Stratosfera - poziom zaawansowany

ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH

POWRÓT do strony głównej działu Stratosfera Zaawansowane

1. Procesy fizyczne zachodzące w stratosferze i rola ruchu lotniczego
Procesy fizyczne zachodzące w stratosferze
Lotnictwo: jego rozwój i wpływ na klimat
Ćwiczenie 1.1
Ćwiczenie 1.2

2. Ozon stratosferyczny, chlorofluorowęglowodory i dziura ozonowa
Ozon stratosferyczny: historia odkrycia, procesy powstawania i pochłanianie promieniowania
Procesy chemiczne z udziałem chloru i powstawanie dziury ozonowej
Chlorofluorowęglowodory (CFC) i wodorochlorofluorowęglowodory (HCFC)
Dziura ozonowa i globalne ocieplenie
Ochładzanie w stratosferze
Ćwiczenie 2.1
Ćwiczenie 2.2

Nasza wiedza na temat ozonu stratosferycznego zaczęła się znacząco powiększać dopiero po roku 1980. Powodem zintensyfikowania badań było odkrycie dziury ozonowej w 1985 r. Niniejszy tekst przedstawia historię badań chemicznych dotyczących stratosfery.

Odkrycie ozonu i pierwsze pomiary

Badania ozonu mają dość długą historię. W 1840 r. chemik Christian Friedrich Schönbein odkrył gaz tworzący się w czasie wyładowań elektrycznych i nazwał go ozonem (czyli pachnącym). Szybko okazało się, że ozon jest naturalnym składnikiem powietrza. Pierwsza metoda pomiaru stężenia tego gazu została opracowana przez samego Schönbeina, ale wkrótce została ona udoskonalona w Obserwatorium Mt. Souris w Paryżu. Stamtąd pochodzi pierwsza seria pomiarowa (1876-1910), która dziś pozwala najlepiej ocenić jakie było stężenie ozonu w warstwie granicznej atmosfery w epoce przed przemysłowej.

1. Christian Friedrich Schönbein
Źródło: serwis internetowy Szwajcarskiej Akademii Nauk

W 1879 r. odkryto, że spektrum promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi wykazuje znaczące załamanie w zakresie UV, a w 1880 r. udowodniono, że ozon silnie pochłania promieniowanie z tego zakresu, i że to on może być za to odpowiedzialny.  Ilość ozonu znajdująca się w niższych warstwach troposfery nie mogła jednak stanowić wyjaśnienia dla małej ilości promieniowania UV docierającego do Ziemi.  Sformułowano zatem założenie, że większość ozonu musi się tworzyć w wyższych warstwach atmosfery. Podstawowe i najważniejsze badania zostały wykonane przez Gordona Dobsona w latach 20. XX wieku. Skonstruował on spektrometr nazwany jego nazwiskiem, który od 1929 r. był używany do pomiarów całkowitego stężenia ozonu, a dziś jest stopniowo zastępowany przez nowocześniejsze metody, ale ciągle pozostaje w użyciu.

2. Spektrometr Dobsona
Autor: Ulf Köhler, DWD Hohenpeissenberg

Jeden z pierwszych sześciu spektrometrów Dobsona był używany w Arosa w Szwajcarii przez Paula Götza i działa tam do dziś, dzięki czemu stacja ta dysponuje najdłuższą na świecie ciągłą serią pomiarową całkowitego stężenia ozonu. Wykres przedstawiający wyniki pomiarów (ryc. 3) pokazuje, że także nad Europą warstwa ozonowa staje się cieńsza. Wartości poniżej 300 dobsonów zanotowano w ostatnich latach w okresie letnim na Hohenpeissenberg, a jest to wartość graniczna, po przekroczeniu której konieczne jest stosowanie środków ochronnych przed promieniowaniem Słońca. W marcu, w czasie tworzenia się dziury ozonowej nad półkulą pn., notowane są wartości rzędu 200 dobsonów, także potencjalnie niebezpieczne dla naszego zdrowia.
W latach 30. XX wieku Götz odkrył, że maksymalne stężenie ozonu występuje prawdopodobnie poniżej wysokości 25 km. Warstwa ozonowa została mniej więcej zlokalizowana, a jej miąższość pomierzona.

