Naučná stezka

Úbytek stratosférického ozónu

Zemský ozónový štít

Ve výšce několika desítek kilometrů je okolo Země vrstva molekul ozónu, která brání pronikání nebezpečných paprsků na zemský povrch. Tento ozónový štít působí jako přirozený filtr chránící život na Zemi před tzv. biologicky aktivní složkou ultrafialového záření Slunce. Stratosférický ozón je jedním z nejdůležitějších stopových plynů v atmosféře Země. Hraje velmi důležitou roli v radiační bilanci stratosféry a tím i klimatu planety. Kdyby nebylo ozonosférou pohlcováno UV-C a výrazně redukováno UV-B záření, nebyl by na zemském povrchu možný život.

Úbytek stratosférického ozónu umožňuje větší pronikání slunečního UV záření na zemský povrch, což negativně ovlivňuje zdraví lidí, kvalitu přírodního prostředí, přírodních zdrojů i lidských výtvorů. Celkové množství ozónu ve vertikálním sloupci atmosféry nad zemským povrchem, zkráceně celkový ozón, se udává v Dobsonových jednotkách (DU). Jedna DU je definována jako tloušťka 10^-5 m vrstvy ozónu při standardním tlaku 1013 hPa a teplotě 273 K. Hodnota celkového ozónu 300 DU odpovídá vrstvě ozónu o tloušťce 3 mm. Při zemském povrchu za tlaku 100 kPa by měla ozonosféra tloušťku právě 3 mm.

Člověk může porušit rovnováhu stratosférického ozónu jakoukoliv činností, v důsledku které poruší procesy rozkladu O₃ ve stratosféře. V současné době je pozornost soustředěna především na antropogenní zásahy do NO_x, ClO_x a BrO_x cyklů a za nejdůležitější narušovatele ozónosféry se považují halogenované uhlovodíky, methan a oxidy dusíku.

Skupiny látek podílejících se na rozkladu ozónu

Za nejdůležitější narušovatele ozónosféry se považují halogenované uhlovodíky, methan a oxidy dusíku.

Freony

Rozvoj chladící techniky ve 20. letech 20. století vedl k hledání nových chladících médií, která by nebyla toxická a nepodporovala korozi kovů. Tomuto účelu vyhovovaly sloučeniny fluoru a chlóru s methanem, ethanem a cyklobutanem. Tyto částečně nebo úplně halogenované sloučeniny dostaly technický název freony a označení CFC nebo F. Vedle chladící techniky se tyto látky začaly používat v klimatizacích, jako hnací plyny do aerosolových rozprašovačů, nadouvadla pro výrobu pěnových hmot, čistící a odmašťovací prostředky a v protipožární technice. Nejznámější jsou CFC 11 (CFCl₃) a CFC 12 (CF₂Cl₂). Koncentrace těchto látek ve stratosféře však vzhledem k značně dlouhé době, po kterou jsou schopny setrvávat v atmosféře (většinou přes 40 roků), stále roste a růst musíme očekávat i v budoucnu.

Halony

Halony jsou halogenované uhlovodíky, které vedle atomů chlóru a fluoru obsahují i atomy brómu. Jedná se především o halony 1301 (CF₃Br), 1211 (CF₂BrCl) a 2402 (C₂F₄Br₂). Bromované uhlovodíky jsou pro rozpad ozónu více nebezpečné než pouze chlorované. Destrukce O₃ za přítomnosti Br (BrO_xcyklus) je podstatně efektivnější.

Oxidy dusíku

Hlavním zdrojem NO ve stratosféře je troposférický oxid dusný. Přirozenými zdroji N₂O jsou půda a povrchové vrstvy moří a oceánů. Hlavními antropogenními zdroji jsou dusíkatá minerální hnojiva, emise z elektráren, letecká automobilová a raketová doprava. Značné množství oxidů dusíku bylo do atmosféry uvolněno při jaderných výbuších.

Dalším důležitým antropogenním zdrojem chlóru ve stratosféře je rovněž methan, chlorid uhličitý a metylchloroform CH₃CCl₃.

Důsledky úbytku ozónové vrstvy

Narušení ozónosféry se může projevit změnami regionálního a globálního klimatu a může mít přímé biologické důsledky. V možnosti ovlivňování přírodních procesů spočívá vysoké nebezpečí zásahů do ozonosféry. Snížená koncentrace ozónu způsobuje pronikání většího množství slunečního ultrafialového záření na zemský povrch. Hlavní nepříznivé důsledky UV záření lze shrnout do následujících bodů:

Častější výskyt kožních nádorových onemocnění, šedých zákalů a snížení přirozené imunity u lidí i zvířat.
Narušení ekosystému souší i oceánů - postižení mořského fytoplanktonu, jenž je významným producentem kyslíku a především základem mořské potravní pyramidy. Přes celý potravinový řetězec mohou tyto změny zasáhnout lidskou společnost. Navíc mořský fytoplankton váže značné množství uhlíku z atmosférického CO₂. V důsledku narušené ozónosféry by se tedy mohla snížit schopnost oceánu odstraňovat CO₂ z atmosféry, což by vedlo k zesilování skleníkového efektu.
Snížení zemědělských výnosů inhibicí růstu suchozemských rostlin.
Intenzivnější koroze povrchů.

