Stratosfera

Wiadomości podstawowe

Powstawanie ozonu

Życie na Ziemi stało się możliwe dzięki utworzeniu się warstwy ozonowej w stratosferze. Ozon chroni nas przed promieniowaniem słonecznym UV-C i UV-B (o długości fali poniżej 320 nm), które niszczy komórki żywych organizmów. Ozon mógł się utworzyć po tym jak w atmosferze ziemskiej pojawił się tlen, w okresie między 2000 a 600 mln lat temu. Ale jak?

Promieniowanie UV powoduje tworzenie się i niszczenie ozonu

W stratosferze istnieją dwie formy tlenu: zwykły tlen O₂, składający się z dwóch atomów O oraz ozon O₃, składający się z trzech atomów O. Aby jedna z tych form przekształciła się w drugą konieczne jest promieniowanie UV. Wiązanie cząsteczki tlenu O-O zostaje rozerwane. Utworzony atom O wchodzi w reakcję z tlenem (przy udziale dodatkowej cząstki M, biorącej udział w wymianie energii) i powstaje ozon. Promieniowanie UV (żółta fala na ryc. 1) dociera do Ziemi ze Słońca.

Analogicznie, ozon jest niszczony przez fotolizę, jeśli wiązanie O-O w cząsteczce ozonu jest rozerwane przez promieniowanie słoneczne. W takim wypadku utworzony atom O wchodzi w reakcję z inną cząsteczką ozonu i tworzą się dwie cząsteczki tlenu O₂.

Powstawanie w tropikach, gromadzenie w regionach polarnych

Promieniowanie słoneczne jest najsilniejsze w obszarach międzyzwrotnikowych, dlatego też właśnie tam tworzy się najwięcej ozonu. Energia słoneczna jednakże powoduje w tym regionie Ziemi nie tylko tworzenie się znacznych ilości ozonu, ale także wynoszenie powietrza troposferycznego na duże wysokości.

Ozon jest przenoszony znad równika ku biegunom, gdzie gromadzi się w chłodnych obszarach okołobiegunowych. Nad równikiem tak tworzenie się ozonu, jak też jego fotochemiczne niszczenie przebiegają bardzo intensywnie. Ozon nie może się tam gromadzić. Natomiast w regionach okołobiegunowych rozpad fotochemiczny zachodzi w niewielkim stopniu, a transport znad równika jest tam głównym źródłem ozonu. Zawartość ozonu w powietrzu stratosferycznym nad biegunami jest niższa niż nad równikiem, zwłaszcza zimą, kiedy w czasie nocy polarnej nie może zachodzić dodatkowe tworzenie się ozonu. Z tego powodu najwyższe wartości koncentracji ozonu występują nad regionami polarnymi, tak długo jak działanie całego tego systemu nie zostanie zaburzone przez tworzenie się dziury ozonowej nad Antarktydą wiosną. 

Ozon pochłania promieniowanie UV

To samo promieniowanie UV, które jest konieczne do utworzenia się ozonu jest także pochłaniane przez cząsteczki ozonu w warstwie ozonowej. Ma to trzy konsekwencje:

1) To promieniowanie nie dociera do niższych części atmosfery i dzięki temu powierzchnia Ziemi jest przed nim chroniona.
2) Ilość ozonu, która może być zmagazynowana w atmosferze jest ograniczona. Wraz ze wzrostem stężenia ozonu, prawdopodobieństwo jego rozpadu także wzrasta. To pozwala utrzymać równowagę.
3) Promieniowanie UV zawiera pewną energię. Ta energia jest przetwarzana na promieniowanie cieplne, co prowadzi do ogrzewania się stratosfery. Jest to powodem występowania inwersji temperatury w tropopauzie.

Grubość warstwy ozonowej

Pojęcie „warstwa ozonowa” jest często źle rozumiane. Określenie to oznacza, że w porównaniu z troposferą poniżej i mezosferą powyżej, w warstwie stratosfery na wysokości 18-40 km występuje zwiększone stężenie cząsteczek ozonu w powietrzu. Jednakże stężenie to jest bardzo małe w porównaniu np. z azotem czy tlenem. Zaledwie co najwyżej 10 na 1 milion cząsteczek powietrza to ozon, ale ponieważ ozonu w troposferze jest jeszcze mniej, a 90% całego atmosferycznego ozonu znajduje się w stratosferze, nazywamy tą część atmosfery warstwą ozonową. Nie oznacza to jednak, że gdzieś w atmosferze znajduje się warstwa samego ozonu.

Jednostka miary: dobson

Ozon mierzymy w dobsonach. 300 dobsonów to wartość typowa dla warstwy ozonowej. Co to oznacza? Gdyby przyjąć, że wszystkie cząstki ozonu nie są rozproszone w całej stratosferze a 10% w troposferze, ale że wszystkie one zostały zgromadzone przy powierzchni ziemi to grubość takiej warstwy wynosiłaby około 3 mm (= 300 dobsonów). 1 dobson = warstwa o grubości 0,01 mm składająca się z czystego ozonu przy powierzchni ziemi

O tej stronie:

Autor: Dr Elmar Uherek, Max Planck Insitute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Konsultacja dydaktyczna 1: Hendrik Förster i jego uczniowie, Gimnazjum Nordpfalz Kirchheim-Bolanden - marzec 2004 r.
Konsultacja dydaktyczna 2: Michael Seesing - Univ. of Duisburg, Niemcy - 2003-07-02, Dr Ellen K. Henriksen - Univ. of Oslo, Norwegia
Recenzent: Dr John Crowley - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy 2004-05-06
Ostatnia aktualizacja: 2004-05-10
Tłumaczenie na język polski: Dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków