У цій публікації блогу розглядається подвійна природа озону: як він захищає життя, блокуючи ультрафіолетові промені у верхніх шарах атмосфери, але водночас шкодить рослинам і людям на рівні землі.
Озон (O₃) утворюється, коли атоми кисню (O) з'єднуються з молекулами кисню (O₂). Це високотоксична речовина, достатньо потужна, щоб використовувати її як дезінфікуючий засіб у розведеному вигляді. Відомо, що у поверхневій атмосфері вона пошкоджує хлоропласти рослин і тканини легень людини. І навпаки, озон має властивість поглинати ультрафіолетове випромінювання, шкідливе для життя, відіграючи захисну роль для форм життя на Землі, блокуючи ультрафіолетові промені у верхніх шарах атмосфери.
На рівні землі озон утворюється внаслідок хімічних реакцій оксидів азоту під впливом сильного сонячного світла. Оксиди азоту виділяються під час згоряння палива, переважно у формі оксиду азоту (NO) та діоксиду азоту (NO₂). Як і озон, оксиди азоту хімічно дуже нестабільні та перетворюються на більш стабільний діоксид азоту, з'єднуючись з атомами кисню. Під впливом сонячного світла діоксид азоту знову розпадається на оксиди азоту та атоми кисню. Ці атоми кисню потім з'єднуються з молекулами кисню, утворюючи озон. Вуглеводи діють як каталізатори в цьому процесі утворення озону.
Озон у верхніх шарах атмосфери в основному утворюється в нижній стратосфері на низьких широтах. Молекули кисню поглинають ультрафіолетове випромінювання та розпадаються на атоми кисню. Ці розщеплені атоми кисню потім зв'язуються з іншими молекулами кисню, утворюючи озон. Молекули азоту або молекули кисню також діють як каталізатори в цьому процесі. Стратосфера - це атмосферний шар, що простягається від найнижчої тропосфери приблизно до 50 км на висоті. На відміну від тропосфери, де активна вертикальна циркуляція повітря, стратосфера зазнає підвищення температури з висотою, що запобігає конвекції. Температура стратосфери визначається пропорційно кількості ультрафіолетового випромінювання, поглиненого озоном. Більшість озону зосереджена в найнижчому шарі стратосфери, відомому як озоновий шар.
На виснаження озонового шару впливають оксиди азоту, що викидаються під час експлуатації літаків та ядерних випробувань, але головним чином це спричинено фреонами (CF₂Cl₂ або CFCl₃), які класифікуються як основні парникові гази поряд з вуглекислим газом. Розроблені та використовуються з кінця 1920-х років, фреони є дуже стабільними та не розкладаються під впливом сонячного світла в тропосфері. Це дозволяє їм поширюватися по всій атмосфері Землі протягом тривалого часу через атмосферну циркуляцію. Фреони розкладаються лише під впливом ультрафіолетового випромінювання в стратосфері, вивільняючи атоми хлору (Cl). Ці атоми хлору хімічно реагують з озоном, утворюючи монооксид хлору (ClO), який потім реагує з атомами кисню, повертаючись назад до атомів хлору. Цей цикл повторюється, що призводить до виснаження озонового шару.
Взимку, коли сонячне світло дуже слабке, у нижній стратосфері над Антарктидою утворюється масивний круговий вихор, що рухається сильними обертовими вітрами. Повітря, що містить фреонові гази та водяну пару, втягується в цей вихор з нижчих широт через глобальну атмосферну циркуляцію. Водяна пара в цьому повітрі, що надходить, перетворюється на кристали льоду, захоплюючи в собі фреонові гази. Цей процес повторюється, внаслідок чого кристали льоду, що містять фреоновий газ, безперервно накопичуються у вихорі протягом всієї зими. Коли сонячне світло досягає цієї області навесні, вихор послаблюється та розсіюється. Коли кристали льоду тануть, атоми хлору, що швидко вивільняються із захопленого фреонового газу, інтенсивно руйнують озоновий шар. Причина, чому виснаження озонового шару в Антарктиді не спостерігалося протягом півстоліття після розробки ХФВ, полягала в тому, що ХФВ знадобилося надзвичайно багато часу, щоб транспортуватися до Антарктиди та накопичуватися над нею.
Тим часом арктичний вихор не такий сильний, як антарктичний, що призводить до більш звивистої форми. Відбувається значне перемішування повітря всередині вихору та навколишнього повітря, і воно триває не так довго. Отже, виснаження озонового шару в Арктиці менш серйозне, ніж в Антарктиці. Однак, у міру прогресування глобального потепління, прогнозується зниження температури в стратосфері, що потенційно може посилити та розширити як антарктичні, так і арктичні вихори. Це пояснюється тим, що хоча збільшення концентрації парникових газів в атмосфері викликає підвищення температури в тропосфері, їхня унікальна теплова структура в стратосфері насправді має тенденцію до її охолодження. Тому, якщо зміни інтенсивності полярних вихорів відбуватимуться поряд з глобальним потеплінням, картина виснаження озонового шару, ймовірно, суттєво відрізнятиметься від тієї, яку ми бачимо сьогодні.
