www.eprace.edu.pl » ozonosfera » Dziura ozonowa » Dziura ozonowa nad Antarktydą

Dziura ozonowa nad Antarktydą

Od 1930 roku prowadzone są systematyczne badania zawartości ozonu w atmosferze, które odkryły pewne prawidłowości. Stwierdzono, że w ciągu roku dość regularnie występuje okres najmniejszego i największego jego stężenia. Ponieważ zmiany te zachodziły regularnie z roku na rok, nie wzbudzało to żadnych podejrzeń, gdyż miało charakter zjawiska normalnego. Lecz w sierpniu 1981 roku, amerykański uczony Donald Heath, pracujący w amerykańskiej agencji NASA, podał do wiadomości, że opracowując ciąg pomiarów wykonywanych przez satelitę Nimbus 7 stwierdził spadek stężenia ozonu w atmosferze o 1% i wyraził przypuszczenie, że zjawisko to będzie się nadal pogłębiać. Jednakże jeden procent to za mało, i sygnał ten został zignorowany. Okazało się, że w kilka miesięcy później- w marcu 1982 roku- zaczęto przewidywać pięcio a nawet dziewięcio procentowy spadek zawartości ozonu. Był to sygnał alarmowy, że z ozonosferą dzieje się coś niedobrego. Prawdziwy alarm nadszedł z angielskiej stacji naukowej na Antarktydzie położonej w Halley Bay, w której określano zawartość ozonu ziemskiej atmosferze. Posługiwano się w tym celu standardowym spektofotometrem Dobsona. Systematyczne pomiary wykazywały dobrze znaną prawidłowość- coroczny spadek ozonu na wiosnę, a następnie powrót jego ilości do stanu normalnego. Jednakże spadek ozonu w 1982 roku okazał się większy niż poprzednio, w 1983 jeszcze większy, a w 1984 jeszcze bardziej się powiększył. Na stacji Halley Bay od początku wykonywania pomiarów obserwowano w zimie i na początku wiosny zawartość ozonu w wysokości około 300 Dobsonów i wzrastało do 400 jednostek na początku lata. Lecz w 1984 roku Farman (brytyjski naukowiec z Uniwersytetu w Cambidge) zmierzył na wiosnę spadek zawartości ozonu do 140 jednostek Dobsona.

Odkrycie było tak szokujące, że podejrzewano raczej błąd urządzeń pomiarowych, tym bardziej że pomiary ozonu prowadzone są równolegle przez satelitarną stację meteorologiczną NASA (Agencja Badań Przestrzeni Kosmicznej) niczego takiego nie wskazywały. (Kalinowska, 1995)

Gdy zaczęto analizować cały ciąg pomiarowy okazało się, że spadek ozonu zaczął się już w 1977 roku, a jego ilość nie wraca już do wartości z lat poprzednich. Jednak zanim Joe Farman ogłosił swoje odkrycie, postanowił je sprawdzić, porównując wyniki swoich pomiarów z wynikami pomiarów wykonywanych w najbliższej stacji prowadzącej analogiczne badania. Stacja taka znajdowała się na Argentine Island w odległości 1600 kilometrów.

Gdy porównano ciągi obserwacyjne z obu stacji okazało się, że na Argentine Island też nastąpił spadek zawartości ozonu, w tym samym okresie i w tym samym stopniu. Dłużej już nie można było wątpić. W sierpniu Joe Farman ogłosił swoje odkrycie.(...) Zresztą nie tylko J. Farman zauważył ten zanik ozonu. Pracę na ten temat ogłosił w 1984 roku również japoński uczony Shigeru Chubachi, w oparciu o wyniki pomiarów prowadzonych w japońskiej stacji badawczej Syowa. Wyniki jego pomiarów nie były jednak tak alarmujące, a zwłaszcza, nie zaznaczała się tak wyraźnie tendencja do systematycznego zmniejszania się- z roku na rok- ilości ozonu. Było to jednak spowodowane tym, że stacja japońska znajdowała się w znacznie większej odległości od bieguna, niż stacja brytyjska, toteż znalazła się ona na „krawędzi” zaczynającej się wówczas formować „dziury ozonowej”, w związku z czym nie wystąpił jeszcze wtedy nad nią tak drastyczny spadek ilości ozonu. (Marks 1992)

Aby dokładniej zbadać problem zaczęto pośpiesznie analizować cały materiał naukowy dotyczący tego zjawiska. W pierwszej kolejności wykorzystano dane satelitarne z satelity Nimbus 7. Okazało się, że przyrządy pomiarowe, też wskazywały na zanik ozonu, tylko że komputery odrzuciły wynik, bo nie był przewidziany w programie. Opracowywaniem dostarczanych przez niego danych pomiarowych zajmował się w NASA Donald Heath. Opracował on więc dane pod kątem wyznaczenia zawartości ozonu ponad Antarktydą. Wyniki były rewelacyjne. Zdjęcia dziury ozonowej były bardzo sugestywne, i przemawiające do wyobraźni.

