Ozono sluoksnis yra įdomi ir labai svarbi tema gyvybei mūsų planetoje. Jo vieta, funkcija ir problemos pastaraisiais dešimtmečiais buvo daugybės mokslinių tyrimų ir viešų diskusijų objektas. Tikslus supratimas, kur jis yra, kaip jis pasiskirsto stratosferoje ir kokie mechanizmai reguliuoja jo susidarymą ir sunaikinimą, yra būtinas norint jį apsaugoti ir išsaugoti aplinkos pusiausvyrą.
Šiame straipsnyje pateikiame išsamų vadovą, parašytą aiškiu, prieinamu ir suprantamu tonu, kad galėtumėte suprasti visus ozono sluoksnio aspektus: nuo jo vietos atmosferoje ir svarbos gyvybei iki iššūkių, su kuriais jis susiduria, jo būklės blogėjimo priežasčių ir pasaulinių veiksmų, kurių imamasi jam atkurti. Pasigilinkime į visas šio nematomo skydo, kuris mus saugo kiekvieną dieną, paslaptis ir įdomybes.
Kas yra ozono sluoksnis?
Ozono sluoksnis yra Žemės atmosferos sritis, kurioje yra santykinai didelė ozono molekulių (O3), dujos, sudarytos iš trijų deguonies atomų. Ši zona nėra homogeninis sluoksnis ir nėra „matoma“ žmogaus akiai, o veikiau regionas, apibrėžiamas pagal didelį gebėjimą sugerti Saulės ultravioletinę (UV) spinduliuotę. Be šio atmosferos ozono, ypač stratosferos, gyvybė Žemėje, kokią mes ją žinome, būtų neįmanoma; Kenksminga UV spinduliuotė užlietų paviršių, radikaliai padidindama odos vėžio, kataraktos ir imuninės sistemos sutrikimų riziką, taip pat padarydama didelę žalą florai ir faunai.
Kiekybiškai vertinant, ozono sluoksnis sudaro tik labai mažą dalį visų atmosferą sudarančių dujų. Pavyzdžiui, didžiausios koncentracijos srityje yra apie 2–8 milijoninės ozono dalys. Jei visas Žemėje esantis ozono sluoksnis būtų suspaustas iki standartinio jūros lygio slėgio ir temperatūros, jo storis būtų tik apie 3 milimetrus. Tai aiškiai parodo, kokia subtili ir nepakeičiama yra ši dujinė juosta.
Ozono sluoksnio vieta atmosferoje
Norint suprasti, kur yra ozono sluoksnis, pirmiausia turime trumpai apžvelgti Žemės atmosferos struktūrą, kuri yra padalinta į kelis sluoksnius, daugiausia besiskiriančius pagal jų temperatūrą ir sudėtį: troposferą, stratosferą, mezosferą, termosferą ir egzosferą.. Ozono sluoksnis yra beveik išimtinai stratosferoje, 15–50 kilometrų aukštyje virš Žemės paviršiaus. Tačiau regionas, kuriame ozono koncentracija pasiekia didžiausią vertę, paprastai yra 19–35 kilometrų aukštyje virš jūros lygio.
Stratosferoje ozonas sudaro apie 90% viso atmosferoje esančio ozono kiekio. Taip yra todėl, kad ten susidariusios sąlygos, ypač intensyvi ultravioletinė spinduliuotė ir teršalų trūkumas, skatina jų susidarymą ir palaikymą. Po šiuo sluoksniu, troposferoje (nuo paviršiaus iki maždaug 10–15 km aukščio), taip pat egzistuoja ozonas, bet mažesniais kiekiais ir kitokiomis sąlygomis.
Stratosfera ir ozonosfera
Stratosfera yra antrasis atmosferos sluoksnis, esantis virš troposferos ir besitęsiantis nuo maždaug 15 km iki 50 km aukščio. Jame temperatūra, užuot toliau mažėjusi kylant aukščiui, kaip vyksta troposferoje, pradeda didėti. Šis padidėjimas yra tiesioginė UV spinduliuotės absorbcijos ozono, kuris šildo atmosferą, pasekmė.
Stratosferos erdvė, kurioje ozono koncentracija yra didžiausia, vadinama ozonosfera. Nors ozonas pasiskirsto skirtinguose aukščiuose, būtent ozonosferoje vyksta didžiausia ultravioletinių spindulių absorbcija. Dėl šios priežasties ozono sluoksnis ir ozonosfera dažnai vartojami kaip sinonimai, nors techniškai ozonosfera yra stratosferos dalis.
