Ozon i zmiana klimatu

Protok贸艂 montrealski to dotychczas najbardziej udany globalny traktat 艣rodowiskowy. Dzi臋ki bezprecedensowej wsp贸艂pracy rz膮d贸w, naukowc贸w i przemys艂u skutecznie wycofano z obiegu substancje zubo偶aj膮ce warstw臋 ozonow膮. W wi臋kszo艣ci region贸w 艣wiata uda艂o si臋 zatrzyma膰 spadek koncentracji tego gazu w atmosferze. Jednak warstwa ozonowa jest wci膮偶 atakowana przez aktywne zwi膮zki chloru i bromu, pochodz膮ce z obficie stosowanych w przesz艂o艣ci produkt贸w, takich jak aerozolowe materia艂y p臋dne, czynniki ch艂odnicze, pestycydy, rozpuszczalniki i ga艣nice. Ze wzgl臋du na d艂ugi czas 偶ycia wielu z tych substancji, oczekuje si臋, 偶e ich skutki chemiczne utrzymaj膮 si臋 jeszcze przez 50 100 lat. Tegoroczny Mi臋dzynarodowy Dzie艅 Ochrony Warstwy Ozonowej, odbywaj膮cy si臋 pod has艂em 鈥濵ontreal Protocol@35: global cooperation protecting life on earth鈥, przypomina nam, 偶e mimo 35 lat globalnej wsp贸艂pracy, warstwa ozonowa wymaga dalszej ochrony dla przysz艂ych pokole艅.

Protok贸艂 montrealski to dotychczas najbardziej udany globalny traktat 艣rodowiskowy. Dzi臋ki bezprecedensowej wsp贸艂pracy rz膮d贸w, naukowc贸w i przemys艂u skutecznie wycofano z obiegu substancje zubo偶aj膮ce warstw臋 ozonow膮. W wi臋kszo艣ci region贸w 艣wiata uda艂o si臋 zatrzyma膰 spadek koncentracji tego gazu w atmosferze. Jednak warstwa ozonowa jest wci膮偶 atakowana przez aktywne zwi膮zki chloru i bromu, pochodz膮ce z obficie stosowanych w przesz艂o艣ci produkt贸w, takich jak aerozolowe materia艂y p臋dne, czynniki ch艂odnicze, pestycydy, rozpuszczalniki i ga艣nice. Ze wzgl臋du na d艂ugi czas 偶ycia wielu z tych substancji, oczekuje si臋, 偶e ich skutki chemiczne utrzymaj膮 si臋 jeszcze przez 50 100 lat. Tegoroczny Mi臋dzynarodowy Dzie艅 Ochrony Warstwy Ozonowej, odbywaj膮cy si臋 pod has艂em 鈥濵ontreal Protocol@35: global cooperation protecting life on earth鈥, przypomina nam, 偶e mimo 35 lat globalnej wsp贸艂pracy, warstwa ozonowa wymaga dalszej ochrony dla przysz艂ych pokole艅.


Zdj臋cia:

  1. Monitoring i prognoza powierzchni dziury ozonowej nad p贸艂kul膮 po艂udniow膮 na podstawie po艂膮czonych pomiar贸w satelitarnych i numerycznych modeli CAMS. Pokazano powierzchni臋 dziury ozonowej (w milionach km2) na tle statystyki z lat 1979-2019. Dziura jest obliczana jako obszar z ca艂kowit膮 zawarto艣ci膮 ozonu w atmosferze poni偶ej 220D, na po艂udnie od 60潞S. Dla por贸wnania odci臋ta linii poziomej (w kolorze szarym) jest r贸wna powierzchni kontynentu Antarktydy. 殴r贸d艂o Copernicus ECMWF.聽
  2. Ilustracja aktualnego stanu dziury ozonowej nad Antarktyd膮. Fioletowe i niebieskie kolory pokazuj膮 obszary z najmniejsz膮 ilo艣ci膮 ozonu (warto艣ci w jednostkach Dobsona, 1DU = 2,69脳1020 cz膮steczek O3/m2). 殴r贸d艂o: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/.

