość: 6; Udział procentowy: 6%CH[baseline-shift: sub; font-size: smaller;]3[/subscript]CCl[baseline-shift: sub; font-size: smaller;]3[/subscript]; Wartość: 10; Udział procentowy: 10%CCl[baseline-shift: sub; font-size: smaller;]4[/subscript]; Wartość: 12; Udział procentowy: 12%CFC-11; Wartość: 23; Udział procentowy: 23%CFC-12; Wartość: 28; Udział procentowy: 28%
Wzory sumaryczne przedstawiają różne substancje rozkładające ozon (w tym freony – CFC): pochodzące ze źródeł naturalnych (HCl i CH3Cl) oraz będące wynikiem działalności człowieka (produkcja polimerów, gazy nośne w aerozolach, ciecze robocze w maszynach cieplnych).
Źródło: Na podstawie World Meteorological Organization, Scientific Assessment of Ozone Depletion, WMO Global Ozone Research and Monitoring Project – Report No. 44, Geneva, 1998.

Jednym z czynników sprzyjających niszczeniu ozonu przez chlor jest niska temperatura panująca w stratosferze. W okolicach biegunów (regularnie nad biegunem południowym, sporadycznie – nad północnym) pod koniec nocy polarnej wynosi ona poniżej -80ºC. Tworzą się wtedy chmury stratosferyczne, złożone z kwasu azotowego (rzadziej siarkowego) i zamarzniętej wody. Na powierzchni kryształków „kwaśnego lodu” zachodzą reakcje powodujące rozkład związków chloru, co prowadzi do uwolnienia jego reaktywnych atomów. Zimą nad Arktyką temperatury są zwykle wyższe, co sprawia, że chmury stratosferyczne tworzą się tam rzadziej. Koncentrację ozonu poniżej 220 DUDUDU, czyli „dziurę ozonową”, na półkuli północnej pierwszy raz (i na razie jedyny) odnotowano dopiero w marcu 2011 r.

R1QbaZRTfp1Qe
Porównanie grubości warstwy ozonowej na półkuli południowej w latach 1979 i 2008. Kolorem fioletowym oznaczono grubość ozonosfery poniżej 100 DU, ciemnoniebieskim – 150 DU; poziom graniczny wynosi 220 DU (średnia grubość to 300 DU).
Źródło: Wikimedia Commons, domena publiczna.
bg‑azure

Ochrona ozonosfery

W latach 80. XX wieku poziom ozonu w stratosferze gwałtownie się obniżał, co skutkowało zwiększeniem dopływu do powierzchni Ziemi promieniowania UVB, które może uszkadzać DNA komórek. Państwa zrzeszone w Organizacji Narodów Zjednoczonych w 1985 r. uchwaliły Konwencję Wiedeńską w sprawie Ochrony Warstwy Ozonowej , a w 1987 r. Protokół Montrealski, ratyfikowane przez wszystkie kraje świata, które zostały zobligowane do stopniowej rezygnacji z produkcji substancji niszczących ozon (ODS – ozone depleting substances), głównie freonów, halonówhalonyhalonówbromku metylubromek metylubromku metylu. Ich zużycie znacząco spadło, nadal jednak postępuje zmniejszenie grubości ozonosfery, gdyż substancje te mają długą żywotność: mogą pozostawać w atmosferze do 100 lat.

Polska, zgodnie z wymaganiami Konwencji, prowadzi badania związane ze stężeniem ozonu w stratosferze. W ramach monitoringu wykonywane są pomiary całkowitej zawartości ozonu, pionowego rozkładu ozonu oraz natężenia promieniowania ultrafioletowego. Co więcej, na podstawie danych satelitarnych wyznaczane są pola całkowitej zawartości ozonu nad Europą. W ramach ochrony ozonu zostały również wycofane ze stosowania tzw. substancje zubożające warstwę ozonową (SZWO). Do tej grupy zaliczane są substancje chemiczne będące pochodnymi węglowodorów alifatycznych, tj. metan, etan czy propan, do których został przyłączony atom chloru, bromu lub fluoru. Związki te zostały zastąpione wodorofluorowęglowodorami, perfluorowęglowodorami (zaliczanymi do substancji z grupy HFC i PFC) oraz węglowodorami (należącymi do grupy HC).

