Co to jest dziura ozonowa i jak powstaje? Skutki dla zdrowia mogą być bardzo groźne

Atmosfera Ziemi składa się z kilku warstw. Najniższa, to troposfera. Rozciąga się od powierzchni Ziemi do wysokości około 10 km, chociaż jej grubość zmienia się wraz z szerokością geograficzną. W troposferze rozgrywa się większość zjawisk, które nazywamy "pogodą". 

Następna warstwa, stratosfera, leży bezpośrednio nad nią i rozciąga się od około 10 km do około 50 km. To w stratosferze lata większość samolotów pasażerskich. O ile troposfera ochładza się wraz z wysokością, to stratosfera przeciwnie - im wyżej, tym bardziej się nagrzewa. To ocieplenie jest spowodowane pochłanianiem promieniowania ultrafioletowego przez ozon. 

Co to jest ozon? To dość nietypowa cząsteczka tlenu. Zazwyczaj atomy tlenu łączą się w pary. Ale czasami, na skutek działania promieni słonecznych, tworzą cząsteczki złożone z trzech, a nie dwóch atomów. Te cząsteczki to właśnie ozon. Ozon jest toksyczny dla żywych istot i może powodować problemy z układem oddechowym i nerwowym. Powstający przy powierzchni Ziemi ozon przyczynia się do powstawania smogu, ale na dużych wysokościach jest tarczą, która chroni nas przed o wiele większym zagrożeniem. 

W stratosferze ozon pochłania promieniowanie ultrafioletowe, stanowiącą część naturalnego promieniowania emitowanego przez Słońce. Konkretnie, pochłania część światła UV znaną jako UVB, o długościach fali od 280 do 320 nanometrów. Promieniowanie UVB niszcząco wpływa na DNA i jest przyczyną zaćmy oraz czerniaka i innych rodzajów raka skóry. Niszczy też niektóre materiały, uprawy i organizmy morskie. To właśnie przed promieniami UVB chronimy się przy pomocy kremów do opalania czy okularów słonecznych.  

Obecność warstwy ozonowej zdecydowanie zmniejsza ilość tego promieniowania docierającą do powierzchni Ziemi. Warstwa ozonu w stratosferze jest jednak bardzo cienka i, jak się przekonaliśmy, łatwo można ją zniszczyć. 

Dziura ozonowa to nie fizyczna "dziura", ale obszar, na którym zawartość ozonu jest zdecydowanie niższa, niż zwykle. Zazwyczaj takie obszary pojawiają się obszarami polarnymi Ziemi. Ludzie, rośliny i zwierzęta żyjące pod dziurą ozonową są narażone na niebezpieczne ilości promieniowania UVB i problemy zdrowotne przez nie wyrządzane. 

Ozon w stratosferze jest stale wytwarzany przez działanie promieniowania ultrafioletowego słońca na cząsteczki tlenu (znane jako reakcje fotochemiczne). Chociaż ozon powstaje głównie na tropikalnych szerokościach geograficznych, to prądy powietrzne powodują jego przemieszczanie się w kierunku biegunów, gdzie rośnie jego stężenie.

Ale ozon jest także niszczony. Częściowo odpowiadają za to naturalne procesy. Drobne cząsteczki siarczanów wystrzelone w stratosferę przez erupcję wulkanu wulkanu Pinatubo w 1991 r. spowodowały wymierne spadki ozonu przez kilka lat po erupcji. Na jego stężenie wpływają także silne, zimowe wiry polarne. Podczas nieprzerwanej ciemnej polarnej zimy powietrze wewnątrz wirów polarnych staje się ekstremalnie zimne, co sprawia, że wysoko w stratosferze nad biegunami tworzą się chmury. Ich obecność pośrednio prowadzi do niszczenia ozonu. Cząsteczka tlenu wchodzi bowiem w reakcje chemiczne z innymi substancjami, na przykład chlorem. Stratosferyczne chmury tworzą powierzchnię, na której chlor zmienia się w formę niszczycielską dla ozonu. 

