Czym jest warstwa ozonowa i w jakim jest dziś stanie?

Warstwa ozonowa to pas stratosfery na wysokości mniej więcej od 15 do 35 km, w którym ozon występuje najgęściej, choć wciąż jest tylko domieszką powietrza. Gdyby cały ten ozon sprężyć do ciśnienia panującego przy gruncie, utworzyłby warstwę grubości około 3 milimetrów. Tak niewiele gazu pochłania większość promieniowania UV-B. Od jego ilości zależy, ile ultrafioletu dociera do skóry, oczu i roślin.

Warstwa ozonowa – pas stratosfery o największym stężeniu ozonu

Warstwa ozonowa, nazywana też ozonosferą, to fragment stratosfery o podwyższonym stężeniu ozonu (O₃). Nie jest to osobna, szczelna powłoka wokół Ziemi. Stratosfera zaczyna się nad tropopauzą, czyli granicą z troposferą. Tropopauza leży na wysokości od około 8 km nad biegunami do około 17 km nad równikiem.

Pas największego stężenia ozonu leży mniej więcej na

wysokości od 15 do 35 km, a maksimum przypada zwykle na 20–25 km. W całej stratosferze mieści się około 90% ozonu atmosfery. Nawet tam ozon pozostaje domieszką: na milion cząsteczek powietrza przypada najwyżej kilkanaście cząsteczek O₃. „Warstwa” to więc umowna nazwa strefy, w której tego rzadkiego gazu jest po prostu najwięcej.

Jak gruba jest warstwa ozonowa?

Obie liczby są prawdziwe, tylko mierzą co innego. Około 20 kilometrów to grubość pasa stratosfery, w którym ozon występuje najgęściej. Trzy milimetry to grubość, jaką miałby cały ozon z pionowego słupa atmosfery sprowadzony do warunków normalnych, czyli ciśnienia 1013,25 hPa i temperatury 0°C.

Z tej drugiej miary wywodzi się jednostka Dobsona (DU), w której podaje się całkowitą zawartość ozonu. Jedna jednostka Dobsona odpowiada warstwie czystego ozonu grubości 0,01 mm, więc średnie 3 mm to około 300 DU. Skąd zatem różnica rzędu milionów? Rozrzedzony gaz zajmuje kilometry, a sprężony do gęstości powietrza przy gruncie zmieściłby się w kilku milimetrach.

Na kuli ziemskiej całkowita zawartość ozonu wynosi zwykle od 200 do 500 DU. Wartość zmienia się z szerokością geograficzną i porą roku, dlatego ta sama stacja w średnich szerokościach notuje inne liczby wiosną, a inne jesienią.

Jak ozon powstaje, rozpada się i wędruje ku biegunom?

Ozon w stratosferze bez przerwy powstaje i się rozpada, a ilość, którą mierzymy, to stan równowagi obu procesów. Napędza je promieniowanie ultrafioletowe (UV) o różnych długościach fal. Takie przemiany wywołane pochłonięciem porcji światła nazywa się reakcjami fotochemicznymi.

Cykl ten, nazywany cyklem Chapmana, składa się z takich reakcji:

• Rozbicie tlenu – tlen cząsteczkowy (O₂) pochłania UV o długości fali poniżej 242 nm i rozpada się na dwa wolne atomy tlenu.
• Powstanie ozonu – wolny atom łączy się z cząsteczką O₂, tworząc O₃.
• Fotoliza ozonu – O₃ pochłania UV o długości około 200–320 nm i rozpada się na O₂ i atom tlenu.
• Utrata ozonu – atom tlenu zderza się z cząsteczką O₃ i oba zamieniają się w dwie cząsteczki O₂.

Trzecia reakcja nie usuwa ozonu na dobre, bo uwolniony atom szybko odtwarza O₃. Ozon pochłania w niej jednak UV i zamienia jego energię w ciepło. Trwałą stratę daje dopiero reakcja czwarta. Tempo wszystkich czterech zależy przy tym od natężenia promieniowania.

Najwięcej ozonu powstaje nad tropikami, gdzie Słońce stoi najwyżej. Całkowita zawartość ozonu jest jednak najmniejsza nad równikiem, a największa na średnich szerokościach i w rejonach polarnych. Paradoks wyjaśnia cyrkulacja Brewera-Dobsona: powietrze stratosferyczne wznosi się nad tropikami, płynie ku biegunom i tam opada. Ozon przeniesiony do dolnej stratosfery wyższych szerokości trafia tam, gdzie brakuje UV zdolnego go rozbić. Dlatego gromadzi się tam miesiącami.