呕ycie na Ziemi mo偶e si臋 rozwija膰 dzi臋ki promieniowaniu s艂onecznemu, jednak bez obecno艣ci warstwy ozonowej energia emitowana ze S艂o艅ca by艂aby dla naszej planety zab贸jcza. Poniewa偶 ozon w pionowych warstwach atmosferycznych powstaje i jest niszczony przez r贸偶ne reakcje fotochemiczne 鈥 i emisje prekursor贸w zar贸wno ze 藕r贸de艂 naturalnych, jak i antropogenicznych 鈥 zmienno艣膰 czasowa koncentracji tego gazu (w skalach czasowych sezonowych, mi臋dzyrocznych i dekadowych) w du偶ym stopniu zale偶y od po艂o偶enia (wysoko艣ci) cz膮steczek ozonu w atmosferze. Przy powierzchni gaz ten jest wt贸rnym zanieczyszczeniem powietrza, niekorzystnie wp艂ywaj膮cym na zdrowie ludzi, naturaln膮 ro艣linno艣膰 oraz plony. Z kolei w okolicy tropopauzy ozon poch艂ania promieniowanie podczerwone (termiczne Ziemi i atmosfery), powoduj膮c wzrost temperatury w ni偶szych warstwach atmosfery. Natomiast zasadnicza naturalna warstwa ozonowa, zlokalizowana w stratosferze (10-50 km), zatrzymuje szkodliw膮 cz臋艣膰 promieniowania s艂onecznego (pasma UV) i umo偶liwia utrzymywanie si臋 偶ycia na naszej planecie w znanej nam formie od oko艂o 600 milion贸w lat. Im cie艅sza jest warstwa ozonowa, tym wi臋cej promieniowania UV-B dociera do powierzchni Ziemi. U ludzi nadmierna eskpozycja na s艂oneczne promieniowanie ultrafioletowe mo偶e powodowa膰 oparzenia s艂oneczne, za膰m臋, mutacje genetyczne i raka sk贸ry. Znaczne szkody mo偶e poczyni膰 r贸wnie偶 w organizmach l膮dowych i morskich, w tym male艅kim fitoplanktonie, kt贸ry stanowi podstaw臋 oceanicznego 艂a艅cucha pokarmowego. Ozon jest r贸wnie偶 bardzo silnym utleniaczem przyczyniaj膮cym si臋 do produkcji rodnik贸w OH w g贸rnej troposferze, te za艣 pe艂ni膮 rol臋 detergentu usuwaj膮cego zanieczyszczenia nierozpuszczalne w wodzie.

Pomiary ozonu w Polsce

Ju偶 na pocz膮tku lat 70. ubieg艂ego wieku pomiary prowadzone w umiarkowanych szeroko艣ciach geograficznych p贸艂kuli p贸艂nocnej, w tym na polskiej stacji IGF PAN w Belsku, wykaza艂y spadkowy trend zawarto艣ci ozonu w atmosferze. Wyniki te przyczyni艂y si臋 do intensyfikacji bada艅 w dziedzinie chemii atmosfery. W 1974 roku odkryto, 偶e emitowane przez cz艂owieka zwi膮zki chloru (CFC 鈥 znane jako freony) stanowi膮 zagro偶enie dla warstwy ozonowej. Kiedy substancje te po kilku latach docieraj膮 do stratosfery, promieniowanie ultrafioletowe ze S艂o艅ca powoduje powolny ich rozpad i uwalnianie atom贸w chloru i bromu, kt贸re reaguj膮 z ozonem. Wywo艂ywane w ten spos贸b chemiczne cykle niszczenia ozonu zubo偶aj膮 ochronn膮 warstw臋 ozonow膮. Obliczono, 偶e pojedynczy atom chloru mo偶e zniszczy膰 ponad 100 tysi臋cy cz膮steczek ozonu, a bromu blisko 50 razy wi臋cej! (na szcz臋艣cie ilo艣膰 zwi膮zk贸w zawieraj膮cych brom jest w atmosferze znacznie ni偶sza ni偶 w przypadku CFC). W ko艅cu lat 70. ubo偶enie warstwy ozonowej sta艂o si臋 problemem globalnym . Od 1979 roku na stacji w Legionowie wykonywane s膮 regularne, cotygodniowe pomiary elektrochemiczn膮 sond膮 ozonow膮 unoszon膮 balonem. Dane sonda偶owe s膮 wykorzystywane m.in. do 艣ledzenia trend贸w ozonu, badania proces贸w fotochemicznego niszczenia gazu w arktycznym wirze polarnym oraz do walidacji satelitarnych pomiar贸w ozonu.

Dlaczego dziura ozonowa pojawia si臋 tylko w rejonie Antarktydy?

Obserwacje z pocz膮tku lat 80. potwierdzi艂y, 偶e podczas wiosny na p贸艂kuli po艂udniowej (wrzesie艅-pa藕dziernik) ca艂kowita koncentracja ozonu nad Antarktyd膮 dramatycznie si臋 zmniejsza. To nieobserwowane wcze艣niej zjawisko spadku ozonu w kolumnie atmosfery poni偶ej 220 DU (DU, jednostka koncentracji ozonu w atmosferze nazywana Dobsonem), tj. 50-70 proc. poni偶ej normy, nazwane zosta艂o 鈥瀌ziur膮 ozonow膮鈥. Szerzej o mechanizmie powstawania dziury ozonowej przeczytacie w https://obserwator.imgw.pl/dziura-ozonowa-2020-rozlegla-i-gleboka-ale-czy-rekordowa/.

Niszczenie warstwy ozonowej nad Arktyk膮 jest mniejsze ni偶 nad Antarktyd膮 i wykazuje wi臋ksze wahania z roku na rok z powodu wysoce zmiennych warunk贸w meteorologicznych w rejonach polarnych p贸艂kuli p贸艂nocnej. W marcu i kwietniu 2021 roku nad Arktyk膮 po raz pierwszy w historii obserwacji pojawi艂y si臋 wyra藕ne oznaki dziury ozonowej. Ale nawet najwi臋ksze ubytki ozonu nie prowadz膮 tu do takich spadk贸w jak nad Antarktyd膮, poniewa偶 generalnie zawarto艣膰 ozonu zim膮 nad Arktyk膮 jest znacznie wi臋ksza ni偶 w rejonach polarnych p贸艂kuli po艂udniowej.

Dlaczego dziura ozonowa nie jest g艂贸wnym powodem zmiany klimatu?

W normalnych warunkach warstwa ozonowa blokuje szkodliw膮 cz臋艣膰 UV, a dziura ozonowa pozwala na dotarcie do powierzchni wi臋kszej ilo艣ci 艣wiat艂a UV ni偶 zwykle. Jednak ta dodatkowa energia dodana do systemu klimatycznego Ziemi jest tak ma艂a, 偶e nie mo偶e by膰 odpowiedzialna za globalne ocieplenie, kt贸re ma obecnie miejsce. Przyczyna jest do艣膰 trywialna. Ot贸偶 zdecydowana wi臋kszo艣膰 艣wiat艂a s艂onecznego to 艣wiat艂o widzialne, kt贸re mo偶emy zobaczy膰 go艂ym okiem, o d艂ugo艣ci fali 400-700 nanometr贸w. UV stanowi tylko oko艂o 8 proc. ca艂ego spektrum s艂onecznego, a warstwa ozonowa i tlen (oba te gazy poch艂aniaj膮 promieniowanie UV) pozwalaj膮 tylko u艂amkowi tej cz臋艣ci dotrze膰 do powierzchni.