Rozwój dziury ozonowej nad Antarktydą (www.epa. gov/ozone/science/hole/size.html)

Powyższe zdjęcia ukazują stopniowy zanik ozonu nad rejonem Antarktydy. Jak widać coroczny ubytek ozonu jest bardzo duży. Antarktyda jest bowiem kontynentem o rozmiarach prawie dwa razy większych od rozmiarów Australii, ma powierzchnię ok. 14 mln km². Dziura ozonowa nad Antarktydą nie jest więc jakimś małym lokalnym zakłóceniem, lecz jest to zjawisko olbrzymie. Nie jest to też chwilowe zakłócenie, ale zjawisko które pojawia się co roku i to w coraz większych rozmiarach i na coraz dłużej. Opracowane dane pomiarowe przez Donalda Heatha wykazały, że w latach 1970-1981 średnia zawartość ozonu zmniejszała się corocznie o 0,15%, a po roku 1981 nawet 0,5%. Niestety okazało się również, że choć dziura ozonowa latem zanika, to jednak ilość ozonu nie wzrasta już do wartości takiej, jak w latach poprzednich, ale za każdym razem jest mniejsza.Przez następne lata „dziura” nad biegunem powiększała się tak, że w październiku 1987 roku ilość ozonu była tam o 50% mniejsza niż przed jej odkryciem.

Na początku roku 1992 obserwowano nieprzewidywanie wysokie stężenia chloru w stratosferze na półkuli północnej i to nie tylko nad Arktyką. W dniu 12 stycznia 1992 stwierdzono pasmo chloru w miejscu zupełnie niewiarygodnym, nad Morzem Karaibskim.(...) Jak można było się spodziewać, wiosną 1992 nad Europą warstwa ozonu był już zubożona o 10-18%. Zresztą nad Antarktydą też sytuacja pogorszyła się wyraźnie. Jesienią 1992 dziura pojawiła się wcześniej. We wrześniu była już głębsza niż w poprzednim roku, powierzchnia dziury była 65 razy większa niż obszar Polski (ok. 20 mln km²), a ubytek ozonu był bardzo duży.(...) Kolejny rekord wykryto następnej jesieni: 6 paźdzernika 1993- w atmosferze nad Antarktydą zostało ozonu zaledwie 94 jednostek Dobsona. (Urmiński 1995)

Powyższy wykres wyraźnie ukazuje postępujący zanik ozonu nad Antarktydą a najnowsze doniesienia o rozmiarach dziury ozonowej są jeszcze gorsze.

W 2001 roku dziura w warstwie ozonu nad Antarktydą zajmowała powierzchnię 28, 3 miliona kilometrów kw. – zmierzył to satelita NASA. Poprzednim rekord wynosił 27, 2 miliona km.kw., a było to w 1998 r. (www.wiadomości.tvp.pl) Jak widać sytuacja bardzo się pogorszyła - dziura ozonowa powiększyła się o 40% w stosunku do roku 1992. Jednakże nasuwa się pytanie: dlaczego dziura ozonowa powstaje wiosną nad Antarktydą? Przecież kończy się wtedy noc polarna i pojawiają się promienie słoneczne, które powodują powstawanie cząsteczek ozonu. Cykl ewolucji dziur ozonowych związany jest z obecnością tzw. polarnych obłoków stratosferycznych.

Zimowe obłoki stratosferyczne, znane od dawna jako chmury iryzujące, nie są zjawiskiem powszechnym- ponad troposferą zawartość wody zmniejsza się o około 1000 razy. Uwagę badaczy, którzy analizowali dane z satelity Nimbus 7 przykuł jednak inny rodzaj obłoków. Odkryli, że w podbiegunowej stratosferze można zimą wyróżnić chmury złożone z drobnych kryształków hydratu (wodzianu) kwasu azotowego; związek ten zestala się łatwiej niż woda. Jak wskazały dalsze badania, rolę zalążków krystalizacji spełniają drobiny kwasu siarkowego o rodowodzie zarówno naturalnym (erupcje wulkaniczne) jak i antropogenicznym (zanieczyszczenia przemysłowe).