Które promieniowanie UV zatrzymuje ozon, a które przepuszcza?

Ozon nie chroni przed całym ultrafioletem. Trzy pasma UV przechodzą przez atmosferę w różnym stopniu:

• UV-C (100–280 nm) – pochłaniane w całości wysoko w atmosferze.
• UV-B (280–315 nm) – pochłaniane w większości, do powierzchni dociera niewielka część.
• UV-A (315–400 nm) – filtrowane w znacznie mniejszym stopniu, dociera w przeważającej części.

Nanometr (nm) to miliardowa część metra. Im krótsza fala, tym więcej energii niesie. Całe UV-C i większość UV-B pochłania przy tym nie tylko ozon. Według informacji WHO o promieniowaniu UV robią to także para wodna, tlen i dwutlenek węgla.

Najczulsze na grubość warstwy jest UV-B. Zdolność ozonu do pochłaniania tego pasma gwałtownie słabnie między 280 a 315 nm. Gdy warstwa się przerzedza, przy powierzchni przybywa przede wszystkim promieniowania UV-B, a UV-C nadal zostaje zatrzymane. Cienka warstwa nie wpuszcza więc nowego rodzaju promieniowania. Przepuszcza więcej tego, które i tak częściowo dociera.

Ozon przy ziemi szkodzi, ten w stratosferze chroni

Ozon przyziemny i stratosferyczny to ta sama cząsteczka O₃, a rozróżnia je wysokość i źródło powstania. Ozon przyziemny tworzy się w troposferze, najniższej warstwie atmosfery, gdy w słońcu reagują tlenki azotu i lotne związki organiczne ze spalin i przemysłu. Jest głównym składnikiem smogu fotochemicznego, którego stężenia rosną w upalne, bezwietrzne dni. W wysokich stężeniach może podrażniać drogi oddechowe, zwłaszcza u dzieci i osób z astmą.

Czy letni ozon z miast może załatać ubytki wysoko nad nami? Nie może: ozon przyziemny rozpada się w ciągu dni lub tygodni i nie dociera do stratosfery. Jego stężenia w Polsce publikuje GIOŚ na portalu „Jakość Powietrza”. Próg informowania ludności wynosi 180 µg/m³, a próg alarmowy 240 µg/m³.

Dziura ozonowa – próg 220 DU i pora sezonu

Dziurą ozonową nazywa się obszar, nad którym całkowita zawartość ozonu spada poniżej 220 jednostek Dobsona. Na tym progu opiera się monitoring dziury ozonowej Copernicus. Sam próg wybrano dlatego, że przed 1979 rokiem nad Antarktyką nie notowano niższych odczytów.

Dziura nie jest więc otworem, przez który UV przechodzi bez przeszkód. Ozon jest tam nadal obecny, tylko w ilości wyraźnie mniejszej niż średnie 300 DU.

Dziura ozonowa ma przy tym w każdym sezonie początek i koniec. Ubytek zachodzi wiosną na półkuli południowej, od sierpnia do listopada. Maksimum przypada zwykle między połową września a początkiem października. Zamknięcie następuje w listopadzie lub grudniu, gdy wir polarny się rozpada.

Co niszczy ozon i czym grozi jego ubytek?

Ozon niszczą substancje zubożające warstwę ozonową (ODS) – trwałe związki chloru i bromu. W dolnej atmosferze prawie nie reagują, więc przez lata docierają do stratosfery. Najważniejsze są cztery grupy:

• Freony (CFC) – czynniki chłodnicze lodówek i klimatyzatorów, gazy pędne aerozoli, spieniacze pianek.
• Halony – środki gaśnicze zawierające brom.
• Tetrachlorek węgla i metylochloroform – rozpuszczalniki przemysłowe.
• Bromek metylu – środek do odkażania gleby i towarów.

W stratosferze UV rozbija te cząsteczki i uwalnia chlor oraz brom. Każdy atom działa jak katalizator: rozkłada ozon i odzyskuje zdolność do kolejnej reakcji, więc jeden atom chloru może zniszczyć tysiące cząsteczek ozonu. O roli bromu przesądza skuteczność w przeliczeniu na atom. Brom niszczy ozon około 60 razy wydajniej niż chlor, więc liczy się mimo znacznie mniejszych stężeń.

Polarna zima dokłada do tego warunki szczególne. Nad biegunem tworzy się wir polarny – pierścień silnych wiatrów zachodnich, który odcina powietrze polarne od cieplejszych mas z niższych szerokości. Uwięzione w polarnej nocy powietrze traci ciepło, a poniżej około −78°C powstają polarne chmury stratosferyczne z kryształków kwasu azotowego i wody. Nad Antarktyką wir jest silniejszy i trwalszy niż nad Arktyką. Na półkuli południowej jest bowiem mniej gór i kontrastów ląd–morze, które na północy zaburzają przepływ.

