Ozon i zmiana klimatu

Protokół montrealski to dotychczas najbardziej udany globalny traktat środowiskowy. Dzięki bezprecedensowej współpracy rządów, naukowców i przemysłu skutecznie wycofano z obiegu substancje zubożające warstwę ozonową. W większości regionów świata udało się zatrzymać spadek koncentracji tego gazu w atmosferze. Jednak warstwa ozonowa jest wciąż atakowana przez aktywne związki chloru i bromu, pochodzące z obficie stosowanych w przeszłości produktów, takich jak aerozolowe materiały pędne, czynniki chłodnicze, pestycydy, rozpuszczalniki i gaśnice.  Ze względu na długi czas życia wielu z tych substancji, oczekuje się, że ich skutki chemiczne utrzymają się jeszcze przez 50  100 lat. Tegoroczny Międzynarodowy Dzień Ochrony Warstwy Ozonowej, odbywający się pod hasłem „Montreal Protocol@35: global cooperation protecting life on earth”, przypomina nam, że mimo 35 lat globalnej współpracy, warstwa ozonowa wymaga dalszej ochrony dla przyszłych pokoleń.

Życie na Ziemi może się rozwijać dzięki promieniowaniu słonecznemu, jednak bez obecności warstwy ozonowej energia emitowana ze Słońca byłaby dla naszej planety zabójcza. Ponieważ ozon w pionowych warstwach atmosferycznych powstaje i jest niszczony przez różne reakcje fotochemiczne – i emisje prekursorów zarówno ze źródeł naturalnych, jak i antropogenicznych – zmienność czasowa koncentracji tego gazu (w skalach czasowych sezonowych, międzyrocznych i dekadowych) w dużym stopniu zależy od położenia (wysokości) cząsteczek ozonu w atmosferze. Przy powierzchni gaz ten jest wtórnym zanieczyszczeniem powietrza, niekorzystnie wpływającym na zdrowie ludzi, naturalną roślinność oraz plony. Z kolei w okolicy tropopauzy ozon pochłania promieniowanie podczerwone (termiczne Ziemi i atmosfery), powodując wzrost temperatury w niższych warstwach atmosfery. Natomiast zasadnicza naturalna warstwa ozonowa, zlokalizowana w stratosferze (10-50 km), zatrzymuje szkodliwą część promieniowania słonecznego (pasma UV) i umożliwia utrzymywanie się życia na naszej planecie w znanej nam formie od około 600 milionów lat. Im cieńsza jest warstwa ozonowa, tym więcej promieniowania UV-B dociera do powierzchni Ziemi. U ludzi nadmierna eskpozycja na słoneczne promieniowanie ultrafioletowe może powodować oparzenia słoneczne, zaćmę, mutacje genetyczne i raka skóry. Znaczne szkody może poczynić również w organizmach lądowych i morskich, w tym maleńkim fitoplanktonie, który stanowi podstawę oceanicznego łańcucha pokarmowego. Ozon jest również bardzo silnym utleniaczem przyczyniającym się do produkcji rodników OH w górnej troposferze, te zaś pełnią rolę detergentu usuwającego zanieczyszczenia nierozpuszczalne w wodzie.

Pomiary ozonu w Polsce

Już na początku lat 70. ubiegłego wieku pomiary prowadzone w umiarkowanych szerokościach geograficznych półkuli północnej, w tym na polskiej stacji IGF PAN w Belsku, wykazały spadkowy trend zawartości ozonu w atmosferze. Wyniki te przyczyniły się do intensyfikacji badań w dziedzinie chemii atmosfery. W 1974 roku odkryto, że emitowane przez człowieka związki chloru (CFC – znane jako freony) stanowią zagrożenie dla warstwy ozonowej. Kiedy substancje te po kilku latach docierają do stratosfery, promieniowanie ultrafioletowe ze Słońca powoduje powolny ich rozpad i uwalnianie atomów chloru i bromu, które reagują z ozonem. Wywoływane w ten sposób chemiczne cykle niszczenia ozonu zubożają ochronną warstwę ozonową. Obliczono, że pojedynczy atom chloru może zniszczyć ponad 100 tysięcy cząsteczek ozonu, a bromu blisko 50 razy więcej! (na szczęście ilość związków zawierających brom jest w atmosferze znacznie niższa niż w przypadku CFC). W końcu lat 70. ubożenie warstwy ozonowej stało się problemem globalnym . Od 1979 roku na stacji w Legionowie wykonywane są regularne, cotygodniowe pomiary elektrochemiczną sondą ozonową unoszoną balonem. Dane sondażowe są wykorzystywane m.in. do śledzenia trendów ozonu, badania procesów fotochemicznego niszczenia gazu w arktycznym wirze polarnym oraz do walidacji satelitarnych pomiarów ozonu.

