Zubożenie ozonu

Dziura ozonowa na Antarktydzie

Najcięższy przypadek zubożenia ozonu został po raz pierwszy udokumentowany w 1985 roku w pracy naukowców z British Antarctic Survey (BAS) Joseph C. Farman, Brian G. Gardiner i Jonathan D. Shanklin. Począwszy od późnych lat 70-tych, duży i szybki spadek całkowitej ilości ozonu, często o ponad 60 procent w stosunku do średniej globalnej, był obserwowany wiosną (od września do listopada) nad Antarktydą. Farman i jego współpracownicy po raz pierwszy udokumentowali to zjawisko nad swoją stacją BAS w Halley Bay na Antarktydzie. Ich analizy przyciągnęły uwagę społeczności naukowej, która stwierdziła, że te spadki w całkowitej kolumnie ozonu były większe niż 50 procent w porównaniu z wartościami historycznymi obserwowanymi zarówno przez techniki naziemne, jak i satelitarne.

W wyniku pracy Farmana powstało wiele hipotez, które próbowały wyjaśnić antarktyczną „dziurę ozonową”. Początkowo proponowano, że spadek ozonu może być wyjaśniony przez cykl katalityczny chloru, w którym pojedyncze atomy chloru i ich związki pozbawiają pojedyncze atomy tlenu z cząsteczek ozonu. Ponieważ ubytek ozonu był większy niż można to było wytłumaczyć ilością reaktywnego chloru dostępnego w rejonach polarnych w wyniku znanych wówczas procesów, pojawiły się inne hipotezy. Specjalna kampania pomiarowa przeprowadzona przez National Aeronautics and Space Administration (NASA) oraz National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) w 1987 roku, jak również późniejsze pomiary, dowiodły, że chemia chloru i bromu była rzeczywiście odpowiedzialna za dziurę ozonową, ale z innego powodu: dziura okazała się być produktem reakcji chemicznych zachodzących w cząsteczkach tworzących polarne chmury stratosferyczne (PSC) w dolnej stratosferze.

Podczas zimy powietrze nad Antarktydą staje się niezwykle zimne w wyniku braku światła słonecznego i zmniejszonego mieszania się niższego stratosferycznego powietrza nad Antarktydą z powietrzem spoza tego regionu. To zmniejszone mieszanie jest spowodowane przez wir okołobiegunowy, zwany również zimowym wirem polarnym. Ograniczone przez stratosferyczny strumień wiatru krążący między około 50° a 65° S, powietrze nad Antarktydą i przyległymi morzami jest skutecznie odizolowane od powietrza spoza regionu. Ekstremalnie niskie temperatury wewnątrz wiru prowadzą do tworzenia się PSC, które występują na wysokości około 12 do 22 km (około 7 do 14 mil). Reakcje chemiczne zachodzące na cząsteczkach PSC przekształcają mniej reaktywne cząsteczki zawierające chlor w bardziej reaktywne formy, takie jak chlor cząsteczkowy (Cl2), które gromadzą się podczas nocy polarnej. (Związki bromu i tlenki azotu mogą również reagować z tymi cząsteczkami chmur). Kiedy wczesną wiosną na Antarktydę powraca dzień, światło słoneczne rozbija chlor cząsteczkowy na pojedyncze atomy chloru, które mogą reagować z ozonem i niszczyć go. Niszczenie ozonu trwa aż do przerwania wiru polarnego, co zwykle ma miejsce w listopadzie.

Zimowy wir polarny również tworzy się na półkuli północnej. Jednak na ogół nie jest on ani tak silny, ani tak zimny jak ten, który tworzy się na Antarktydzie. Chociaż polarne chmury stratosferyczne mogą tworzyć się w Arktyce, rzadko utrzymują się na tyle długo, aby doszło do znacznych spadków ozonu. Zmierzono spadek ozonu w Arktyce aż o 40 procent. To rozrzedzenie zazwyczaj występuje w latach, kiedy temperatury w dolnej stratosferze w arktycznym wirze były wystarczająco niskie, aby doprowadzić do procesów niszczenia ozonu podobnych do tych, które występują w antarktycznej dziurze ozonowej. Podobnie jak w przypadku Antarktydy, duży wzrost stężenia reaktywnego chloru został zmierzony w regionach arktycznych, gdzie występuje wysoki poziom niszczenia ozonu.