Minulost, současnost a budoucnost ozonové vrstvy
Ozonová vrstva je nezbytná pro život na Zemi, chrání biosféru před nadměrnými dávkami UV záření. Poškozování ozonové vrstvy freony antropogenního původu znamenalo závažný problém. Díky Montrealskému protokolu a jeho dodatkům se ale dnes ozonová vrstva regeneruje, a to prakticky v globálním měřítku. Obnovování urychluje změna klimatu, v budoucnosti by to mohlo vést k nedostatku UV záření.
1. Úvod
Ozon je tříatomová molekula kyslíku, O3. Jako stopový plyn je přirozenou součástí zemské atmosféry a lze ho v různých koncentracích najít ve všech výškách od zemského povrchu do více než 50 km. Většina ozonu se ovšem nachází ve stratosféře, ve výškách kolem 20 až 25 km. V nejnižší vrstvě atmosféry, troposféře (cca 0–10 km, obsahuje kolem 75 % hmotnosti atmosféry) je většinou jen asi 5–10% celkového obsahu ozonu v atmosféře.
Většina stratosférického ozonu vzniká ve stratosféře nad tropickými oblastmi, odkud je ozon transportován do vyšších zeměpisných šířek tzv. Brewer-Dobsonovou cirkulací. Právě ve vyšších zeměpisných šířkách tak celkové množství ozonu (tloušťka ozonové vrstvy) dosahuje maximálních hodnot.
Ozon vzniká disociací molekul kyslíku slunečním ultrafialovým zářením v tzv. UV-C oblasti (vlnové délky 100–280 nm). Takto vzniklý atomární kyslík spolu s dvojatomovou molekulou kyslíku tvoří tříatomovou molekulu – ozon. Ten pak absorbuje UV záření s vyššími vlnovými délkami (280–320 nm, tzv. UV-B oblast). Absorpcí UV záření se jednak mírně zvyšuje teplota stratosféry, hlavně ale ozon působí jako regulátor příkonu biologicky aktivního UV záření k zemskému povrchu. Atmosféra tak dokáže prakticky kompletně blokovat „nejtvrdší“ UV záření (UV-C) a částečně i „měkčí“ UV-B. Pouze „nejměkčí“ UV-A záření (320–400 nm) prochází k zemskému povrchu prakticky bez absorpce.
2. Měření ozonu
Obr. 1: Dva Brewerovy a Dobsonův spektrofotometr (foto: ČHMÚ)
Rozdílných absorpčních vlastností ozonu na různých vlnových délkách UV záření se využívá při měření jeho obsahu v atmosféře. Tato metoda má název DOAS (diferenční optická absorpční spektroskopie) a využívá se od nejstarších přístrojů (Dobsonovy spektrofotometry) až po ty nejnovější (Brewerovy spektrofotometry). U jednoduššího Dobsonova spektrofotometru se pracuje s různými dvojicemi vlnových délek, přičemž jedna z nich vždy vykazuje silnou a druhá slabou absorpci ozonem v UV oblasti. Právě z rozdílu absorpce na takových vlnových délkách lze odvodit celkové množství ozonu ve sloupci atmosféry. Novější Brewerovy spektrofotometry měří zároveň na více vlnových délkách a celkové množství ozonu se počítá z kombinace intenzit UV záření na těchto vlnových délkách (obr. 1).
Celkové množství ozonu se vyjadřuje v Dobsonových jednotkách (D.U.). 1 Dobsonova jednotka vyjadřuje množství ozonu, které by za normálních podmínek (tlak 1013,25 hPa, teplota 0 °C) vytvořilo vrstvu silnou 10 mikrometrů. Průměrné množství ozonu nad naším územím, kolem 350 D.U., by tedy vytvořilo vrstvičku silnou jen 3,5 mm.
Důležité však nejsou jen údaje o celkovém množství ozonu, ale i o jeho vertikálním rozložení (vertikální profil). Tato měření lze provádět buď přímo (balonové sondy s aparaturou pro přímé elektrochemické měření koncentrace ozonu) nebo nepřímo, pomocí změn absorpce nebo rozptylu UV záření v době, kdy je Slunce těsně nad obzorem (tzv. umkehr měření). Umkehr měření je sice méně přesné, dává však informace i o hladinách, kam se ozonové sondy běžně nedostanou (nad cca 30–35 km) a navíc k nim lze využít stávající Dobsonovy nebo Brewerovy spektrofotometry a není tedy třeba pořizovat žádnou další měřicí techniku.
3. Monitoring ozonu v ČR
Pravidelný monitoring stavu ozonové vrstvy nad územím ČR provádí pracoviště ČHMÚ v Hradci Králové již více než půl století. Tato měření patří k nejdelším nejen v Evropě, ale i v celosvětovém měřítku. Navíc jde o měření dlouhodobě velice kvalitní a jsou součástí globálního monitorovacího systému, koordinovaného Světovou meteorologickou organizací v rámci programů „Globální sledování atmosféry“ (GAW) a „Síť pro detekci změn složení atmosféry“ (NDACC). Radiosondážní měření vertikálních profilů ozonu se provádí na observatoři Praha-Libuš od roku 1979 a to z finančních důvodů 3× týdně v období od ledna do dubna. Toto období je totiž velice zajímavé a důležité z hlediska dynamiky ozonové vrstvy nad střední Evropou. Celoročně se pak od roku 1994 provádějí Umkehr měření vertikálních profilů ozonu v Hradci Králové.
4. Antarktická ozonová díra
Již koncem 70. let minulého století byly v Antarktidě, na britské stanici Edmunda Halleyho, pozorovány poklesy celkového množství ozonu, zejména v průběhu antarktického jara (říjen). Tyto poklesy byly brzy potvrzeny i pomocí satelitních měření přístroji TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer). Pravděpodobné příčiny ale byly již v té době známy. Už v 60. letech totiž formulovali Sherwood Rowland, Paul Cruzten a Mario Molina teorii, podle které mohou freony (chlor-fluorované uhlovodíky) způsobovat destrukci ozonu ve stratosféře. Působením UV záření se z nich totiž ve stratosféře uvolňuje atomární chlor, který potom reakcemi, podobnými katalytickým, rozkládá ozon. Jeden atom chloru tak dokáže zničit až několik set tisíc molekul ozonu. Po potvrzení této teorie za ni dokonce autoři dostali v roce 1995 Nobelovu cenu.
K výrazným poklesům celkového ozonu v polárních oblastech výrazně přispívá i tzv. polární stratosférická oblačnost (PSC – Polar Stratospheric Clouds). Ta vzniká ve stratosféře v období polární noci, kdy zde klesají teploty vzduchu až pod −80 °C. Na drobných krystalcích oblačnosti se výrazně urychlují procesy rozpadu ozonu působením chloru. Navíc jeden z typů polární stratosférické oblačnosti je z velké části tvořen sloučeninami dusíku, které by na sebe jinak dokázaly vázat část reaktivního chloru. „Vymrznutí“ těchto sloučenin v podobě PSC tedy rovněž urychluje destrukci ozonu působením reaktivního chloru.
5. Opatření na ochranu ozonové vrstvy
V 80. letech byly poklesy ozonu pozorovány už i mimo Antarktidu, v mírných zeměpisných šířkách. V situaci s poměrně vysokou produkcí freonů různých typů bylo zřejmé, že pokud by tento trend trval nadále, vedlo by to k dalšímu poklesu množství ozonu ve stratosféře a následně i k nárůstu intenzity zejména UV-B záření. To dokáže poškozovat bílkoviny i DNA s následným nárůstem výskytu např. kožních melanomů nebo problémů se zrakem. Dále negativně ovlivňuje účinnost fotosyntézy a protože může pronikat vodou až do hloubky několika metrů, může být rizikovým faktorem i pro mořský život.