Dlaczego dziura ozonowa pojawia się tylko w rejonie Antarktydy?

Obserwacje z początku lat 80. potwierdziły, że podczas wiosny na półkuli południowej (wrzesień-październik) całkowita koncentracja ozonu nad Antarktydą dramatycznie się zmniejsza. To nieobserwowane wcześniej zjawisko spadku ozonu w kolumnie atmosfery poniżej 220 DU (DU, jednostka koncentracji ozonu w atmosferze nazywana Dobsonem), tj. 50-70 proc. poniżej normy, nazwane zostało „dziurą ozonową”. Szerzej o mechanizmie powstawania dziury ozonowej przeczytacie w https://obserwator.imgw.pl/dziura-ozonowa-2020-rozlegla-i-gleboka-ale-czy-rekordowa/.

Niszczenie warstwy ozonowej nad Arktyką jest mniejsze niż nad Antarktydą i wykazuje większe wahania z roku na rok z powodu wysoce zmiennych warunków meteorologicznych w rejonach polarnych półkuli północnej. W marcu i kwietniu 2021 roku nad Arktyką po raz pierwszy w historii obserwacji pojawiły się wyraźne oznaki dziury ozonowej. Ale nawet największe ubytki ozonu nie prowadzą tu do takich spadków jak nad Antarktydą, ponieważ generalnie zawartość ozonu zimą nad Arktyką jest znacznie większa niż w rejonach polarnych półkuli południowej.

Dlaczego dziura ozonowa nie jest głównym powodem zmiany klimatu?

W normalnych warunkach warstwa ozonowa blokuje szkodliwą część UV, a dziura ozonowa pozwala na dotarcie do powierzchni większej ilości światła UV niż zwykle. Jednak ta dodatkowa energia dodana do systemu klimatycznego Ziemi jest tak mała, że nie może być odpowiedzialna za globalne ocieplenie, które ma obecnie miejsce. Przyczyna jest dość trywialna. Otóż zdecydowana większość światła słonecznego to światło widzialne, które możemy zobaczyć gołym okiem, o długości fali 400-700 nanometrów. UV stanowi tylko około 8 proc. całego spektrum słonecznego, a warstwa ozonowa i tlen (oba te gazy pochłaniają promieniowanie UV) pozwalają tylko ułamkowi tej części dotrzeć do powierzchni.

Interakcje ozonu z klimatem

Ozon atmosferyczny ma wielorakie powiązania z klimatem. Samo istnienie warstwy ozonowej, która poprzez pochłanianie UV tworzy w przybliżeniu izotermiczną dolną stratosferę, stabilizuje klimat (np. bez ograniczenia zasięgu konwekcji do wysokości tropopauzy, tj. 6-18 km, burze na Ziemi byłyby dużo bardziej intensywne). W zależności od ilości ozonu zmienia się rozkład temperatury i stężenie substancji śladowych w stratosferze, co zresztą powoduję sprzężenie zwrotne. Kiedy tworzy się wiosenna dziura ozonowa, koncentracja ozonu w warstwie 15-25 km silnie spada, czasami więcej niż 90 proc. poniżej normy. Te spadki powodują w ciągu ostatnich kilku dekad nasilanie się trendu wychłodzenia dolnej stratosfery polarnej i intensyfikację cyrkulacji atmosferycznej na półkuli południowej w sezonie wiosennym. To z kolei wpływa na klimat, głównie latem. Przeważające wiatry zachodnie na średnich szerokościach geograficznych wzmocniły się i przesunęły bliżej bieguna, przyciągając ścieżki burzowe i związane z nimi opady deszczu na południe.