Interakcje ozonu z klimatem

Ozon atmosferyczny ma wielorakie powi膮zania z klimatem. Samo istnienie warstwy ozonowej, kt贸ra poprzez poch艂anianie UV tworzy w przybli偶eniu izotermiczn膮 doln膮 stratosfer臋, stabilizuje klimat (np. bez ograniczenia zasi臋gu konwekcji do wysoko艣ci tropopauzy, tj. 6-18 km, burze na Ziemi by艂yby du偶o bardziej intensywne). W zale偶no艣ci od ilo艣ci ozonu zmienia si臋 rozk艂ad temperatury i st臋偶enie substancji 艣ladowych w stratosferze, co zreszt膮 powoduj臋 sprz臋偶enie zwrotne. Kiedy tworzy si臋 wiosenna dziura ozonowa, koncentracja ozonu w warstwie 15-25 km silnie spada, czasami wi臋cej ni偶 90 proc. poni偶ej normy. Te spadki powoduj膮 w ci膮gu ostatnich kilku dekad nasilanie si臋 trendu wych艂odzenia dolnej stratosfery polarnej i intensyfikacj臋 cyrkulacji atmosferycznej na p贸艂kuli po艂udniowej w sezonie wiosennym. To z kolei wp艂ywa na klimat, g艂贸wnie latem. Przewa偶aj膮ce wiatry zachodnie na 艣rednich szeroko艣ciach geograficznych wzmocni艂y si臋 i przesun臋艂y bli偶ej bieguna, przyci膮gaj膮c 艣cie偶ki burzowe i zwi膮zane z nimi opady deszczu na po艂udnie.

Opracowanie wiarygodnych prognoz zubo偶enia warstwy ozonowej w kontek艣cie zmiany klimatu stanowi powa偶ne wyzwanie. Procesy, kt贸re nale偶y uwzgl臋dni膰 w modelach prognostycznych, a tak偶e rozk艂ady i bud偶ety odpowiednich substancji 艣ladowych (np. halogen贸w, chmur stratosferycznych) s膮 badane za pomoc膮 pomiar贸w lotniczych i balonowych oraz w eksperymentach laboratoryjnych. Rozwa偶ane s膮 mo偶liwe scenariusze przysz艂ych wp艂yw贸w antropogenicznych na warstw臋 ozonow膮. Modele sugeruj膮, 偶e ci膮g艂a akumulacja substancji zubo偶aj膮cych warstw臋 ozonow膮 w atmosferze (w tempie +3.5 proc/rok) doprowadzi艂aby, przy braku Protoko艂u montrealskiego, do za艂amania si臋 globalnej warstwy ozonowej ju偶 w po艂owie XXI wieku.

Odnotowano dodatkowe, w wi臋kszo艣ci nieprzewidziane, korzy艣ci dla 艂agodzenia globalnej zmiany klimatu, wynikaj膮ce z przepis贸w wycofuj膮cych szkodliwe dla ozonu substancje. Bowiem nieuregulowany wzrost st臋偶enia substancji niszcz膮cych warstw臋 ozonow膮 m贸g艂 w ci膮gu najbli偶szych dekad doprowadzi膰 do ocieplenia si臋 atmosfery Ziemi w stopniu por贸wnywalnym do ocieplenia wywo艂anego innymi gazami cieplarnianymi oraz nasili膰 negatywne zmiany w cyklu hydrologicznym. Badania uwypukli艂y tak偶e inne aspekty korzy艣ci klimatycznych wynikaj膮cych z Protoko艂u montrealskiego. Na przyk艂ad ustalono, 偶e bez wprowadzenia ogranicze艅 emisji substancji zubo偶aj膮cych warstw臋 ozonow膮 w 2065 roku nast膮pi艂by trzykrotny wzrost potencjalnej intensywno艣ci cyklon贸w tropikalnych

CZY WIESZ 呕E?

