www.eprace.edu.pl » ozonosfera » Ozon i jego miejsce w atmosferze » Ozonowy parasol Ziemi

Ozonowy parasol Ziemi

Trój atomowy tlen, czyli ozon nie jest rozmieszczony w atmosferze równomiernie. W ozonosferze, na wysokości 20-35 km nad powierzchnią Ziemi stężenie sięga do około 10 ppm. W czystym powietrzu przy powierzchni Ziemi stężenie nie przekracza 0,05 ppm, w powietrzu zanieczyszczonym 0,5 ppm. (Kożuchowski, 1995)

Mimo że koncentracja ozonu na wysokości 20-35 km staje się bardzo wyraźna, to nie jest jednak jakąś prawdziwą „powłoką”, a ozonu jest w niej nadzwyczaj mało. Podane wartości są to liczby przeciętne- średnie, należy sobie zdawać sprawę z tego, że w różnych rejonach geograficznych Ziemi wysokość występowania jak i grubość warstwy ozonowej jest różna. Na przykład na biegunie, jest ona na wysokości 20 km, u nas na wysokości około 25 km, a na równiku na wysokości około 30 km. Oprócz tego wysokość ozonosfery zmienia się w różnych momentach czasowych. Jest nieco inna w dzień, a inna w nocy, inna latem i zimą.

Średnia stratyfikacja temperatury i koncentracji ozonu (O₃) w atmosferze w zimie (linia ciągła) i w lecie (linia przerywana) do wysokości 34 km; według pomiarów Obserwatorium Meteorologicznego Hohenpeisenberg: Źródło: Niemiecka Służba Meteorologiczna. (Christian- Dietrich Schonwiese, 1997).

Atmosfera Ziemi jest „organizmem” bardzo ruchliwym, zmiennym i podatnym na różne oddziaływania. Warstwa ozonowa ma ok. 20 km grubości. Nazwą tropopauzy obdarzono granicę między troposferą, najniższą warstwą atmosfery, a leżącą nad nią stratosferą. Z kolei stratopauza oddziela stratosferę od mezosfery. Wiadomo, że warstwa ozonowa leży całkowicie w stratosferze. Co więcej, to właśnie ozon jest przyczyną istnienia stratosfery. W dalszej części tego podrozdziału spróbuję odpowiedzieć na pytania: skąd właściwie w atmosferze bierze się ozon i dlaczego na wysokości około 25 km występuje jego koncentracja?

Wiadomo, że tlen jest bardzo aktywnym chemicznie pierwiastkiem, to tym bardziej aktywny musi być ozon. Jego zawartość w danym miejscu i czasie jest wynikiem chwiejnej równowagi między procesami powstawania trójatomowych cząstek tlenu a nieustannym procesem ich rozpadu. Już w 1930 roku na trop wiodący do wyjaśnienia tego zjawiska wpadł S. Chapman. Trafnie wywnioskował, że skoro ozon bardzo silnie pochłania nadfioletowe promieniowanie słoneczne, to musi ono odgrywać jakąś rolę w jego powstawaniu. Okazuje się, że promieniowanie nadfioletowe ma tak dużą energię, iż powoduje rozpad dwuatomowej cząsteczki tlenu na pojedyńcze atomy. Proces ten nazywa się fotodysocjacją. Dziś wiadomo, że proces ten przebiega tylko pod wpływem promieniowania nadfioletowego o długości fali nie większej, niż 0,000242 mm. Promieniowanie o tej długości nie przenika jednak do atmosfery poniżej 20 km wysokości. Toteż fotodysocjacja nie może zachodzić na wysokościach mniejszych. Następnie pojedyńcze atomy tlenu mogą się łączyć z dwuatomowymi jego cząstkami, w wyniku czego powstaje trzyatomowa cząstka ozonu. Proces ten zapisany symbolami chemicznymi ma postać:

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

O + O₂ + M = O₃ + M

Warunkiem powstania tlenu trójatomowego jest ponadto dostatecznie gęsta atmosfera, umożliwiająca duże prawdopodobieństwo wystąpienia tzw. potrójnych zderzeń cząstek tlenu O₂ z atomami tlenu O i cząsteczką neutralną M ( np. N₂ ). ( Kożuchowski, 1995)

Intensywne tworzenie się cząsteczek ozonu zachodzi w górnych rejonach stratosfery. Cięższe od tlenu jedno-, czy dwuatomowego, opadają one, w wyniku czego w niższych rejonach stratosfery jest ich więcej, niż w wyższych. Cząsteczki ozonu nie są jednak trwałe a przeciętny czas życia cząstki O₃ w atmosferze wynosi kilka miesięcy (Dziewulska-Łosiowa, 1991). Wręcz przeciwnie, są one mniej trwałe niż cząsteczki tlenu. Również i one rozpadają się pod wpływem promieniowania nadfioletowego Słońca, przy czym są nawet wrażliwsze na promieniowanie o większej długości fali- przenikające do niższych warstw atmosfery, niż promieniowanie o mniejszej długości fali. (Marks 1992) Cały ten proces najlepiej zobrazuje poniższy rysunek.