Opracowanie wiarygodnych prognoz zubożenia warstwy ozonowej w kontekście zmiany klimatu stanowi poważne wyzwanie. Procesy, które należy uwzględnić w modelach prognostycznych, a także rozkłady i budżety odpowiednich substancji śladowych (np. halogenów, chmur stratosferycznych) są badane za pomocą pomiarów lotniczych i balonowych oraz w eksperymentach laboratoryjnych. Rozważane są możliwe scenariusze przyszłych wpływów antropogenicznych na warstwę ozonową. Modele sugerują, że ciągła akumulacja substancji zubożających warstwę ozonową w atmosferze (w tempie +3.5 proc/rok) doprowadziłaby, przy braku Protokołu montrealskiego, do załamania się globalnej warstwy ozonowej już w połowie XXI wieku.

Odnotowano dodatkowe, w większości nieprzewidziane, korzyści dla łagodzenia globalnej zmiany klimatu, wynikające z przepisów wycofujących szkodliwe dla ozonu substancje. Bowiem nieuregulowany wzrost stężenia substancji niszczących warstwę ozonową mógł w ciągu najbliższych dekad doprowadzić do ocieplenia się atmosfery Ziemi w stopniu porównywalnym do ocieplenia wywołanego innymi gazami cieplarnianymi oraz nasilić negatywne zmiany w cyklu hydrologicznym. Badania uwypukliły także inne aspekty korzyści klimatycznych wynikających z Protokołu montrealskiego. Na przykład ustalono, że bez wprowadzenia ograniczeń emisji substancji zubożających warstwę ozonową w 2065 roku nastąpiłby trzykrotny wzrost potencjalnej intensywności cyklonów tropikalnych

CZY WIESZ ŻE?

Poziom ozonu monitoruje się za pomocą wielu urządzeń, m.in. także z kosmosu. CASM, czyli Copernicus Atmosphere Monitoring Service, gromadzi ogromne ilości danych na temat składu chemicznego atmosfery, korzystając z szerokiej gamy czujników umieszczonych w satelitach, samolotach, balonach i na Ziemi. Urządzenia te wychwytują zarówno „dobry ozon”, który chroni Ziemię przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym, jak i „zły ozon” na poziomie gruntu, który jest zanieczyszczeniem powietrza i może mieć wpływ na zdrowie ludzi i rolnictwo. Dzięki obserwacjom w czasie zbliżonym do rzeczywistego i matematycznym modelom atmosfery, CAMS jest w stanie dostarczyć szczegółowych informacji o stanie warstwy ozonowej i prognozach jej zmian w okresach 5-dniowych.

Czy Protokół montrealski reguluje wszystkie substancje niszczące warstwę ozonową?

Ozon stratosferyczny jest zubożany przez wiele różnych substancji chemicznych – przede wszystkim chloro-fluoro-węglowodory (CFC) odpowiedzialne za powstawanie dziury ozonowej nad Antarktydą – ale ważną rolę dogrywa tu również podtlenek azotu (N2O), który poza antropogenicznymi ma również naturalne źródła. W przeciwieństwie do CFC, stosowanie i emisja N2O nie są regulowane Protokołem. Co zaskakujące, podtlenek azotu jest największą pojedynczą substancją szkodliwą dla ozonu, która jeśli nie będzie kontrolowana, pozostanie związkiem najbardziej zubożającym warstwę ozonową w XXI wieku. Zmniejszenie emisji podtlenku azotu zwiększyłoby zatem tempo odzyskiwania warstwy ozonowej i zmniejszyłoby antropogeniczne ocieplanie klimatu.

A więc ochrona warstwy ozonowej chroni również klimat?