Poziom ozonu monitoruje si臋 za pomoc膮 wielu urz膮dze艅, m.in. tak偶e z kosmosu. CASM, czyli Copernicus Atmosphere Monitoring Service, gromadzi ogromne ilo艣ci danych na temat sk艂adu chemicznego atmosfery, korzystaj膮c z szerokiej gamy czujnik贸w umieszczonych w satelitach, samolotach, balonach i na Ziemi. Urz膮dzenia te wychwytuj膮 zar贸wno 鈥瀌obry ozon鈥, kt贸ry chroni Ziemi臋 przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym, jak i 鈥瀦艂y ozon鈥 na poziomie gruntu, kt贸ry jest zanieczyszczeniem powietrza i mo偶e mie膰 wp艂yw na zdrowie ludzi i rolnictwo. Dzi臋ki obserwacjom w czasie zbli偶onym do rzeczywistego i matematycznym modelom atmosfery, CAMS jest w stanie dostarczy膰 szczeg贸艂owych informacji o stanie warstwy ozonowej i prognozach jej zmian w okresach 5-dniowych.

Czy Protok贸艂 montrealski reguluje wszystkie substancje niszcz膮ce warstw臋 ozonow膮?

Ozon stratosferyczny jest zubo偶any przez wiele r贸偶nych substancji chemicznych 鈥 przede wszystkim chloro-fluoro-w臋glowodory (CFC) odpowiedzialne za powstawanie dziury ozonowej nad Antarktyd膮 鈥 ale wa偶n膮 rol臋 dogrywa tu r贸wnie偶 podtlenek azotu (N2O), kt贸ry poza antropogenicznymi ma r贸wnie偶 naturalne 藕r贸d艂a. W przeciwie艅stwie do CFC, stosowanie i emisja N2O nie s膮 regulowane Protoko艂em. Co zaskakuj膮ce, podtlenek azotu jest najwi臋ksz膮 pojedyncz膮 substancj膮 szkodliw膮 dla ozonu, kt贸ra je艣li nie b臋dzie kontrolowana, pozostanie zwi膮zkiem najbardziej zubo偶aj膮cym warstw臋 ozonow膮 w XXI wieku. Zmniejszenie emisji podtlenku azotu zwi臋kszy艂oby zatem tempo odzyskiwania warstwy ozonowej i zmniejszy艂oby antropogeniczne ocieplanie klimatu.

A wi臋c ochrona warstwy ozonowej chroni r贸wnie偶 klimat?

Redukcja substancji zubo偶aj膮cych warstw臋 ozonow膮 (ODS) ma korzystny efekt uboczny 鈥 mianowicie zmniejsza tempo ocieplania si臋 klimatu. Dzieje si臋 tak, poniewa偶 w艣r贸d ODS znajduj膮 si臋 gazy cieplarniane, kt贸re tak jak dwutlenek w臋gla, metan czy podtlenek azotu podnosz膮 temperatur臋 powierzchni Ziemi. Jak podaje Europejska Agencja 艢rodowiskowa , wdro偶enie protoko艂u montrealskiego i uzyskana dzi臋ki temu redukcja emisji ODS w latach 1985-2010 odpowiada艂a 10-12 gigatonom ekwiwalentu CO2. To blisko 6 razy wi臋cej ni偶 cel redukcji emisji gaz贸w cieplarnianych zapisany w protokole z Kioto na lata 2008-2012.

Jest jedno, ale...