Kaip susidaro ozono sluoksnis?
Ozono susidarymo stratosferoje procesas yra žavi šviesos ir molekulių sąveika, atsirandanti dėl saulės ultravioletinės spinduliuotės ir atmosferos deguonies sąveikos. Mechanizmą, paaiškinantį jo susidarymą ir sunaikinimą, pirmą kartą aprašė mokslininkas Sidney Chapmanas 1930 m. ir jis žinomas kaip „Chapmano ciklas“.
Viskas prasideda, kai didelės energijos ultravioletinė spinduliuotė (UV-C, kurios bangos ilgis mažesnis nei 240 nm) pasiekia deguonies molekules (O2), padalijant kiekvieną į du nepriklausomus deguonies atomus. Šie labai reaktyvūs deguonies atomai beveik iš karto jungiasi prie kitų O molekulių.2, sudarydamas ozoną (O3). Taigi, Saulė yra atsakinga ne tik už mūsų planetos sunaikinimą, bet ir už šios natūralios gynybos sukūrimą.
Reakciją galima apibūdinti taip:
- Deguonies disociacija: O2 + UV spinduliuotė → O + O
- Ozono susidarymas: O+O2 → O3
Procesas yra nuolatinis ir dinamiškas, o ozono susidarymas ir sunaikinimas vyksta nuolat. Kai ozonas sugeria UV spindulius (daugiausia UV-B ir šiek tiek UV-C), jis skyla atgal į O₂.2 Aš. Taip palaikoma pusiausvyra tarp formavimosi ir destrukcijos, kuri yra būtina, kad sluoksnis veiktų kaip filtras, netapdamas pernelyg tankus.
Didžiausio ozono susidarymo taškas yra stratosferoje virš pusiaujo, kur saulės spinduliuotės kiekis yra didžiausias. Stratosferos vėjai paskirsto ozono molekules į aukštesnes platumas, pavyzdžiui, ašigalius.
Ozono sluoksnio pasiskirstymas: ar jis homogeniškas?
Ozono sluoksnis nėra vienodas ar statiškas; Jo storis ir koncentracija gali labai skirtis priklausomai nuo platumos, aukščio virš jūros lygio, sezono ir net nuo vienos dienos iki kitos. Paprastai didžioji dalis ozono susidaro netoli pusiaujo, tačiau didžiausia koncentracija paprastai registruojama šiaurinio ir pietinio pusrutulių aukštose platumose, ypač virš Sibiro ir Kanados Arkties.
Aplink pusiaują ozono kiekis yra mažesnis, nes, nors jo susidaro daug, jis taip pat greičiau sunaikinamas intensyvios UV spinduliuotės. Todėl įprasta rasti mažiausius ozono kiekius aplink pusiaujo juostą ir didžiausias vertes netoli ašigalio.
Ozono vertės atmosferoje paprastai išreiškiamos Dobsono vienetais (DU), tai yra storis, kurį tam tikras ozono kiekis susidarytų, jei jis būtų suspaustas iki vienos atmosferos slėgio ir 0 °C temperatūros. Pavyzdžiui, 300 DU suslėgto ozono stulpelis būtų lygus 3 milimetrų gryno ozono sluoksniui.
Ozono sluoksnio funkcijos ir nauda gyvybei
Ozono sluoksnio vaidmuo saugant gyvybę yra absoliučiai esminis. Pagrindinė jo funkcija – sugerti nuo 97 iki 99 % Saulės skleidžiamos aukšto dažnio ultravioletinės spinduliuotės (ypač UV-C ir UV-B diapazonus), neleisdama jai tiesiogiai pasiekti Žemės paviršiaus. Šis natūralus filtras apsaugo visas gyvas būtybes ir ekosistemas. Be ozono sluoksnio UV spinduliuotė smarkiai padidintų tokių ligų kaip odos vėžys, katarakta skaičių, sukeltų bendrą žmonių ir gyvūnų imuninės sistemos susilpnėjimą, taip pat smarkiai sutrikdytų augalų gyvenimą ir vandens ekosistemas.
Kita svarbi stratosferos ozono funkcija yra atmosferos temperatūros reguliavimas. Absorbuodamas ultravioletinę spinduliuotę, ozonas vėl šildo stratosferą, sukurdamas terminį gradientą, būtiną pasaulinei atmosferos dinamikai. Be šio apšilimo, oro sąlygos ir vėjo cirkuliacija radikaliai pasikeistų.