Globalnie, w procesie powstawanie- rozpad bierze udział ok. 76*10⁶g ozonu w ciągu jednej sekundy (Wielgosiński i Skrzypski, 1993 ).

Proces ten wyraża wzór chemiczny: O₃ + światło = O₂ + O

Każdego dnia ozon tworzy się dzięki reakcjom sterowanym przez intensywne światło słoneczne. Pewna część całego ozonu w stratosferze jest niszczona przez reakcje z substancjami chemicznymi występującymi w sposób naturalny w stratosferze. Wytwarzana ilość jest mniej lub bardziej stała, podczas gdy ilość niszczona zwiększa się, kiedy powiększa się ogólna ilość ozonu. Ilość ozonu wzrasta aż do momentu, gdy część ozonu wytwarzanego równa się części ozonu niszczonego i dochodzi wtedy do stanu przybliżonej równowagi (Frior, 1994), w wyniku której pojawia się stabilnie istniejąca warstwa ozonu w ziemskiej atmosferze.

Ilość zawartego w atmosferze ozonu podawana w „jednostkach Dobsona”.

1 dobson (du) = 1milicentyatmosfera, jednostka odpowiadająca ciśnieniu, wywieranemu przez masę ozonu, zajmującą 1 cm³, w warunkach normalnych tzn. przy ciśnieniu 1 atmosfery i temperaturze 0^o C. Nazwa jednostki pochodzi od nazwiska G.M.B. Dobsona, wynalazcy spektofotometru, służącego do pomiarów ozonu. (Kożuchowski, 1995)

Dla przykładu – liczba 320 JD oznacza grubość warstwy ozonu 3,2 milimetra

( 320 x 0,01 = 3,2 mm )

Mapa ukazująca rozkład ozonu stratosferycznego. (Marks, 1992)

Jak widać najmniej ozonu jest w atmosferze ziemskiej w rejonach przyrównikowych, a w miarę oddalania się od równika ku biegunom ilość jego wzrasta. Może to wydawać się dziwne, bo insolacja atmosfery ziemskiej jest w okolicach przyrównikowych znacznie silniejsza, niż w okolicach przybiegunowych, skutkiem tego powinno być wzmożone wytwarzanie właśnie w okolicach równikowych, a więc właśnie nad równikiem powinna być najgrubsza warstwa ozonu. I tak jest- ozon powstaje przede wszystkim w rejonach przyrównikowych ziemskiej atmosfery, ale nie pozostaje w tych regionach, lecz na skutek występujących w stratosferze prądów powietrznych przemieszcza się ku biegunom. Należy tutaj dodać, że w rejonach okołobiegunowych promieniowanie słoneczne jest dużo słabsze, niż w równikowych, toteż słabsze jest jego oddziaływanie destrukcyjne na cząsteczki ozonu, dzięki temu może on się gromadzić w atmosferze w większej ilości. Także w rejonach podbiegunowych temperatura atmosfery w obszarze ozonosfery jest niższa, niż w regionach podzwrotnikowych, a w niższej temperaturze ozon jest trwalszy i trudniej ulega zanikowi.

Wydawać by się mogło, że skoro nasłonecznienie odgrywa kluczową rolę w tworzeniu ozonu to najwięcej jest go w ozonosferze latem i jesienią, kiedy insolacja jest największa, a najmniej zimą. Niestety tak nie jest. Dzieje się tak dlatego, że choć w zimie produkcja ozonu w atmosferze jest mniej intensywna, to jednak w niższej temperaturze, jak już pisałem jest on trwalszy i może się kumulować. I odwrotnie, latem co prawda produkcja ozonu jest najintensywniejsza, ale jest on wtedy najmniej trwały, w znacznej mierze dzięki wyższej temperaturze w ozonosferze. Dlatego najwięcej ozonu jest na początku wiosny, a najmniej pod koniec jesieni.