Obr. 2: Předpokládaný efekt Montrealského protokolu a jeho dodatků
(zdroj: WMO)
Ve snaze o řešení této situace byla 22. 3. 1985 podepsána tzv. Vídeňská konvence o ochraně ozonové vrstvy. Ta deklarovala nutnost mezinárodní spolupráce v oblasti výzkumu a monitoringu ozonové vrstvy a uvedla všechny v té době známé látky, poškozující ozonovou vrstvu, ale ještě bez konkrétních cílů a závazků na snížení jejich výroby a spotřeby. Ty byly obsahem až tzv. Montrealského protokolu k Vídeňské konvenci, kde byly poprvé stanoveny limity na produkci látek, poškozujících ozonovou vrstvu. Montrealský protokol byl podepsán 16. 9. 1987.
Montrealský protokol ale nemohl sám zastavit poškozování ozonové vrstvy, maximálně ho mohl mírně zpomalit. Proto v dalších letech následovalo několik dodatků k Montrealskému protokolu a až ony dokázaly postupně zajistit, že koncentrace freonů a tedy i volného chloru by měly ve stratosféře začít klesat, což bylo nutnou podmínkou pro začátek regenerace ozonové vrstvy. Z nejvýznamnějších dodatků Montrealského protokolu lze uvést např. Londýnský (1990), Kodaňský (1992) nebo Pekingský (1999) (obr. 2).
Restrikce na produkci zejména tzv. „tvrdých“ freonů typu CFC (chloro-fluoro-karbony) vedly k jejich nahrazování plyny typu HCFC (hydro-chloro-fluoro-karbony). Ty také sice do určité míry poškozují ozonovou vrstvu, jsou ale méně stabilní v troposféře, takže se jich od povrchu do stratosféry dostává méně. Další možnost představuje použití sloučenin typu HFC (hydro-fluoro-karbony). Ty ozonovou vrstvu nepoškozují, neobsahují totiž chlor. Mají ale jednu velkou nevýhodu – jsou to silné skleníkové plyny. Některé studie naznačují, že pokud by se jejich produkce neomezila, kolem roku 2050 by se na zesílení skleníkového efektu podílely z 10 až 25%. Proto se dnes hledají náhrady i za tyto látky. HFC jsou totiž poměrně stabilní i v troposféře, jejich „doba života“ je v letech až desetiletích a mají tedy dost času působit na zesílení skleníkového efektu. Požadavek na jejich náhrady je jasný – nesmějí obsahovat chlor (aby nepoškozovaly ozonovou vrstvu) a musejí být v troposféře méně stabilní, se střední „dobou života“ maximálně v týdnech.
6. Výsledky opatření
![Obr. 3: Dlouhodobý vývoj celkového ozonu mimo polární a subpolární oblasti (zdroj: [1])](/docu/clanky/0122/012215o4.png)
Obr. 3: Dlouhodobý vývoj celkového ozonu mimo polární a subpolární oblasti
(zdroj: [1])
Zhruba od poloviny 90. let minulého století začaly koncentrace alespoň těch „nejtvrdších“ freonů v atmosféře v mírných zeměpisných šířkách skutečně klesat a následkem toho začaly klesat i koncentrace reaktivního chlóru ve stratosféře. S několikaletým zpožděním se podobný proces začal projevovat i v polárních oblastech. To vedlo k zastavení poklesu koncentrací ozonu ve stratosféře a postupně i k nárůstu jeho koncentrací (obr. 3). Ještě několik let ale trvalo, než bylo možné potvrdit, že jde o stabilní dlouhodobý trend, a ne jen o důsledek nějakých krátkodobých oscilací. Toto potvrzení bylo formulováno v publikaci [1]. Prokázalo se tím, že Montrealský protokol a jeho dodatky byly účinné a vedly ke změně dosavadního nepříznivého trendu vývoje ozonové vrstvy.
Trend postupného nárůstu koncentrací ozonu ve stratosféře trvá dosud. Jen z části je ale způsoben poklesem koncentrací reaktivního chloru. Přibližně stejně velký vliv jako snižování koncentrace látek, ničících ozon, mají i změny teploty stratosféry. Jedním z důsledků tzv. „globálního oteplování“ je totiž nejen nárůst teplot v troposféře, ale i pokles teploty stratosféry. Při nižších stratosférických teplotách (pokud ovšem nevzniká polární stratosférická oblačnost) klesá rychlost reakcí, ničících ozon. Ten je tedy při nižších teplotách stabilnější a může se ve stratosféře vyskytovat i ve vyšších koncentracích.
