Ozonová díra nad Antarktidou je letos větší než obvykle. Jak dochází k její formaci?
Pojďme si nejprve říct, co to ozonová díra vůbec je. Slovo díra by mohlo napovídat, že se bude jednat o oblast v atmosféře, kde nebude přítomen žádný ozon. Tato myšlenka je mylná. Ve skutečnosti se jedná o oblast ztenčené ozonosféry (tj. část atmosféry zhruba mezi 10–50 km, kde jsou zvýšené koncentrace ozonu) nad Antarktidou koncem zimy a začátkem jara (tedy na jižní polokouli srpen – říjen). Jako ohraničení ozonové díry se užívá hranice 220 Dobsonových jednotek (DU), což je znázorněno na Obr. 1.
Obr. 1: Znázornění ozonové díry nad Antarktidou ze 4. října 2004. Bílá izolinie vyznačuje 220 DU, a platí tedy, že tam kde hodnoty celkového ozonu dosahují 220 DU nebo méně, hovoříme o ozonové díře, zdroj: ozonewatch.gsfc.nasa.gov
Jak ozon v ozonosféře vzniká? Molekuly ozonu a kyslíku se v ozonové vrstvě neustále formují, zanikají a přetváří, protože na ně působí ultrafialové záření (UV). Kyslík (O2) se za působení elektromagnetického záření o vlnové délce < 242 nm disociuje (rozštěpuje) na dva atomy kyslíku (2O). Tyto volné atomy kyslíku jsou vysoce reaktivní, z toho vyplývá, že pokud se střetne s molekulou kyslíku (O2), dochází ke vzniku molekuly ozonu (O3). Volný atom kyslíku může také reagovat s jiným volným atomem kyslíku, kdy vzniká molekula kyslíku (O2). Pokud se vrátíme k ozonu (O3) tak ten absorbuje UV záření, což jej ovšem disociuje (rozštěpí) na molekulu kyslíku (O2) a volný atom kyslíku (O). A cyklus pokračuje opětovnou regenerací ozonu, kdy volný atom kyslíku (O) reaguje s molekulou kyslíku (O2) za vzniku ozonu. Proces se uzavírá, pokud volný atom kyslíku reaguje s ozonem za vzniku dvou molekul kyslíku (2O2). Celkové množství ozonu je tedy založeno na rovnováze mezi vznikem ozonu (disociací kyslíku) a jeho úbytkem v důsledku reakcí s atomem kyslíku. Celý proces je schematicky vysvětlen na Obr. 2.
Obr. 2: Cyklus vzniku a zániku ozonu. Bližší popis viz text výše, zdroj: en.wikipedia.org
Ozon ale, kromě toho že je disociován UV zářením nebo reaguje s volnými atomy kyslíku, může reagovat s dalšími radikály. Mezi tyto radikály řadíme hydroxyl (OH), radikály oxidu dusnatého (NO) a radikály chloru (Cl) a bromu (Br). Radikály jsou extrémně reaktivní, protože mají nepárový elektron ve svém vnějším orbitalu. První dva jmenované se ve stratosféře vyskytují přirozeně, lidská činnost však způsobila dramatický nárůst koncentrací chloru a bromu ve stratosféře. Tyto prvky se do stratosféry dostávají v organických sloučeninách, jako například chlorfluoruhlovodíky (CFC) nebo hydrochlorofluorouhlovodíky (HCFC), které se označují jako freony. Tyto látky jsou poměrně málo reaktivní, takže se snadno dostanou do stratosféry, a to především silnými vzestupnými proudy v tropech.