3. Seria pomiarowa ozonu z Arosa
Objaśnienia: oś pozioma - lata, oś pionowa - stężenie ozonu w dobsonach
Źródło: ETH Zürich

Reakcje Chapmana

Jak jednak tworzy się i rozpada ozon? W latach 1929-1930 S. Chapman opublikował teorię tworzenia się i zaniku ozonu. Reakcje te są nazywane cyklem Chapmana lub reakcjami Chapmana.
Tlen jest przekształcany w ozon i odwrotnie. Wiązania atomowe są niszczone w czasie fotolizy wywoływanej przez promieniowanie słoneczne. Aby rozbić wiązanie w O₂ energia promieniowania słonecznego musi być wyższa (długość fali poniżej 240 nm) niż  w przypadku ozonu (długość fali poniżej 310 nm). Tworzenie się i rozpad pozostają w równowadze i ostatecznie wyniki reakcji nawzajem się równoważą:

3 O₂ -> 2 O₃ oraz  2 O₃ -> 3 O₂

4. Reakcje Chapmana.
Objaśnienia: photon – foton, depletion – rozpad, formation – tworzenie się
Autor: Elmar Uherek

Pochłanianie UV

To, czy wiązanie atomowe może zostać rozbite przez promieniowanie zależy od tego jaki zakres promieniowania może pochłaniać dana cząsteczka. Tlen pochłania w zakresie wysoko energetycznego UV-C, ozon w zakresie nieco mniej energetycznego UV-B. Promieniowanie o dłuższych zakresach fal częściowo przechodzi przez atmosferę i dociera do powierzchni Ziemi.

Niewielka ilość UV-B dociera jednak do powierzchni Ziemi, dzięki czemu tworzą się rodniki OH, które oczyszczają troposfera. Promieniowanie to ma ponadto bardzo ważne znaczenie dla organizmów żywych; powoduje np. powstawanie opalenizny, ale może także niszczyć DNA.

5. Spektra pochłaniania.
Wykres pokazuje spektra pochłaniania głównych substancji absorbujących promieniowanie słoneczne w wyższych warstwach atmosfery. Krzywa pokazuje do jakich wysokości dociera promieniowanie o danym zakresie fal. Promieniowanie o długości fali poniżej 200 nm jest blokowane już w jonosferze i mezosferze przez azot N2, atomy tlenu O i O2. Promieniowanie o zakresie fal 200-320 nm dociera niżej w stratosferze (poniżej 50 km), gdzie jest w większości pochłaniane przez ozon O3. Natomiast promieniowanie o długości fal powyżej 320 nm dociera do powierzchni Ziemi.

Niszczenie ozonu przez rodniki

Stopniowo okazało się, że wyniki pomiarów koncentracji ozonu nie mogą być wyjaśnione tyko przy pomocy prostych reakcji Chapmana. Od 1970 r. Crutzen, Molina, Rowland (laureaci nagrody Nobla w 1995 r.) i inni naukowcy rozwijali teorię udziału tlenków azotu i rodników halogenowych w reakcjach tworzenia się i rozpadu ozonu. Molina i Rowland już w roku 1974 odkryli, że chlorofluorowęglowodory niszczą ozon.

6. Promieniowanie UV na tle całego spektrum elektromagnetycznego. Zakresy UV są definiowane różnie, np. IPCC definiuje UV-A jako promieniowanie o zakresie fal 315-400 nm.
Objaśnienia: visible - promieniowanie widzialne, infrared - promieniowanie podczerwone
Autor: Elmar Uherek

Ozon jest niszczony nie tylko wskutek fotolizy, ale także wskutek reakcji z udziałem składnika X•, którym może być tlenek azotu NO, rodnik hydroksylowy •OH albo rodnik halogenowy jak Cl• czy Br•. Ponadto występują inne rodniki, o mniejszym znaczeniu, które reagują w ten sam sposób.

W latach 70. XX wieku wiedziano już, że działalność gospodarcza ludzi powoduje uwalnianie do atmosfery związków zawierających halogeny. W związku z tym prognozowano powolny spadek koncentracji ozonu. Jednakże procesy zachodzące w stratosferze nie były jeszcze dostatecznie dobrze poznane i dlatego nie przewidziano tak drastycznego ubytku ozonu i powstania dziury ozonowej nad Antarktydą, jakie odkryto w roku 1985.

7. Reakcje chemiczne prowadzące do niszczenia ozonu

O tej stronie:
Autor: Dr Elmar Uherek, Max Planck Insitute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: Dr. Christoph Brühl - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Konsultacja dydaktyczna: Michael Seesing - Uni Duisburg - 2003-08-07
Ostatnia aktualizacja: 2007-03-15
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków
Redakcja techniczna: Kamil Bodziony, Wojciech Pudło, Uniwersytet Jagielloński, Kraków