Ozono sluoksnio storis: matavimai, skirtumai ir jo svarba

Ozono sluoksnis yra viena įdomiausių ir aktualiausių temų šiuolaikiniame aplinkos moksle. Nors iš pirmo žvilgsnio tai gali atrodyti kaip mokslininkų ir meteorologų reikalas, jo storis, svyravimai ir išsaugojimo svarba turi tiesioginės įtakos visų mūsų kasdieniam gyvenimui. Nuo apsaugos nuo ultravioletinės spinduliuotės iki jos poveikio žmonių sveikatai ir ekosistemoms, ozono sluoksnio supratimas yra labai svarbus vertinant planetai kylančią riziką ir sprendimus, kuriuos galime įgyvendinti.

Šiose eilutėse pasinersite į išsamią ekskursiją, kurioje apžvelgsime fizinę ozono sluoksnio prigimtį, jo matavimo ir stebėjimo būdus, pagrindines grėsmes jo vientisumui, istorinę jo būklės evoliuciją ir pasiekimus – bei likusius iššūkius – jo apsaugos srityje. Be mokslinių pagrindų apžvalgos, sužinosite, kaip pokyčiai vyksta laike ir erdvėje, kokie prietaisai naudojami jiems matuoti ir, svarbiausia, kodėl reikia išsaugoti šį dujinį sluoksnį. yra labai svarbus gyvybės Žemėje tęstinumui.

Kas yra ozono sluoksnis ir kodėl jis gyvybiškai svarbus?

Ozono sluoksnis yra Žemės atmosferos sritis, daugiausia esanti stratosferoje, kur susikaupusi didžioji dalis atmosferos ozono. Šios dujos, kurių cheminė formulė yra O₃, sudarytas iš trijų deguonies atomų ir pasižymi unikaliomis savybėmis, kurios jį skiria nuo įprasto deguonies (O₂).

Jis tęsiasi maždaug nuo 15 iki 40 kilometrų virš Žemės paviršiaus, o didžiausia koncentracija pasiekiama apie 25 kilometrų aukštyje. Tačiau jei visas stratosferoje esantis ozonas būtų suspaustas iki aplinkos slėgio, jis sudarytų labai ploną, 2–3 milimetrų storio sluoksnį – stebinantis faktas, atsižvelgiant į jo reikšmingą apsauginį vaidmenį.

Pagrindinė ozono sluoksnio funkcija yra filtruoti ir absorbuoti didžiąją dalį iš Saulės sklindančios ultravioletinės spinduliuotės (UV-B ir UV-C). Be šio natūralaus barjero kenksminga spinduliuotė netrukdomai pasiektų Žemės paviršių ir sukeltų pražūtingų pasekmių: padaugėtų tokių ligų kaip odos vėžys ir katarakta, būtų padaryta žala pasėliams, pakenkta jūros gyvūnijai ir sutrikdytos sausumos bei vandens ekosistemos.

Pats gyvybės Žemėje egzistavimas, kokį mes jį žinome, priklauso nuo šio subtilaus dujų skydo. Todėl bet koks reikšmingas jo storio ar sudėties pokytis daro tiesioginį poveikį aplinkai ir žmonių sveikatai.

Stratosferos ozono susidarymas ir sunaikinimas

Ozono susidarymas ir sunaikinimas stratosferoje yra dinamiškas procesas, kurį lemia sudėtingos cheminės ir fizinės pusiausvyros, kurią pirmiausia lemia saulės ultravioletinė spinduliuotė, rezultatas.

Ozonas susidaro, kai UV spinduliuotė, kurios bangos ilgis trumpesnis nei 240 nm, susiduria su deguonies molekulėmis (O₂). Ši energija „suskaido“ molekules, atskirdama atomus, kurie vėliau susijungia su kitomis deguonies molekulėmis ir sudaro ozoną (O₃). Šį mechanizmą 1930 m. aprašė Sydney Chapman, ir jis vadinamas Chapmano ciklu.

Esminę reakciją galima apibendrinti taip: saulės šviesa suskaido molekulinį deguonį į atskirus atomus, o šie atomai vėliau vėl susijungia su O₂.₂ generuoti ozoną (O₃). Savo ruožtu ozoną gali sunaikinti mažesnio specifiškumo UV spinduliuotė, išskirdama molekulinį deguonį ir deguonies atomus. Ši pirmyn ir atgal reakcija palaiko natūralią ozono sluoksnio pusiausvyrą, jei nėra jokių išorinių trikdžių.

Kiti veiksniai, tokie kaip halogenintų junginių (pvz., chlorfluorangliavandenilių, CFC ir halonų) buvimas arba padidėjęs azoto oksido (NOx) kiekis, gali paskatinti katalizines reakcijas, kurios pagreitina ozono sluoksnio naikinimą.

Poliariniuose regionuose, ypač Antarkties pavasario metu, susidaro tai, ką mes vadiname „ozono skyle“. Šiose vietose prisideda tokie veiksniai kaip žema temperatūra, poliarinių stratosferos debesų susidarymas ir halogenintų junginių kaupimasis, sukeliantys didžiulį sezoninį sluoksnio sunaikinimą.