Čili nyní jsme freony dostali do stratosféry a víme také, že se zde nachází ozon. Teď přijde opět na řadu trocha chemických reakcí, ale není čeho se obávat, vše lépe objasní schéma na Obr. 3. Nejprve máme molekulu CFC (CFCl3), na kterou působí sluneční UV záření. Záření rozdělí sloučeninu na CFCl2 a jeden atom chlor radikálu (jedna červená kulička). A jak jsme již avizovali, tento radikál je velice reaktivní, takže následně reaguje s ozonem za vzniku kyslíku (2 zelené kuličky) a sloučeniny ClO (zelená a červená kulička). Následně může sloučenina ClO reagovat s ozonem a vznikne opět chlor radikál (vpravo nahoře) a dvě molekuly kyslíku. A tento katalytický cyklus se může opakovat několikrát, a to právě díky dalšímu uvolnění chlor radikálu. Zajímavé je také, že jeden atom chloru je schopen reagovat až se 100 000 molekulami ozonu, než je odstraněn z katalytického cyklu (např. po reakci s metanem).
Obr. 3: Mechanismus úbytku ozonu v důsledku CFC ve stratosféře, zdroj: Bouare, 2009
Nyní nás může napadnout otázka, proč zrovna v průběhu konce zimy a jara (srpen – říjen) na jižní polokouli dochází k formaci ozonové díry nad Antarktidou. Během zimy na jižní polokouli dochází k extrémnímu prochlazování stratosféry (až pod -80 °C) v důsledku absence slunečního záření. V těchto podmínkách dochází k tvorbě polárních stratosférických oblak (PSO), které v průběhu zimy zachytávají mj. také freony proudící z troposféry. Jakmile ke konci zimy a na jaře zasvítí slunce na PSO, dochází k výše popsaným reakcím a vzniku mj. také chlor radikálů, které vedou k rozsáhlému úbytku ozonu. Postupně během jara na jižní polokouli dochází k oteplování stratosféry a zániku PSO, a tím pádem dochází také k zacelení ozonové díry (obvykle během listopadu).
Obr. 4: Velikost ozonové díry nad Antarktidou. Letošní rok je znázorněn červenou křivkou, zdroj: atmosphere.copernicus.eu
Obr. 5: Minimální teploty v hladině 50 hPa jižně od 60° j. š., zdroj: atmosphere.copernicus.eu
Z výše popsaného vyplývá, že podprůměrné teploty ve stratosféře (stále uvažujeme stratosféru nad Antarktidou) jsou poplatné za nadprůměrně velkou ozonovou díru. Povšimněme si na grafech (Obr. 4,5) také zelené křivky, která ukazuje odlišnou situaci v roce 2019. Vidíme, že vyšší teploty ve stratosféře vedly k formaci menšího množství PSO, na kterých se shromáždilo méně látek poškozujících ozonovou vrstvu. Takže ve výsledku byla ozonová díra v roce 2019 rekordně malá v porovnání s pozorovanými případy od roku 1979. Obr. 6 srovnává stav ozonosféry 15. 9. v roce 2021 a 2019. V roce 2021 pozorujeme ozonovou díru tvarem připomínající kruh, která svou rozlohou převyšuje Antarktidu. K vidění jsou také nafialovělé odstíny, což vypovídá o velice ztenčené ozonové vrstvě (hodnoty DU se blíží 100). Naproti tomu v roce 2019 lze pozorovat ozonovou díru menšího rozsahu s vyššími hodnotami DU.
Obr. 6: Stav ozonosféry nad Antarktidou 15. 9. 2021 (vlevo) a 15. 9. 2019 vpravo, zdroj: ozonewatch.gsfc.nasa.gov
Závěrem je důležité zmínit tzv. Montrealský protokol, který v podstatě zachránil ozonovou vrstvu, protože od roku 1987, kdy byl přijat, omezuje užívání látek, které poškozují ozonovou vrstvu (více v článku Montrealský protokol zachránil ozónovou vrstvu). Nyní se díky tomuto protokolu ozonová vrstva postupně regeneruje, ale její návrat do původního stavu potrvá ještě několik desetiletí.
