Dziura ozonowa – skąd się wzięła i czy naprawdę się zmniejsza?

Dziura ozonowa to obszar nad Antarktydą, w którym każdej wiosny ilość ozonu w stratosferze spada poniżej umownego progu, choć sam gaz nie znika tam całkowicie. Ubytek spowodowały freony i halony, które w mroźnej stratosferze nad biegunem uwalniają chlor i brom niszczące ozon. Produkcję tych związków zakazano dekady temu i warstwa ozonowa zaczęła się odbudowywać. Powoli.

Czym jest dziura ozonowa?

Dziura ozonowa to obszar, nad którym całkowita zawartość ozonu spada poniżej umownego progu 220 jednostek Dobsona (DU). W atmosferze nie ma tam otworu. Ozon nadal jest obecny, tylko w mniejszej ilości. Jedna jednostka Dobsona odpowiada warstwie czystego ozonu o grubości 0,01 mm, sprężonego do ciśnienia przy powierzchni Ziemi. Średnio nad globem przypada go około 300 DU, czyli zaledwie 3 mm.

Ubytek wraca co roku o tej samej porze. Narasta każdej antarktycznej wiosny, od września do października, do grudnia zanika, a w kolejnym sezonie pojawia się znowu.

Przed jakim UV chroni warstwa ozonowa?

Warstwa ozonowa leży w stratosferze, mniej więcej 15–35 km nad Ziemią, i nie filtruje wszystkich rodzajów ultrafioletu jednakowo. Ozon (O₃) inaczej traktuje każde z trzech pasm UV.

• UV-C (100–280 nm) – pochłaniane niemal całkowicie przez ozon i tlen, do powierzchni praktycznie nie dociera.
• UV-B (280–315 nm) – pochłaniane tylko częściowo, więc jego natężenie przy ziemi zależy od grubości warstwy.
• UV-A (315–400 nm) – pochłaniane słabo, przed tym pasmem ozon właściwie nie chroni.

Gdy warstwa się przerzedza, przy powierzchni przybywa więc przede wszystkim UV-B.

Skąd się wzięła dziura ozonowa i dlaczego akurat nad Antarktydą?

Dziurę ozonową spowodowały wytworzone przez człowieka związki chloru i bromu: freony (CFC) i halony. Antarktyda jest miejscem, w którym zimowe warunki zamieniają je w aktywną broń przeciw ozonowi. Sam ubytek ozonu wykryli pomiarami w 1985 roku naukowcy British Antarctic Survey.

Jak emisja z lodówek i aerozoli na półkuli północnej może niszczyć ozon nad biegunem południowym? Rozstrzyga trwałość tych związków: freony nie rozpadają się w dolnej atmosferze, więc wiatry rozprowadzają je po całym globie. Rozbija je dopiero twarde promieniowanie UV w stratosferze, które uwalnia atomy chloru, a z halonów atomy bromu.

Nad biegunem kluczowy jest mróz. Oficjalne pytania i odpowiedzi o ozonie podają, że polarne chmury stratosferyczne (PSC) powstają, gdy stratosfera schładza się poniżej około −78°C. Łańcuch przyczyn ma trzy etapy.

1. Transport – freony docierają do stratosfery. Uwolniony chlor wiąże się w nieaktywnych związkach, takich jak chlorowodór i azotan chloru.
2. Aktywacja – zimą wir polarny izoluje powietrze nad kontynentem. Na powierzchni chmur PSC chlor przechodzi w formy gotowe do reakcji.
3. Rozpad – po powrocie słońca we wrześniu światło uruchamia cykl katalityczny, w którym jeden atom chloru niszczy tysiące cząsteczek ozonu.

Nad Arktyką ten mechanizm działa słabiej, bo ma mniej czasu. Temperatury, w których tworzą się chmury polarne, utrzymują się tam średnio 1–2 miesiące, a nad Antarktyką około 5 miesięcy.

Rakiety i samoloty są tylko tłem. Ich udział w ubytku jest dziś marginalny w porównaniu z chlorem i bromem z freonów i halonów. Coraz częstsze starty rakiet badacze traktują jednak jako ryzyko na przyszłość.

Skutki dziury ozonowej dla zdrowia, przyrody i klimatu

Według opracowania agencji EPA nadmierna ekspozycja na UV-B zwiększa u ludzi ryzyko raka skóry, zaćmy i osłabienia układu odpornościowego. Chodzi o wzrost ryzyka. Na to, jak bardzo dotyczy ono konkretnej osoby, wpływają też czas spędzany na słońcu, typ skóry i szerokość geograficzna.

To samo promieniowanie szkodzi również poza organizmem człowieka. W oceanie UV-B uszkadza fitoplankton, czyli mikroskopijne glony, od których zaczyna się morski łańcuch pokarmowy. Na lądzie może hamować wzrost części roślin uprawnych. Tworzywa sztuczne i drewno wystawione na słońce szybciej kruszeją i blakną.

Czy przez dziurę do atmosfery wpada dodatkowe ciepło? Nie: dziura ozonowa i globalne ocieplenie to dwa odrębne mechanizmy. Pierwsze zjawisko dotyczy ultrafioletu, drugie zatrzymywania przy powierzchni promieniowania podczerwonego. Łączą je dwie zależności. Freony są zarazem silnymi gazami cieplarnianymi, więc ich wycofanie przy okazji spowalnia ocieplenie. Przybywający CO₂ ochładza z kolei stratosferę, a to może sprzyjać chmurom polarnym.