Kiti sluoksniai: Ozonas troposferoje
Be stratosferos ozono, ozonas yra ir troposferoje – atmosferos sluoksnyje, kuris tęsiasi nuo žemės paviršiaus iki maždaug 10–15 km virš jūros lygio. Tačiau čia ozonas laikomas teršiančiomis dujomis, kenksmingomis sveikatai ir aplinkai. Jis žinomas kaip „blogas ozonas„nes jis nepadeda filtruoti žalingos saulės spinduliuotės, bet didelėmis koncentracijomis yra toksiškas.“
Troposferinis ozonas natūraliai dideliais kiekiais nesusidaro, bet susidaro dėl fotocheminių reakcijų tarp pirminių teršalų. Dujos, tokios kaip azoto oksidai (NOx), lakieji organiniai junginiai (LOJ), metanas (CH4) ir anglies monoksidas (CO), išsiskiriantis dėl eismo, pramonės ir žmonių veiklos, reaguoja veikiamas saulės šviesos ir sudaro ozoną.
Troposferoje esantis ozonas yra pagrindinė fotocheminio smogo priežastis ir šiltnamio efektą sukeliančios dujos; gali sukelti kvėpavimo takų problemų ir pakenkti pasėliams bei augalijai.
Ozono sluoksnio matavimas: Dobsono vienetai ir valdikliai
Ozono kiekis atmosferoje matuojamas ne litrais, kubiniais metrais ar gramais, o Dobsono vienetais (DU), pavadintais britų mokslininko Gordono Dobsono vardu. Vienas DU atitinka 0,01 mm gryno ozono sluoksnį esant normaliam slėgiui ir temperatūrai. Vidutinė pasaulinė ozono vertė paprastai yra apie 300 DU, nors ji gali skirtis priklausomai nuo aukščio virš jūros lygio, platumos ir metų laiko. Skirtinguose planetos regionuose vertės svyruoja nuo 200 iki 500 UD.
Šie matavimai atliekami jau dešimtmečius naudojant spektrofotometrus, balionus su zondais (ozono zondus) ir palydovus. Norėdami geriau suprasti ozono svarbą saugant planetą, žr. straipsnį apieozono sluoksnio teikiami privalumai.
Ozono sluoksnio naikinimas: priežastys ir pasekmės
Nuo XX amžiaus pabaigos ozono sluoksniui iškilo rimta grėsmė dėl tam tikrų dirbtinių cheminių medžiagų, ypač chlorfluorangliavandenilių (CFC) ir kitų halogenintų junginių, išmetimo. Šie junginiai, plačiai naudojami šaldymo, oro kondicionavimo, aerozolių, plastiko putų ir valymo priemonių gamyboje, pasižymi tuo, kad yra inertiški troposferoje ir ilgai išlieka atmosferoje.
Bėgant dešimtmečiams, CFC ir jų dariniai lėtai kyla į stratosferą, kur, gavę ultravioletinių spindulių, skyla ir išskiria chloro bei bromo atomus. Šie labai reaktyvūs atomai inicijuoja grandininę reakciją, kuri kataliziškai sunaikina ozono molekules, o tai reiškia, kad jie gali sunaikinti daugybę ozono molekulių prieš inaktyvuodami ar neutralizuodami.
Dėl to sutrinka natūralaus ozono sluoksnio susidarymo ir sunaikinimo ciklo pusiausvyra. nusveria pusiausvyrą link bendro šių dujų kiekio stratosferoje mažinimo. Taip atsirado reiškinys, vadinamas „ozono skyle“, ypač matomas Antarktidoje, kur sezoninis sumažėjimas kai kuriais metų mėnesiais lėmė iki 50 % stratosferos ozono praradimą.
Ozono sluoksnio skylė: priežastys ir ypatybės
Terminas „ozono skylė“ reiškia laikiną ir dramatišką ozono lygio sumažėjimą virš poliarinio regiono, ypač Antarktidos, pietinio pusrutulio žiemą ir pavasarį. Šis reiškinys buvo aptiktas devintajame dešimtmetyje ir sukėlė nerimą visame pasaulyje.