Obr. 1: Znázornění ozonové díry nad Antarktidou ze 4. října 2004. Bílá izolinie vyznačuje 220 DU, a platí tedy, že tam kde hodnoty celkového ozonu dosahují 220 DU nebo méně, hovoříme o ozonové díře, zdroj: ozonewatch.gsfc.nasa.gov
Jak ozon v ozonosféře vzniká? Molekuly ozonu a kyslíku se v ozonové vrstvě neustále formují, zanikají a přetváří, protože na ně působí ultrafialové záření (UV). Kyslík (O2) se za působení elektromagnetického záření o vlnové délce < 242 nm disociuje (rozštěpuje) na dva atomy kyslíku (2O). Tyto volné atomy kyslíku jsou vysoce reaktivní, z toho vyplývá, že pokud se střetne s molekulou kyslíku (O2), dochází ke vzniku molekuly ozonu (O3). Volný atom kyslíku může také reagovat s jiným volným atomem kyslíku, kdy vzniká molekula kyslíku (O2). Pokud se vrátíme k ozonu (O3) tak ten absorbuje UV záření, což jej ovšem disociuje (rozštěpí) na molekulu kyslíku (O2) a volný atom kyslíku (O). A cyklus pokračuje opětovnou regenerací ozonu, kdy volný atom kyslíku (O) reaguje s molekulou kyslíku (O2) za vzniku ozonu. Proces se uzavírá, pokud volný atom kyslíku reaguje s ozonem za vzniku dvou molekul kyslíku (2O2). Celkové množství ozonu je tedy založeno na rovnováze mezi vznikem ozonu (disociací kyslíku) a jeho úbytkem v důsledku reakcí s atomem kyslíku. Celý proces je schematicky vysvětlen na Obr. 2.
Obr. 2: Cyklus vzniku a zániku ozonu. Bližší popis viz text výše, zdroj: en.wikipedia.org
Ozon ale, kromě toho že je disociován UV zářením nebo reaguje s volnými atomy kyslíku, může reagovat s dalšími radikály. Mezi tyto radikály řadíme hydroxyl (OH), radikály oxidu dusnatého (NO) a radikály chloru (Cl) a bromu (Br). Radikály jsou extrémně reaktivní, protože mají nepárový elektron ve svém vnějším orbitalu. První dva jmenované se ve stratosféře vyskytují přirozeně, lidská činnost však způsobila dramatický nárůst koncentrací chloru a bromu ve stratosféře. Tyto prvky se do stratosféry dostávají v organických sloučeninách, jako například chlorfluoruhlovodíky (CFC) nebo hydrochlorofluorouhlovodíky (HCFC), které se označují jako freony. Tyto látky jsou poměrně málo reaktivní, takže se snadno dostanou do stratosféry, a to především silnými vzestupnými proudy v tropech.
Čili nyní jsme freony dostali do stratosféry a víme také, že se zde nachází ozon. Teď přijde opět na řadu trocha chemických reakcí, ale není čeho se obávat, vše lépe objasní schéma na Obr. 3. Nejprve máme molekulu CFC (CFCl3), na kterou působí sluneční UV záření. Záření rozdělí sloučeninu na CFCl2 a jeden atom chlor radikálu (jedna červená kulička). A jak jsme již avizovali, tento radikál je velice reaktivní, takže následně reaguje s ozonem za vzniku kyslíku (2 zelené kuličky) a sloučeniny ClO (zelená a červená kulička). Následně může sloučenina ClO reagovat s ozonem a vznikne opět chlor radikál (vpravo nahoře) a dvě molekuly kyslíku. A tento katalytický cyklus se může opakovat několikrát, a to právě díky dalšímu uvolnění chlor radikálu. Zajímavé je také, že jeden atom chloru je schopen reagovat až se 100 000 molekulami ozonu, než je odstraněn z katalytického cyklu (např. po reakci s metanem).