Výzkum v oblasti stratosférického ozónu

Zejména v posledních 50ti letech produkuje lidská společnost látky, které se po úniku do atmosféry dostávají až do oblasti ozonosféry, kde způsobují katalytický rozklad molekul ozónu. Účinky halogenovaných uhlovodíků na rozklad ozónu byly poprvé předpovězeny v roce 1974 Mario Molinem a F. Sherwoodem Rowlandem v jejich článku publikovaném v časopise Nature. V době svého vzniku vyvolaly práce Molina a Rowlanda rozporuplné reakce. Kromě kladných ohlasů jim celá řada autorů přičítala spekulativní charakter a vytýkala jim kvantitativní neověření jimi navržených reakčních schémat. Přesto jejich výsledky vedly koncem 70. a začátkem 80. let k jistým omezením týkajícím se produkce freonů. Jejich publikace iniciovala podrobnější studium mechanismu reakcí vedoucích ke snižování obsahu ozónu ve stratosféře a dala podnět k pravidelnému sledování koncentrace stratosférického ozonu. V následujících deseti letech bylo pozorováno mírné ubývání ozónu ve stratosféře. V roce 1985 publikoval Farman se svými spolupracovníky v časopise Nature výsledky svých dlouhodobých pozorování. Zjistil, že nad Antarktidou došlo v určitých obdobích k poklesu úrovně ozonu pod 50 % obvyklých hodnot. Tento úbytek nazval ozónovou dírou. Farman též upozornil na souvislost snížení úrovně ozonu se vzrůstajícím obsahem freonů v atmosféře. Ozónová díra byla nejprve pozorována nad Jižním pólem, v současnosti se významný pokles stratosférického ozonu pozoruje i nad Severním pólem. Bylo potvrzeno, že od 70. let 20. století dochází ke stálému poklesu koncentrace stratosférického ozónu. Výrazný pokles začal koncem 80. let. Vzhledem k pomalému transportu halogenovaných látek do stratosféry lze očekávat i v případě okamžitého omezení emisí těchto látek, nejvyšší úbytek ozónové vrstvy až v polovině 21. století.

Prvním vědcem, který v roce 1985 upozornil na existenci ozónové díry nad Antarktidou byl Joe Farman. V roce 1995 byla udělena Nobelova cena za chemii Mario Molinovi a F. Sherwoodu Rowlandovi za jejich práce v chemii atmosféry, zvláště za úsilí, které věnovali problematice vzniku a rozkladu ozonu. Společně s nimi byla Nobelova cena udělena i Paulu Crutzenovi, jenž již v roce 1970 navrhl reakční schéma, ve kterém je ozon katalyticky rozkládán oxidy dusíku NO a NO₂ na molekulární kyslík. Dále vysvětlil tento pochod chemickými reakcemi, které probíhají na površích částic v oblacích nacházejících se ve stratosféře. Díky činnosti těchto vědců byla světová veřejnost upozorněna na citlivost ozonové vrstvy vůči emisím vznikajícím lidskou činností.

Pokles množství ozónu

Od poloviny 70. let dochází každoročně v září až listopadu k výraznému poklesu celkového ozónu nad Antarktidou. Oblast poklesu je velmi rozsáhlá, 20 miliónů km². Ozónová díra má střed v blízkosti jižního pólu a zasahuje až na 70° j.š. S výjimkou rovníkových oblastí došlo na celém světě k poklesu celkového ozónu. Úbytek ozónu je nejpatrnější v zimních a jarních měsících. K největšímu poklesu množství ozónu v mírných zeměpisných šířkách dochází ve spodní stratosféře ve výškách 13 - 25 km. Je pozorován úbytek 10 % za desetiletí. Modelové odhady vlivu růstu koncentrací těchto látek na ozónosféru ukazují na možnost závažného narušení ozónové vrstvy. Stále častěji se v měřeních objevují velmi nízké hodnoty ozónu.

Dnes se měření koncentrace stratosférického ozónu provádějí pro celou Zemi, a to buď ze zemského povrchu, nebo ze satelitů. Z těchto pozorování vyplývá, že v posledních dvaceti letech má úbytek celkového ozónu globální charakter.

Produkce emisí

Ač bylo mezinárodními úmluvami dosaženo výrazného úspěchu ve snižování úniků látek poškozujících ozónovou vrstvu, přesto ještě není vyhráno. Například růst emisí halonů se odhaduje na 5% ročně. Je třeba mít na paměti, že i malý růst koncentrace halonů může mít značné následky.

V České republice se dlouhodobým sledováním ozónové vrstvy zabývá Solární a ozónové oddělení (SOO) Českého hydrometeorologického ústavu v Hradci Králové, kde se již od roku 1962 nepřetržitě provádí každodenní měření celkového ozónu.

Ozónová díra - panel (jpg) na úvodní stránku