W latach osiemdziesiątych XX w. naukowcy odkryli, że warstwa ozonowa w niższych warstwach stratosfery jest coraz cieńsza. Ta zmiana była nad Antarktydą tak gwałtowna, że nazwano ją "dziurą ozonową". Dziura największe rozmiary osiągała na Antarktydzie na wiosnę, czyli we wrześniu i październiku. 

Skąd bierze się w stratosferze chlor niszczący ozon? Naukowcy odkryli, że głównym jego źródłem, a co za tym idzie przyczyną powstania dziury ozonowej, są powszechnie stosowane przez ludzi związki chemiczne. W tym chlorofluorowęglowodory, określane także skrótem CFC (to związki, w których chlor i fluor wiążą się z atomami węgla) oraz w mniejszym stopniu halony (podobne związki z bromem lub jodem). Związki te były stosowane na przykład w chłodnictwie czy produkcji kosmetyków w sprayu. Chemikalia mogą pozostawać w atmosferze od dziesięcioleci do ponad wieku.

Na biegunach CFC przyczepiają się do cząstek lodu w chmurach. Kiedy słońce pojawia się ponownie podczas polarnej wiosny, cząsteczki lodu topią się, uwalniając cząsteczki zubożające warstwę ozonową z powierzchni cząstek lodu. Po uwolnieniu, niszczące ozon cząsteczki wchodzą w reakcje z ozonem, rozrywając jego wiązania molekularne i eliminując warstwę chroniącą nas przed promieniowaniem UV.

Dziura ozonowa nie powoduje zmian klimatu, ale pośrednio wiąże się z nimi na kilka sposobów. Od lat sześćdziesiątych XX w. naukowcy obserwują ocieplanie się troposfery, ale jednocześnie ochładzanie stratosfery, bo górna warstwa atmosfery była wcześniej podgrzewana przez ciepło, które odbijało się od powierzchni Ziemi. Ta energia pozostaje teraz niżej, zatrzymywana przez gazy cieplarniane. A zimniejsza stratosfera stwarza warunki, które prowadzą do utraty ozonu.

Mniejsza ilość ozonu w stratosferze jeszcze wzmacnia ten efekt, bo to właśnie ozon był jednym z głównych czynników zatrzymujących część słonecznej energii na dużych wysokościach. Im mniej ozonu, tym zimniejsza stratosfera. A im zimniejsza stratosfera, tym mniej ozonu. 

Niedawno naukowcy odkryli, że dziura ozonowa ma jednak pewien wpływ na klimat i pogodę na południowej półkuli. Chłodniejsza stratosfera spowodowała szybsze wiatry w pobliżu bieguna. Ich wpływ rozciąga się jednak daleko poza obszary podbiegunowe, bo zmiana w układzie wiatrów nad Biegunem Południowym wpływa na systemy pogodowe aż po równik, zmieniając cyrkulację tropikalną i opady na niższych szerokościach geograficznych. 

Dziura ozonowa nie powoduje globalnego ocieplenia, ale wpływa na cyrkulację atmosferyczną.

Odkrycie dziury ozonowej w 1985 r. spowodowało bezprecedensową, światową reakcję. Zaledwie kilka lat po jej odkryciu, przyjęto Protokół Montrealski - międzynarodowe zobowiązanie do stopniowego wycofywania chemikaliów zubożających warstwę ozonową, które zostało ratyfikowane przez wszystkie kraje członkowskie ONZ.

To nie rozwiązało do końca problemu, a dziura ozonowa nadal istnieje. Dzięki międzynarodowej umowie, poziomy substancji zubożających warstwę ozonową wytworzonych przez człowieka od 2000 r. powoli spadają, ale nadal pozostają na tyle wysokie, że powodują znaczną utratę ozonu. Okresowo, na przykład w 2011 czy 2020 r., dziura ozonowa przybiera duże rozmiary. 

Naukowcy spodziewają się jednak, że jeśli ludzkość będzie przestrzegać porozumienia montrealskiego, dziura ozonowa będzie stopniowo zmniejszać się. Ozon nad Antarktydą może powrócić do poziomu z 1980 r. około roku 2070 r.