Redukcja substancji zubożających warstwę ozonową (ODS) ma korzystny efekt uboczny – mianowicie zmniejsza tempo ocieplania się klimatu. Dzieje się tak, ponieważ wśród ODS znajdują się gazy cieplarniane, które tak jak dwutlenek węgla, metan czy podtlenek azotu podnoszą temperaturę powierzchni Ziemi. Jak podaje Europejska Agencja Środowiskowa , wdrożenie protokołu montrealskiego i uzyskana dzięki temu redukcja emisji ODS w latach 1985-2010 odpowiadała 10-12 gigatonom ekwiwalentu CO2. To blisko 6 razy więcej niż cel redukcji emisji gazów cieplarnianych zapisany w protokole z Kioto na lata 2008-2012.

Jest jedno, ale...

Niestety za obniżeniem emisji ODS kryje się inne niepokojące zjawisko. Wycofanie substancji groźnych dla warstwy ozonowej spowodowało, że w wielu sektorach gospodarki wymagających urządzeń chłodniczych i klimatyzujących wprowadzono jako substytut ODS gazy fluorowane, które nie są groźne dla ozonu, ale są … gazami cieplarnianymi. Co gorsza, niektóre z nich, np. wodorofluorowęglowodory (HFC), wywołują efekt cieplarniany, który jest do 23 tys. razy silniejszy(!) niż spowodowany tą samą ilością uwolnionego do atmosfery dwutlenku węgla. Co prawda emisje gazów fluorowanych są znacznie mniejsze niż CO2 (stanowią zaledwie 2 proc. całej emisji gazów cieplarnianych), ale ich wykorzystanie i obecność w atmosferze stale rośnie od lat 90. XX wieku. Dlatego Unia Europejska przyjęła dwa akty ustawodawcze: rozporządzenie w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i dyrektywę dotyczącą emisji z systemów klimatyzacji w pojazdach silnikowych, które mają pomóc zmniejszyć zużycie m.in. HFC o 80 proc. do 2030 roku. Dane na temat wykorzystania gazów fluorowanych w produkcji są natomiast zbierane i publikowane przez EEA w corocznym raporcie .

Aktualny stan warstwy ozonowej

Wszystkie kraje przestrzegają obecnie obowiązujących umów międzynarodowych, takich jak Konwencja wiedeńska oraz Protokół montrealski (wraz z jego aktualizacjami). Po osiągnięciu szczytu około roku 2000, całkowita ilość związków zawierających chlor i brom w stratosferze powoli spada, ale prawdopodobnie minie 50 lat zanim ilość chloru i bromu powróci do stanu sprzed 1980 roku (mniej więcej wtedy, gdy zaobserwowano pierwszą dziurę ozonową na Antarktydzie). Ostatnie doniesienia naukowe pokazują, że redukcja ozonu zatrzymała się w większości regionów świata, ale może upłynąć wiele lat, zanim ilość ozonu zacznie ponownie rosnąć. Dziura ozonowa na Antarktydzie, która pojawia się co roku w okresie od września do listopada, nie pogorszyła się w ciągu ostatnich 5-10 lat, ale nie ma jeszcze oznak znaczącej poprawy. W tym roku od połowy sierpnia obserwuje się jej dynamiczny wzrost, a prognozy Królewskiego Niderlandzkiego Instytutu Meteorologicznego potwierdzają, że już teraz jest ona porównywalna do tej z 20221 roku. Informacje o aktualnym stanie dziury ozonowej podawane są codziennie na stronie NASA Ozone Watch .

Wszystkie informacje na temat stanu warstwy ozonowej są dostępne za darmo za pośrednictwem Atmosphere Data Store (https://atmosphere.copernicus.eu/monitoring-ozone-layer).

Pod tym linkiem https://youtu.be/OINKJNWtSiE obejrzycie krótki, ale niezwykle ciekawy film z unikatowymi kadrami i zdjęciami, w którym sir David Attenborough opowiada o historii protokołu montrealskiego.

Więcej: https://obserwator.imgw.pl/ozon-i-zmiana-klimatu/

Bogumił Kois
IMGW-PIB/Zakład Monitorowania Jakości Powietrza

Rafał Stepnowski
IMGW-PIB/Zakład Komunikacji