Antarktidos ozono skylės ypatumai susiję su itin šaltomis sąlygomis stratosferoje, kur temperatūra nukrenta žemiau -78 °C, o tai sudaro palankias sąlygas stratosferos poliarinių debesų susidarymui. Šių debesų paviršiuje chloro ir bromo junginiai iš CFC ir halonų patiria chemines reakcijas, kurios paverčia juos labai reaktyviomis formomis. Kai pavasarį po poliarinės žiemos grįžta saulės šviesa, šios rūšys reaguoja su ozonu ir jį dideliu greičiu naikina.
Ozono skylė yra ryškesnė ir pasikartojanti Pietų ašigalyje, nes stratosferos temperatūra ten yra žemesnė nei Šiaurės ašigalyje. Tačiau panašūs reiškiniai, nors ir mažesniu mastu, buvo pastebėti ir Arkties platumose kai kuriomis ypač šaltomis žiemomis.
Ozono sluoksnio naikinimo poveikis
Ozono sluoksnio nykimas palieka Žemės paviršių mažiau apsaugota nuo ultravioletinių spindulių, o tai kelia pavojų sveikatai ir aplinkai. Pagrindinės susijusios problemos yra šios:
- Padidėjęs odos vėžio, kataraktos ir imuninės sistemos sutrikimų atvejų skaičius žmonėms.
- Jūrų ekosistemų pokyčiai: vandenyno fitoplanktono, mitybos grandinės pagrindo, sumažėjimas.
- Sausumos augmenijos nykimas, žydėjimo ciklų ir pasėlių augimo pokyčiai.
- Poveikis sausumos ir jūrų faunai, turintis ilgalaikių pasekmių biologinei įvairovei.
Be to, ozono sluoksnio nykimas gali netiesiogiai prisidėti prie klimato kaitos, nes kai kurie CFC pakaitalai, pavyzdžiui, hidrochlorfluorangliavandeniliai (HCFC) ir hidrofluorangliavandeniliai (HFC), sukelia šiltnamio efektą..
Pasauliniai veiksmai ozono sluoksniui apsaugoti
Pirmasis svarbus tarptautinis susitarimas dėl ozono sluoksnio apsaugos buvo Monrealio protokolas, pasirašytas 1987 m. ir ratifikuotas beveik visų pasaulio šalių. Norėdami geriau suprasti pasaulinius veiksmus šioje srityje, žr. straipsnį apie Mario Molinos palikimas.
Monrealio protokolo sėkmė pastebima tuo, kad jis sustabdė ir pakeitė ozono sluoksnio nykimo atmosferoje tendenciją, nors atsigavimo procesas yra lėtas dėl ilgo šių junginių išsilaikymo atmosferoje (kai kurie gali išsilaikyti iki 200 metų).
Taip pat buvo prastumti vėlesni pakeitimai, pavyzdžiui, Kigalio pakeitimas (2016 m.), kuriuo siekiama sumažinti HFC, stiprių, bet ozono sluoksniui nekenksmingų šiltnamio efektą sukeliančių dujų, naudojimą. Norėdami išsamiau išnagrinėti šių susitarimų pasekmes, galite apsilankyti straipsnyje, skirtame [šiai temai].
Ozono sluoksnio atsigavimas ir ateitis
Nuo XX amžiaus pabaigos tarptautinė kontrolė leido ozono lygiui stabilizuotis ir pradėti atsigauti daugelyje planetos regionų. Norėdami sužinoti apie konkrečią šio proceso eigą, žr. straipsnį apieozono sluoksnio atkūrimas.
Modeliai ir matavimai rodo, kad jei bus tęsiama dabartinė politika, ozono sluoksnis apie 1980 m. gali grįžti į iki 2075 m. buvusį lygį, nors šis laikotarpis gali skirtis priklausomai nuo būsimų išmetamųjų teršalų kiekio ir klimato kaitos.
Atsigavimas ypač akivaizdus Antarktidos ozono skylės masto ir trukmės sumažėjime, nors sezoniniai svyravimai ir toliau išlieka.
Tačiau nuolatinis žmogaus sukeltų teršalų stebėjimas ir mažinimas tebėra labai svarbus.
Ką galime padaryti, kad apsaugotume ozono sluoksnį?
Ozono sluoksnio apsauga priklauso nuo kolektyvinių veiksmų ir individualių sprendimų, kuriuos priimame kiekvieną dieną. Kai kurios rekomendacijos apima:
- Pirkite produktus, kurių etiketėse nurodyta, kad juose nėra CFC ir ozono sluoksnį ardančių medžiagų.