Polarne chmury stratosferyczne uczestniczą w aktywowaniu chemicznego usuwania ozonu przez halogeny. Dlatego wiosną, gdy nad zimnym wirem wraca Słońce, ubytek gwałtownie przyspiesza. Więcej UV-B przy powierzchni wiąże się z większym ryzykiem nowotworów skóry i zaćmy. Szkodzi też fitoplanktonowi, od którego zaczynają się oceaniczne łańcuchy pokarmowe, i może obniżać plony części roślin uprawnych.

Protokół Montrealsk, czyli kiedy warstwa ma wrócić do normy?

Protokół Montrealski doprowadził do wycofania z produkcji głównych substancji niszczących ozon na całym świecie. Ich stężenie w atmosferze spada. Poprzedziła go Konwencja wiedeńska o ochronie warstwy ozonowej z 1985 roku, a protokół przyjęto w 1987 roku. Według danych sekretariatu ozonowego UNEP oba traktaty ratyfikowało po 198 stron, czyli powszechnie.

Wycofano już 99% substancji zubożających warstwę ozonową, a pozostały 1% to głównie wodorochlorofluorowęglowodory (HCFC). Odbudowa trwa jednak długo, bo freony utrzymują się w atmosferze przez dziesiątki lat. Prognozy odbudowy ozonu panelu naukowego WMO i UNEP podają trzy terminy powrotu do wartości z 1980 roku”

• Obszar od 60°S do 60°N – około 2040 roku.
• Arktyka – około 2045 roku.
• Antarktyka – około 2066 roku.

Antarktyczna dziura ozonowa – jak zmienia się jej rozmiar z sezonu na sezon?

Rozmiar dziury zmienia się z sezonu na sezon nawet o kilka milionów km². Punktem odniesienia pozostaje rekord 29,6 mln km² z 9 września 2006 roku. Ostatnie sezony wyglądają na tym tle tak:

• 2020–2023 – seria dużych i długo utrzymujących się dziur; w 2023 roku maksimum sięgnęło 26,1 mln km².
• 2024 – dziura wyraźnie mniejsza niż w poprzedniej serii.
• 2025 – maksimum około 21,1 mln km² na początku września i zamknięcie 1 grudnia, najwcześniejsze od 2019 roku.
• 2026 – 15 mln km² już pod koniec sierpnia, 25 mln km² 12 września, około 5 mln km² ponad średnią; szczyt około 27,4 mln km² 20 września.

Skoki wynikają głównie z pogody w stratosferze, a nie ze zmian emisji. O powierzchni decydują siła wiru polarnego i temperatura stratosfery. W 2026 roku gwałtowny wzrost zbiegł się z nagłym spadkiem minimalnej temperatury około 20 km nad biegunem. Deficyt masy ozonu i minimalna zawartość ozonu pozostały blisko średnich wieloletnich, więc dziura była rozległa, ale nie tak głęboka.

Pomiary ozonu nad Polską i indeks UV

Wieloletnie pomiary nad Polską pokazują wyraźny ubytek ozonu w latach 80. i 90., a później zahamowanie spadku. W latach 1980–1995 całkowita zawartość ozonu nad Belskiem malała o kilka procent na dekadę. Seria pomiarowa IGF PAN w Centralnym Obserwatorium Geofizycznym w Belsku trwa od 1963 roku.

Zimą i wiosną zdarzają się krótkie epizody obniżonego ozonu. Gdy średnia dzienna spadnie poniżej progu wyznaczonego przez obserwatorium, IGF PAN mówi o „mini-dziurze” ozonowej. Portal „Jakość Powietrza” zamieszcza komunikaty GIOŚ o niedoborach ozonu nad Polską, oparte na pomiarach IGF PAN w Belsku. Jeden z nich podaje spadek zawartości ozonu w Belsku do 248 DU, czyli o 34,2% poniżej średniej wieloletniej.

Na co dzień praktycznym wskaźnikiem jest indeks UV z prognoz IMGW. Od zawartości ozonu w dużym stopniu zależy, ile UV dociera do gruntu, ale indeks uwzględnia też wysokość Słońca i zachmurzenie. Skala ma pięć kategorii: 0–2 niski, 3–5 umiarkowany, 6–7 wysoki, 8–10 bardzo wysoki i od 11 ekstremalny. Od wartości 3 zalecenia WHO przewidują ochronę skóry i oczu, zwłaszcza w godzinach południowych.