R1O6TJ4yc60bS1
Wykres liniowy. Lista elementów: 1. zestaw danych:Lata: 1986Zużycie substancji niszczących ozon: 1002. zestaw danych:Lata: 1989Zużycie substancji niszczących ozon: 127.653. zestaw danych:Lata: 1990Zużycie substancji niszczących ozon: 75.094. zestaw danych:Lata: 1991Zużycie substancji niszczących ozon: 68.675. zestaw danych:Lata: 1992Zużycie substancji niszczących ozon: 66.036. zestaw danych:Lata: 1993Zużycie substancji niszczących ozon: 58.97. zestaw danych:Lata: 1994Zużycie substancji niszczących ozon: 37.778. zestaw danych:Lata: 1995Zużycie substancji niszczących ozon: 31.279. zestaw danych:Lata: 1996Zużycie substancji niszczących ozon: 22.510. zestaw danych:Lata: 1997Zużycie substancji niszczących ozon: 20.7311. zestaw danych:Lata: 1998Zużycie substancji niszczących ozon: 25.9712. zestaw danych:Lata: 1999Zużycie substancji niszczących ozon: 22.113. zestaw danych:Lata: 2000Zużycie substancji niszczących ozon: 20.2114. zestaw danych:Lata: 2001Zużycie substancji niszczących ozon: 15.9715. zestaw danych:Lata: 2002Zużycie substancji niszczących ozon: 12.516. zestaw danych:Lata: 2003Zużycie substancji niszczących ozon: 13.117. zestaw danych:Lata: 2004Zużycie substancji niszczących ozon: 9.7118. zestaw danych:Lata: 2005Zużycie substancji niszczących ozon: 7.1219. zestaw danych:Lata: 2006Zużycie substancji niszczących ozon: 6.6420. zestaw danych:Lata: 2007Zużycie substancji niszczących ozon: 4.7321. zestaw danych:Lata: 2008Zużycie substancji niszczących ozon: 3.3622. zestaw danych:Lata: 2009Zużycie substancji niszczących ozon: 3.7823. zestaw danych:Lata: 2010Zużycie substancji niszczących ozon: 3.3624. zestaw danych:Lata: 2011Zużycie substancji niszczących ozon: 3.0825. zestaw danych:Lata: 2012Zużycie substancji niszczących ozon: 3.3726. zestaw danych:Lata: 2013Zużycie substancji niszczących ozon: 2.2427. zestaw danych:Lata: 2014Zużycie substancji niszczących ozon: 2.3728. zestaw danych:Lata: 2015Zużycie substancji niszczących ozon: 1.7729. zestaw danych:Lata: 2016Zużycie substancji niszczących ozon: 1.64
Światowe zużycie substancji niszczących ozon (rok 1986 = 100%). Po wzroście w 1987 r. widoczny jest spadek światowej konsumpcji (czyli także produkcji) freonów o 98%.
Źródło: Na podstawie danych UNEP (Ozone Secretariat).

Słownik

bromek metylu
bromek metylu

inaczej bromometan; trujący związek chemiczny wykorzystywany do zwalczania owadów (fumigacji), np. w drewnie; oprócz niszczenia ozonu przyczynia się do ocieplenia klimatu

DU
DU

(ang. Dobson Unit – jednostka Dobsona) dobson, jednostka koncentracji ozonu, nazwana na cześć jednego z badaczy ozonu – Gordona Dobsona; odpowiada liczbie cząsteczek ozonu, które utworzyłyby warstwę grubości 0,01 mm w temperaturze 0ºC i pod ciśnieniem 1 atmosfery (760 mmHg)

freony (CFC)
freony (CFC)

związki chloru, fluoru i węgla, nietoksyczne i niepalne; mają wysoki potencjał niszczenia ozonu i długą żywotność w atmosferze

halony
halony

związki bromu, chloru, fluoru i węgla, dawniej stosowane jako środki gaśnicze; wycofane z użycia (w wyniku ustaleń Protokołu Montrealskiego) ze względu na wysoki potencjał niszczenia ozonu

mutagenne czynniki
mutagenne czynniki

(łac. muto – zmieniam; gr. genos – ród, pochodzenie) czynniki powodujące zmiany (mutacje) w organizmach

ozon
ozon

(gr. ózōn – pachnący) tritlen, OIndeks dolny 3, alotropowa odmiana tlenu o cząsteczce trójatomowej

ozonosfera
ozonosfera

warstwa ozonowa; warstwa zwiększonej koncentracji ozonu w atmosferze (gazowej powłoce Ziemi) znajdująca się na wysokości od 15 do 35 km n.p.m.

promieniowanie ultrafioletowe
promieniowanie ultrafioletowe

ultrafiolet (ang. ultraviolet, UV); promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo krótkich falach (od 10 do 400 nm); UVC (promieniowanie o długości fali od 100 do 280 nm) może uszkadzać DNA w komórkach; UVB (od 280 do 315 nm) pobudza syntezę witaminy D w skórze, ale w zbyt dużej dawce działa mutagennie i wywołuje nowotwory skóry; UVA (od 315 do 380 nm) uszkadza włókna kolagenowe w skórze

smog fotochemiczny
smog fotochemiczny

smog jasny, typu Los Angeles; powstaje w słoneczne dni przy dużym natężeniu ruchu samochodowego; pod wpływem promieniowania słonecznego zanieczyszczenia powietrza (m.in. spaliny) wchodzą w reakcje, tworząc mieszaninę gazów, w skład której wchodzi także ozon

stratosfera
stratosfera

warstwa atmosfery ziemskiej znajdująca się na wysokości od 10 do 50 km n.p.m.; na jej granicy z troposferą leży warstwa ozonowa (ozonosfera), absorbująca słoneczne promieniowanie ultrafioletowe; w stratosferze zachodzi inwersja temperatury (wzrost temperatury powietrza z wysokością)

troposfera
troposfera

najniższa warstwa atmosfery, znajdująca się przy powierzchni Ziemi do wysokości ok. 12 km n.p.m.