Podobné výsledky ukázala i studie, zpracovaná na ČHMÚ v roce 2012 [2]. Tématem bylo zpracování 50leté řady měření celkového ozonu nad ČR a detekce hlavních příčin a zdrojů nízkofrekvenční i vysokofrekvenční variability celkového ozonu. Studie jasně prokázala dominantní vliv chemických faktorů, reprezentovaných hodnotami EESC (Equivalent Effective Stratospheric Chlorine – vyjádření koncentrací reaktivního chloru ve stratosféře), ale i změn klimatu (změny teploty ve spodní stratosféře, výška tropopauzy). Jako další faktor pak byl identifikován epizodický vliv velkých sopečných erupcí (aerosoly vulkanického původu ve stratosféře, zejména El Chichon 1982 a Pinatubo 1991) a vliv změn sluneční aktivity v rámci jejího 11letého cyklu. Podrobnější informace lze nalézt v [2].
7. Budoucnost ozonové vrstvy
A jakou budoucnost ozonové vrstvy můžeme očekávat? Především by chemické vlivy (tj. koncentrace freonů a z nich uvolňovaného reaktivního chloru) měly i nadále klesat. To bude mít za následek další regeneraci ozonové vrstvy, která by se někdy kolem poloviny tohoto století měla dostat do svého přirozeného stavu, podobného tomu, jaký byl v 60.a 70. letech minulého století. Je tu ale ještě vliv globálního oteplování a s ním souvisejícího ochlazování stratosféry. Ty budou, podle všeho, pokračovat dál a v konečném důsledku mohou vést k tomu, že vzestupy koncentrací ozonu budou pokračovat i ve druhé polovině století, po regeneraci ozonové vrstvy. Koncentrace ozonu by se tak mohly dostat i na hodnoty vyšší, než byly před obdobím výrazné destrukce ozonu. Pro tento očekávaný vývoj se vžil název „superrecovery“. Navíc by v souvislosti se změnami klimatu mohla zesílit i Brewer-Dobsonova cirkulace, což by urychlilo transport ozonu z tropické stratosféry do stratosféry mírných šířek a i to může přispět k uvedené „superrecovery“.
„Superrecovery“ ozonu by zákonitě vedla ke snížení intenzity UV záření při zemském povrchu pod hodnoty, které tu byly do 60. a 70. let minulého století. Může se to zdát jako pozitivní důsledek změn klimatu, ale UV záření není jen škodlivé. Naopak, bez něj bychom se jen těžko obešli. Například vitamin D se tvoří v kůži obratlovců právě působením UV-B záření. Nedostatek UV-B záření může znamenat nedostatek vitamínu D a s tím spojené zdravotní důsledky (např. problémy se stavbou kostí nebo nedostatečná funkce imunitního systému). A odborníci už začínají upozorňovat na tento možný důsledek „superrecovery“ ozonu.
Literatura
- [1] Assessment for Decision-Makers: Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2014, World Meteorological Organization, Global Ozone Research and Monitoring Project—Report No. 56, Geneva, Switzerland, 2014.
- [2] Vaníček K., Metelka L., Skřivánková P., Staněk M.: Dlouhodobé změny ozonové vrstvy nad územím České republiky. Sborník prací ČHMÚ, svazek 58, Praha 2012. ISBN 978-80-87577-07-3
The ozone layer is essential for life on Earth. It protects the biosphere against excessive doses of UV radiation. Anthropogenic emissions of ozone-depleting CFCs caused a serious problem. Fortunately thanks to the Montreal Protocol and its appendices the ozone layer regenerates today, virtually on a global scale. Restoration of the ozone layer is accelerated by climate change, what in the future could lead to a lack of UV radiation.