Niestety za obni偶eniem emisji ODS kryje si臋 inne niepokoj膮ce zjawisko. Wycofanie substancji gro藕nych dla warstwy ozonowej spowodowa艂o, 偶e w wielu sektorach gospodarki wymagaj膮cych urz膮dze艅 ch艂odniczych i klimatyzuj膮cych wprowadzono jako substytut ODS gazy fluorowane, kt贸re nie s膮 gro藕ne dla ozonu, ale s膮 鈥 gazami cieplarnianymi. Co gorsza, niekt贸re z nich, np. wodorofluorow臋glowodory (HFC), wywo艂uj膮 efekt cieplarniany, kt贸ry jest do 23 tys. razy silniejszy(!) ni偶 spowodowany t膮 sam膮 ilo艣ci膮 uwolnionego do atmosfery dwutlenku w臋gla. Co prawda emisje gaz贸w fluorowanych s膮 znacznie mniejsze ni偶 CO2 (stanowi膮 zaledwie 2 proc. ca艂ej emisji gaz贸w cieplarnianych), ale ich wykorzystanie i obecno艣膰 w atmosferze stale ro艣nie od lat 90. XX wieku. Dlatego Unia Europejska przyj臋艂a dwa akty ustawodawcze: rozporz膮dzenie w sprawie fluorowanych gaz贸w cieplarnianych i dyrektyw臋 dotycz膮c膮 emisji z system贸w klimatyzacji w pojazdach silnikowych, kt贸re maj膮 pom贸c zmniejszy膰 zu偶ycie m.in. HFC o 80 proc. do 2030 roku. Dane na temat wykorzystania gaz贸w fluorowanych w produkcji s膮 natomiast zbierane i publikowane przez EEA w corocznym raporcie.

Aktualny stan warstwy ozonowej

Wszystkie kraje przestrzegaj膮 obecnie obowi膮zuj膮cych um贸w mi臋dzynarodowych, takich jak Konwencja wiede艅ska oraz Protok贸艂 montrealski (wraz z jego aktualizacjami). Po osi膮gni臋ciu szczytu oko艂o roku 2000, ca艂kowita ilo艣膰 zwi膮zk贸w zawieraj膮cych chlor i brom w stratosferze powoli spada, ale prawdopodobnie minie 50 lat zanim ilo艣膰 chloru i bromu powr贸ci do stanu sprzed 1980 roku (mniej wi臋cej wtedy, gdy zaobserwowano pierwsz膮 dziur臋 ozonow膮 na Antarktydzie). Ostatnie doniesienia naukowe pokazuj膮, 偶e redukcja ozonu zatrzyma艂a si臋 w wi臋kszo艣ci region贸w 艣wiata, ale mo偶e up艂yn膮膰 wiele lat, zanim ilo艣膰 ozonu zacznie ponownie rosn膮膰. Dziura ozonowa na Antarktydzie, kt贸ra pojawia si臋 co roku w okresie od wrze艣nia do listopada, nie pogorszy艂a si臋 w ci膮gu ostatnich 5-10 lat, ale nie ma jeszcze oznak znacz膮cej poprawy. W tym roku od po艂owy sierpnia obserwuje si臋 jej dynamiczny wzrost, a prognozy Kr贸lewskiego Niderlandzkiego Instytutu Meteorologicznego potwierdzaj膮, 偶e ju偶 teraz jest ona por贸wnywalna do tej z 20221 roku. Informacje o aktualnym stanie dziury ozonowej podawane s膮 codziennie na stronie NASA Ozone Watch .

Wszystkie informacje na temat stanu warstwy ozonowej s膮 dost臋pne za darmo za po艣rednictwem Atmosphere Data Store ( https://atmosphere.copernicus.eu/monitoring-ozone-layer聽).

Poni偶ej obejrzycie kr贸tki, ale niezwykle ciekawy film z unikatowymi kadrami i zdj臋ciami, w kt贸rym sir David Attenborough opowiada o historii protoko艂u montrealskiego.

Wi臋cej: https://obserwator.imgw.pl/ozon-i-zmiana-klimatu/

殴r贸d艂o: Bogumi艂 Kois聽IMGW-PIB/Zak艂ad Monitorowania Jako艣ci Powietrza /聽Rafa艂 Stepnowski聽IMGW-PIB/Zak艂ad Komunikacji