- Venkite naudoti gesintuvus ir aerozolius, kurių sudėtyje yra halonų, CFC ir draudžiamų medžiagų.
- Pirmenybę teikite šaldytuvams, šaldikliams ir oro kondicionavimo įrangai, kurioje naudojamos ozono sluoksnį tausojančios alternatyvios dujos.
- Sumažinkite automobilių naudojimą ir rinkitės tvarias transporto priemones.
- Skatinti aplinkosauginį švietimą, siekiant didinti informuotumą apie ozono sluoksnio apsaugos svarbą.
Įdomybės ir faktai apie ozoną ir jo matavimą
Ozoną 1840 m. atrado Christianas Friedrichas Schönbeinas, kuris nustatė jam būdingą kvapą perkūnijos metu. Po daugelio metų, 1913 m., prancūzų fizikai Charles Fabry ir Henri Buisson, analizuodami saulės spinduliuotės absorbciją, atrado stratosferos ozono sluoksnį.
Ozonas pasižymi savita chemine sudėtimi: jis yra labai reaktyvus ir, nors stratosferoje laikomas būtinu, Žemės paviršiuje gali būti pavojingas.
Šiuolaikiniai matavimai, naudojant tokius prietaisus kaip Dobsono spektrofotometrai ir ozono zondai, leido labai tiksliai nustatyti vertikalų ir horizontalų ozono pasiskirstymą atmosferoje.
Ozono ir klimato kaitos ryšys
Ozonas, be ultravioletinių spindulių filtro vaidmens, taip pat yra šiltnamio efektą sukeliančios dujos, galinčios sugerti ir skleisti infraraudonąją spinduliuotę. Stratosferoje pagrindinė jo funkcija yra šildyti tą sluoksnį ir apsaugoti mus nuo UV spindulių. Tačiau troposferoje jis prisideda prie visuotinio atšilimo ir neigiamai veikia oro kokybę.
Be to, daugelis CFC pakaitalų, tokių kaip HFC, nors ir neardo ozono sluoksnio, prisideda prie visuotinio atšilimo.
Šis dvejopas vaidmuo reiškia, kad ozono sluoksnio apsauga ir kova su klimato kaita turi būti derinamos, skatinant alternatyvias technologijas, kurios yra saugios abiem iššūkiams spręsti.
Susiję reiškiniai: poliariniai stratosferos debesys ir atmosferos dinamika
Poliarinių žiemų metu stratosferoje susidaro specialūs debesys, vadinami poliariniais stratosferos debesimis, sudaryti iš ledo ir azoto rūgšties. Šie debesys suteikia reikiamą paviršiaus plotą cheminėms reakcijoms, kurios išskiria reaktyvųjį chlorą ir bromą, o tai pagreitina ozono sluoksnio naikinimą, kai pavasarį grįžta saulės šviesa.
Atmosferos cirkuliacija, ypač stratosferos vėjai, Tai yra raktas į ozono molekulių transportavimą iš didžiausios gamybos srities. (ekvatorius) link vidutinių ir poliarinių platumų. Atmosferos dinamikos pokyčiai, nesvarbu, ar dėl natūralių, ar dėl antropogeninių priežasčių, gali reikšmingai paveikti ozono pasiskirstymą ir atsistatymą.
Ozono tyrimų ateitis
Ozono mokslas toliau vystosi, kad suprastų visus veiksnius, turinčius įtakos jo pasiskirstymui, atsistatymui ir ryšiui su pasauliniu klimatu. Nauji palydovai ir prognozavimo modeliai pagerina mūsų gebėjimą numatyti potencialiai kylančias grėsmes, tokias kaip naujų cheminių junginių atsiradimas ar klimato kaitos poveikis.
Nuolatinė stebėsena ir tarptautinis bendradarbiavimas yra būtini siekiant užtikrinti ozono sluoksnio apsaugos politikos sėkmę.
Ozono sluoksnis, nors ir plonas bei, regis, trapus, yra vienas didžiausių mūsų planetos gamtos lobių. Per pastaruosius kelis dešimtmečius išmokome vertinti jo svarbą ir imtis priemonių, kad būtų išvengta jo sunaikinimo. Piliečių sąmoningumo, pasaulinės politikos ir technologinių inovacijų derinys leis mums žengti saugesnės ir tvaresnės ateities link, apsaugant gyvybę Žemėje po šiuo tikrai nematomu mėlynu skydu.