Badania laboratoryjne prowadzone przez Mario Molinę dowiodły, że zarówno na drobinach lodu, jak i hydratu kwasu azotowego zachodzi w ciągu długiej nocy polarnej niebezpieczny proces. Powierzchnia mikrokryształków okazuje się dobrym środowiskiem dla wzajemnej reakcji cząsteczek chlorowodoru i azotanu chloru (ClONO₂). W fazie gazowej szybkość tego procesu jest bardzo mała, tutaj jednak chlorowodór występuje jako ciało stałe:

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

Produktem jest cząsteczkowy chlor, który ulega fotochemicznemu rozpadowi na wolne atomy, gdy tylko pierwsze promienie słońca zaczynają penetrować obłok stratosferyczny, utrzymywany w okolicach podbiegunowych przez silne wirowe ruchy powietrza. Obłok niknie wreszcie w wiosennym cieple. Uwolnione atomy chloru reagują z ozonem w „tradycyjny” sposób, tworząc tlenek chloru (ClO) i cząsteczkowy tlen. Jednakże na tym proces ten się nie kończy. Jak odkrył Molina, cząsteczki ClO podlegają w warunkach wiru polarnego tzw. dimeryzacji:

ClO + ClO → Cl₂O₂

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

Proces ten obrazuje poniższe zdjęcie.

Łańcucha tego nie może zatrzymać reakcja ClO z NO₂, bowiem cały dwutlenek azotu został przekształcony w kwas azotowy. Południowy wir polarny zanika dopiero w listopadzie, u progu lata. Bogate w ozon powietrze znad strefy umiarkowanej „zabliźnia dziurę nad Antarktydą. Zarazem jednak powietrze znad bieguna, o znacznej obniżonej zawartości ozonu, rozprowadzane jest ku niższym szerokościom, ponad tereny zaludnione, które tracą w ten sposób skuteczną ochronę przed silnym, letnim promieniowaniem ultrafioletowym. („Wiedza i Życie”, nr 4/1996)

Nad północnym biegunem Ziemi obraz sytuacji jest inny, ponieważ półkule ziemskie nie są symetryczne.Równik nie jest w tej samej płaszczyźnie co orbita dookoła Słońca a orbita jest eliptyczna. Łączny skutek jest taki, że zmiany sezonowe są ostrzejsze na półkuli południowej. Zima antarktyczna jest surowsza niż arktyczna. (Niedzielski i Gierczak 1992)

Tworzący się zimą wir powietrzny nad Antarktydą.(Niedzielski i Gierczak, 1992)

Wydawać by się mogło, że skoro dziura ozonowa jest nad Antarktydą to jest to zjawisko zupełnie niegroźne dla nas, ponieważ jest to bardzo daleko i nikt tam nie mieszka (oprócz naukowców). Ale obecnie obszar, jaki zajmuje dziura ozonowa jest tak wielki, że obejmuje swym zasięgiem nie tylko Antarktydę, lecz również Australię i południową część Ameryki Południowej. Oprócz tego geofizycy i meteorologowie z Europy i Ameryki Północnej alarmowali opinię publiczną, że obserwują zmniejszanie się z roku na rok ilości ozonu w atmosferze nad północną półkulą Ziemi. Poprzez sieć GOOS (Global Ozone Observing System, oddział Meteorological Organization z siedzibą w Genewie) dane takie napłynęły z obserwatoriów geofizycznych z półkuli północnej. Na większości jej obszaru średnia styczniowa ilości ozonu była w 1992 roku wyraźnie mniejsza od średniej styczniowej z lat ubiegłych. Również u nas w Polsce, na podstawie pomiarów prowadzonych w Belsku, potwierdzano te tendencje. Rodzaj paniki wybuchł w lutym 1992 roku, gdy prasa doniosła, że dziura ozonowa (191 Dobsonów, gdy norma dla tego miesiąca wynosi ok. 350 Dobsonów) pojawiła się nad Polską. Spowodowało to, że konsekwentnie trwająca od dwudziestu paru lat stała tendencja spadkowa ozonu w atmosferze i wszelkie zakłócenia w stratosferze ponad naszymi głowami są czymś alarmującym.