W rejonach polarnych stężenie ozonu w ciągu pierwszych dni wiosny potrafi wzrosnąć o 50%; notowano wahania dzienne w granicach 25%. Na pewnych szczególnych wysokościach mogą być jeszcze większe wahania; np. ośmiokrotny wzrost w ciągu kilku dni w dolnej stratosferze. Największe stężenie pionowe przypada na wysokości pomiędzy 20 a 26 kilometrem. Półkula północna ma więcej ozonu niż południowa. Cechują ją trzy maksima, nieco na północ od 60 równoleżnika: nad wyspą Baffina, nad środkową Syberią i nad północną Skandynawią. Na półkuli południowej jedno szerokie maksimum przypada na 60 równoleżnik na południowy- wschód od Australii. Maksima, podobnie jak zmiany dzienne, są skutkiem przemieszczania się ozonu wskutek wciąż zmiennych warunków meteorologicznych. Istnieje korelacja między stężeniem ozonu a ciśnieniem na poziomie tropopauzy. Układ niskiego ciśnienia wymusza ruch bogatego w ozon powietrza z wysokości 15-20 km w dół, do dolnej stratosfery; gęstość kolumny ozonowej wzrasta. Na odwrót w wyżu. Prędkość pionowego ruchu powietrza może osiągnąć 1 km/dobę. Kształt warstwy ozonowej zależy od szerokości geograficznej. W tropikach tropopauza sięga wysoko, nawet 16 km nad poziomem morza. Warstwa ozonowa jest wąska, z maksimum na 26 kilometrze. Ruch mas powietrza jest skierowany ku górze, przeciwnie do dyfuzyjnego przemieszczania się ozonu. Stężenie ozonu wzrasta równomiernie. Ozon nie przedostaje się do troposfery, natomiast podlega południkowemu transportowi ku biegunom, wspomaganemu przez dyfuzję wirową. W miarę wędrówki warstwa ozonowa poszerza się i obniża. Na wyższych szerokościach geograficznych ma budowę postrzępioną; warstwy uboższe i bogatsze w ozon przeplatają się dając efekt przekładańca. Maksimum przypada tutaj na niższe wysokości: 20-23 km (tropopauza ku biegunom też się obniża; do 6 km). Stężenie ozonu nad tropopauzą wzrasta szybko. Gradient stężeń, wspomagany przez ruch wielkich mas powietrza, wymusza cyrkulację ozonu w dół, ku tropopauzie. Przemieszczanie się tropopauzy w skutek procesów wymiany ciepła sprawia, że porcje powietrza bogatego w ozon przedostają się do troposfery. Obieg mas powietrza jest na obu półkulach podobny, ale nie jednakowy, w obu przypadkach pod decydującym wpływem warunków meteorologicznych. (Niedzielski i Gierczak, 1992)

Jak już wcześniej pisałem ozon występuje jednak nie tylko w ozonosferze, lecz także przy powierzchni Ziemi. Badania wykazały, że ozon stanowi istotny składnik smogu wielkomiejskiego. Powstaje on w wyniku fotodysocjacji przez promienie słoneczne chemikaliów obecnych w smogu, nad wielkimi miastami. W przyziemnej warstwie powietrza w Los Angeles ozon czasami może osiągać taką samą koncentrację jak w ozonosferze. W troposferze znajduje się ok. 10% ozonu, pozostałe 90% znajduje się w stratosferze. Jednakże od niedawna, na wskutek destrukcyjnej działalności człowieka obserwuje się powolne, lecz stałe, zwiększanie się ilości ozonu w dolnych warstwach atmosfery o grubości od 1 do 1,5 kilometra. Należy tu wspomnieć o jego niszczącej naturze. Działa on bardzo korodująco na wiele tworzyw sztucznych- metalicznych, ceramicznych i plastycznych (między innymi niszczy gumę, a więc i opony samochodowe). Nie trzeba więc uświadamiać jak fatalny wpływ ma na żywą przyrodę, a więc i na ludzi. Można by pomyśleć, że przyrost ozonu w dolnych warstwach troposfery, wyrówna jego ubytek w ozonosferze. Po części tak jest, lecz należy wyjaśnić, że aby wyrównać utratę 10% ozonu w stratosferze, należałoby zwiększyć jego zawartość w troposferze o 25%, a to byłoby bardzo szkodliwe, a wręcz zabójcze dla organizmów żywych.

komentarze

Przeszukaj ePrace

Copyright © 2008-2010 EPrace oraz autorzy prac.