Ekologinė ir sveikatos svarba

Ozono sluoksnio vaidmuo išsaugant gyvybę yra esminis ir nepakeičiamas. Sugerdamas daugiau nei 97 % UV-B spindulių ir beveik visus UV-C spindulius, neleidžia mirtinoms saulės radiacijos dozėms pasiekti Žemės paviršiaus. Tokiu būdu sluoksnis apsaugo gyvus organizmus nuo:

• Odos vėžys: Nefiltruotos UV spinduliuotės poveikis padidina melanomų ir kitų odos navikų riziką.
• Katarakta ir akių pažeidimai: UV spinduliuotė gali sukelti rimtų akių ligų, netgi apakimą.
• Imunosupresija: Yra įrodymų, kad padidėjęs UV-B poveikis mažina žmonių ir gyvūnų imuninės sistemos veiksmingumą.
• Ekosistemų pokyčiai: Sluoksnio sumažėjimas gali paveikti fotosintezę ir pakeisti mitybos grandines jūrose, ežeruose, upėse ir miškuose.
• Poveikis žemės ūkiui: Padidėjusi radiacija neigiamai veikia pasėlių produktyvumą ir kokybę.

Ozono sluoksnis taip pat vaidina svarbų vaidmenį klimato dinamikoje, nes sugeriant UV spindulius, prisideda prie stratosferos atšilimo ir reguliuoja pasaulinę atmosferos temperatūrą.

Kaip matuojamas ozono sluoksnio storis ir koncentracija?

Ozono sluoksnio „storis“ nėra išreiškiamas kaip tiesioginis fizinis storis, o kaip ozono kiekio, esančio palei vertikalų atmosferos stulpelį, matas. Standartinė forma yra Dobsono vienetas (DU), kuris nurodo ozono kiekį, kuris, suspaustas esant normalioms slėgio ir temperatūros sąlygoms, sudarytų 0,01 mm storio sluoksnį.

Laikoma, kad pasaulinė vidutinė ozono vertė atmosferoje yra apie 300 DU, nors ji gali skirtis priklausomai nuo geografinės vietos ir metų laiko.. Pavyzdžiui, ašigaliuose (ypač Antarkties pavasario metu) ozono skylių epizodų metu vertės gali nukristi žemiau 150–220 DU.

Matavimas atliekamas naudojant specialius prietaisus:

• Dobsono ir Brewerio spektrofotometrai: Tai optiniai prietaisai, matuojantys Saulės ultravioletinę spinduliuotę prieš jai praeinant pro atmosferą ir po jos. Taigi, apskaičiuojama bendra ozono koncentracija kolonėlėje.
• Ozono zondai: Tai meteorologiniai balionai su jutikliais, kurie kylant registruoja duomenis apie ozono koncentraciją, priklausomai nuo aukščio.
• Orų palydovai: Įrengti pažangiais jutikliais, jie leidžia atlikti pasaulinius ozono sluoksnio pasiskirstymo ir evoliucijos žemėlapius ir atlikti istorinę analizę.

Meteorologijos ir tyrimų centrai, tokie kaip Valstybinė meteorologijos agentūra (AEMET) Ispanijoje arba Izaña observatorija Kanarų salose, yra tarptautiniai atmosferos ozono stebėjimo etalonas.. Šios institucijos veikia tinkle, dalydamosi duomenimis visame pasaulyje ir sudarydamos sąlygas realiuoju laiku įvertinti sluoksnio būklę.

Storio skirtumai: natūralios ir antropogeninės priežastys

Ozono sluoksnio storis ir koncentracija natūraliai kinta ištisus metus, skirtinguose regionuose, taip pat ir dėl žmogaus veiklos.

Natūralios priežastys apima:

• Platuma ir metų laikas: Dėl specifinių fotocheminių procesų poliariniuose regionuose pavasarį dažnai užfiksuojamos mažesnės vertės. Pusiaujo regionuose, kur UV spinduliuotė yra didesnė, ozono gamyba taip pat yra didesnė.
• Saulės aktyvumas: Saulės spinduliuotės, saulės ciklų ir išsiveržimų pokyčiai laikinai veikia ozono susidarymą ir sunaikinimą.
• Meteorologiniai procesai: Planetinės bangos, poliariniai sūkuriai ir kiti atmosferos cirkuliacijos reiškiniai daro įtaką stratosferos ozono pasiskirstymui ir pernašai.
• Ugnikalnio išsiveržimai: Dalelių ir dujų išmetimas gali laiku sumažinti ozono kiekį keliais cheminiais būdais.

Pagrindinė grėsmė ozono sluoksnio pusiausvyrai kyla dėl žmogaus veiklos.. Nuo XX a. vidurio nuolatinis halogenintų cheminių medžiagų, ypač CFC ir halonų, naudojimas ir išmetimas į aplinką Jie yra atsakingi už pagreitėjusį ozono sluoksnio nykimą dideliuose planetos regionuose..