Czy dziura ozonowa naprawdę się zmniejsza?

Tak. Poprawę nie tylko zaobserwowano, ale też powiązano statystycznie z ograniczeniem freonów. Badanie zespołu z MIT wykazało z 95-procentową pewnością, że ozon nad Antarktyką się odbudowuje. Autorzy przypisali to przede wszystkim ograniczeniu substancji zubożających warstwę ozonową, a nie zmienności pogody.

Dowód opiera się na zgodności wzorców, czyli „odcisku palca”. W publikacji Wanga i Solomon zmiany ozonu w obserwacjach od 2005 roku rozpisano na miesiące i wysokości. Pasują one do modelowanego skutku spadku tych substancji.

Skoro freony zakazano dekady temu, dlaczego efekt przychodzi tak wolno? Pierwszym powodem jest czas życia freonów, sięgający od kilkudziesięciu do ponad stu lat. Chlor wyemitowany przed laty wciąż więc krąży w stratosferze. Drugi powód to historia samych przepisów. Protokół montrealski z 1987 roku, zbudowany na ramach Konwencji wiedeńskiej z 1985 roku, początkowo tylko o połowę ograniczał produkcję CFC. Spowalniał zatem wzrost ich ilości, ale go nie odwracał.

Pełne wycofanie przyniosły dopiero poprawki, zwłaszcza poprawka kopenhaska z 1992 roku, która w krajach rozwiniętych przesunęła koniec produkcji freonów na 1996 rok. Ilość substancji zubożających ozon w stratosferze osiągnęła szczyt około 2000 roku. Od tego czasu dziura w wieloletnim trendzie powoli maleje i jest coraz płytsza. Jak potwierdza ocena naukowa WMO/UNEP, wycofano już blisko 99% zakazanych substancji zubożających ozon.

Różne daty „zamknięcia” nie przeczą sobie nawzajem. Każda dotyczy innego regionu albo innego punktu odniesienia. Prognozy z oceny liczą powrót do wartości z 1980 roku, czyli sprzed pojawienia się dziury:

• 2035 – około tego roku może się zdarzyć pierwszy rok bez ubytku ozonu nad Antarktyką, według szacunku Susan Solomon; to pojedynczy rok bez dziury, a nie trwała odbudowa
• 2040 – powrót do wartości z 1980 roku dla średniej między 60°N a 60°S
• 2045 – powrót do wartości z 1980 roku nad Arktyką
• 2066 – powrót do wartości z 1980 roku nad Antarktyką, czyli właściwe zamknięcie dziury

Wszystkie prognozy zakładają, że obecne przepisy pozostaną w mocy. Problem jest więc na dobrej drodze, ale nie został zamknięty. Przebieg każdego sezonu na bieżąco śledzą WMO i UNEP, a także Copernicus (CAMS).

Okresowe powiększanie dziury i zagrożenia w jej odbudowie

Wielkość dziury w danym roku zależy w dużej mierze od pogody w stratosferze i od zdarzeń jednorazowych. Pojedynczy rekordowy sezon nie przeczy więc trendowi wieloletniemu. Wahania z lat 2019–2021 wynikały głównie z warunków meteorologicznych. Silny i mroźny wir polarny dłużej utrzymuje chmury polarne i izolację powietrza, a słaby i ciepły skraca sezon niszczenia ozonu.

Do pogody dochodzą zdarzenia jednorazowe. Erupcja podmorskiego wulkanu Hunga Tonga-Hunga Ha’apai w 2022 roku wyrzuciła do stratosfery ogromne ilości pary wodnej. Wcześniej, na przełomie 2019 i 2020 roku, dym z pożarów w Australii dostarczył cząstek, na których może zachodzić aktywacja chloru.

Na tym tle trzeba czytać sezon 2023. Pomiary NOAA i NASA umieściły go na 12. miejscu wśród największych dziur w historii pomiarów. Nad biegunem południowym 3 października zmierzono wtedy minimum 111 DU. Rekordowym pojedynczym sezonem pod względem średniej powierzchni pozostaje 2006.

Wahanie od trendu odróżnia się, śledząc dwie różne miary. Powierzchnia mówi, jak daleko sięga obszar poniżej 220 DU. Głębokość, czyli minimum w DU, mówi, ile ozonu zniszczono w środku dziury. Trend ocenia się na wieloletnich seriach obu miar, a nie na pojedynczym rekordzie. Dodatkową wskazówką jest kalendarz. najnowszy biuletyn WMO uznaje późniejsze pojawianie się dziury, jeśli powtarza się rok po roku, za solidną oznakę początku odbudowy.

Istnieje też zagrożenie, które nie ma nic wspólnego z pogodą. Około 2018 roku pomiary wykazały, że stężenie freonu-11 (CFC-11) spada wolniej, niż powinno. Przyczyną okazała się nielegalna produkcja pianek izolacyjnych, głównie w Azji Wschodniej. Po interwencji emisje znów zaczęły spadać. Odbudowa zależy więc od tego, czy kraje nadal będą przestrzegać protokołu i czy atmosfera pozostanie stale monitorowana.