Šios medžiagos, patekusios į atmosferą, gali praeiti metai, kol pasieks stratosferą, kur UV spinduliuotė jas suskaido, išskirdama itin reaktyvius chloro ir bromo atomus. Šie atomai Jie naikina ozoną katalizinių reakcijų metu, kai viena molekulė gali pašalinti iki 100.000 XNUMX O molekulių.₃ prieš neutralizavimą.

Halogenintų junginių sukeliamas ozono sluoksnio naikinimo procesas

Katalizinis ozono sluoksnio naikinimas chloruotais ir bromintais junginiais yra svarbiausias ozono sluoksnio mažėjimo kelias pastaraisiais dešimtmečiais. Atsakingos molekulės yra daugiausia chlorfluorangliavandeniliai (CFC), hidrochlorfluorangliavandeniliai (HCFC), halonai, anglies tetrachloridas ir metilchloroformas.

Pagrindinis mechanizmas yra tas, kad pasiekusios stratosferą, šios medžiagos dėl UV spinduliuotės fotolizuojasi, išskirdamos chloro arba bromo atomus. Vėliau jie dalyvauja ciklinėse reakcijose su ozonu:

• Chloro atomas reaguoja su ozono molekule, sudarydamas chloro monoksidą (ClO) ir molekulinį deguonį.
• Chloro monoksidas reaguoja su deguonies atomu, vėl išskirdamas chlorą ir uždarydamas ciklą.

Panašiai ir brominti junginiai, tokie kaip halonai ir metilbromidas, veikia panašiai ir iš tikrųjų dar veiksmingiau naikina ozoną. Vienas bromo atomas gali būti iki 45 kartų efektyvesnis nei vienas chloro atomas.

Poliariniuose regionuose reakcijos suintensyvėja žiemą ir pavasarį dėl poliarinių stratosferos debesų. Šie debesys suteikia paviršius, kuriuose paprastai neaktyvūs junginiai virsta labai aktyviomis rūšimis, pasiruošusiomis sunaikinti ozoną, kai žiemos pabaigoje sugrįš saulės spinduliuotė.

Ozono skylės fenomenas

„Ozono skylė“ reiškia regioną – daugiausia virš Antarktidos, – kuriame bendras ozono kiekis per pavasarinį laikotarpį (rugpjūčio–lapkričio mėn.) nukrenta žemiau 220 DU.

Šis reiškinys pirmą kartą buvo aptiktas aštuntajame ir devintajame dešimtmečiuose atliekant lauko ir palydovinius stebėjimus. Jo išvaizda ir evoliucija yra susiję su:

• Atmosferos izoliacija nuo poliarinio sūkurio: Pietų pusrutulio žiemą Antarktidos orą nuo likusios planetos dalies skiria srovinė srovė, todėl kaupiasi žema temperatūra ir susidaro poliariniai stratosferos debesys.
• Halogenintų junginių buvimas: Ant poliarinių debesų paviršių šie junginiai virsta labai reaktyviomis formomis, kurios vos pasirodžius saulės šviesai pradeda intensyvų sunaikinimą.

Ozono skylės plotas kai kuriais metais pasiekė daugiau nei 25–29 milijonus kvadratinių kilometrų – daugiau nei dvigubai didesnis nei Antarktidos žemyno paviršiaus plotas. Nors šis reiškinys intensyviausias Antarktidoje, Arktyje pastebėta ir mažiau ryškių epizodų.

Šio reiškinio poveikis ypač nerimą kelia pietiniuose regionuose, tokiuose kaip Argentina ir Čilė, kur padidėjusi ultravioletinė spinduliuotė sukėlė pavojaus signalus sveikatai, žalą pasėliams ir žalą laukinei gamtai.

Istorinė evoliucija, stebėjimas ir atsigavimas

Nuo pirmųjų spartesnio naikinimo požymių aštuntajame dešimtmetyje tarptautinė mokslo bendruomenė, vyriausybinės agentūros ir daugiašalės organizacijos suintensyvino ozono sluoksnio būklės stebėseną ir tyrimus.

Stebėjimas atliekamas šiais būdais:

• Spektrofotometrų ir ozono zondų tinklai: Paskirstyti visame pasaulyje, jie renka duomenis realiuoju laiku ir yra tarptautinių konsorciumų, tokių kaip Pasaulio ozono ir UV duomenų centras (WOUDC), dalis.
• Orų palydovai: Jie leidžia atlikti pasaulinį ir išsamų sluoksnio stebėjimą, nustatyti tendencijas, sezonines anomalijas ir ozono skylių evoliuciją.
• Regioniniai tyrimų centrai: Kaip ir Izanjos observatorija (Ispanija), kuri vadovauja kalibravimo kampanijoms ir pažangiausioms ozono matavimo technologijoms.

Ispanija Europoje išsiskiria savo priemonių ir iniciatyvų tinklu, pavyzdžiui, bendrai vadovaujančiu EUBREWNET tinklu, skirtu teikti nuoseklius, aukštos kokybės duomenis apie ozoną ir UV spinduliuotę. Be to, ji turi daugiau nei dvidešimt penkias matavimo stotis ir ultravioletinių spindulių indekso prognozavimo sistemą visoms šalies savivaldybėms.