Obr. 3: Mechanismus úbytku ozonu v důsledku CFC ve stratosféře, zdroj: Bouare, 2009
Nyní nás může napadnout otázka, proč zrovna v průběhu konce zimy a jara (srpen – říjen) na jižní polokouli dochází k formaci ozonové díry nad Antarktidou. Během zimy na jižní polokouli dochází k extrémnímu prochlazování stratosféry (až pod -80 °C) v důsledku absence slunečního záření. V těchto podmínkách dochází k tvorbě polárních stratosférických oblak (PSO), které v průběhu zimy zachytávají mj. také freony proudící z troposféry. Jakmile ke konci zimy a na jaře zasvítí slunce na PSO, dochází k výše popsaným reakcím a vzniku mj. také chlor radikálů, které vedou k rozsáhlému úbytku ozonu. Postupně během jara na jižní polokouli dochází k oteplování stratosféry a zániku PSO, a tím pádem dochází také k zacelení ozonové díry (obvykle během listopadu).
Letos je ozonová díra nadprůměrně veliká
Ozonová díra nad Antarktidou v letošním roce se vyznačuje nadprůměrnou velikostí (Obr. 4) s celkovým rozsahem 23,5 mil. km2 (k 15. 9. 2021). Před pár dny byla dokonce větší než 75 % doposud zaznamenaných (od roku 1979) a předpověď (na grafu čárkovaně) naznačuje stejný vývoj i v dalších dnech. Podobná situace nastala také v minulém roce (Ozónová díra nad Antarktidou je mimořádně velká). Příčinu letošní nadprůměrné ozonové díry můžeme pravděpodobně hledat v podprůměrných teplotách ve stratosféře nad Antarktidou. Minimální teploty v hladině 50 hPa (cca 18 km) nad Antarktidou nám vykresluje graf na Obr. 5. Z průběhu červené křivky vyplývá, že nyní se teploty ve stratosféře pohybují v podnormálních hodnotách. Víme, že úbytek ozonu přímo souvisí s teplotou v polární stratosféře, protože při teplotách -78 °C a míň se tvoří již zmiňovaná PSO, které složí jako rezervoáry mj. také freonů (CFC a HCFC).Obr. 4: Velikost ozonové díry nad Antarktidou. Letošní rok je znázorněn červenou křivkou, zdroj: atmosphere.copernicus.eu
Obr. 5: Minimální teploty v hladině 50 hPa jižně od 60° j. š., zdroj: atmosphere.copernicus.eu
Z výše popsaného vyplývá, že podprůměrné teploty ve stratosféře (stále uvažujeme stratosféru nad Antarktidou) jsou poplatné za nadprůměrně velkou ozonovou díru. Povšimněme si na grafech (Obr. 4,5) také zelené křivky, která ukazuje odlišnou situaci v roce 2019. Vidíme, že vyšší teploty ve stratosféře vedly k formaci menšího množství PSO, na kterých se shromáždilo méně látek poškozujících ozonovou vrstvu. Takže ve výsledku byla ozonová díra v roce 2019 rekordně malá v porovnání s pozorovanými případy od roku 1979. Obr. 6 srovnává stav ozonosféry 15. 9. v roce 2021 a 2019. V roce 2021 pozorujeme ozonovou díru tvarem připomínající kruh, která svou rozlohou převyšuje Antarktidu. K vidění jsou také nafialovělé odstíny, což vypovídá o velice ztenčené ozonové vrstvě (hodnoty DU se blíží 100). Naproti tomu v roce 2019 lze pozorovat ozonovou díru menšího rozsahu s vyššími hodnotami DU.
Obr. 6: Stav ozonosféry nad Antarktidou 15. 9. 2021 (vlevo) a 15. 9. 2019 vpravo, zdroj: ozonewatch.gsfc.nasa.gov
Závěrem je důležité zmínit tzv. Montrealský protokol, který v podstatě zachránil ozonovou vrstvu, protože od roku 1987, kdy byl přijat, omezuje užívání látek, které poškozují ozonovou vrstvu (více v článku Montrealský protokol zachránil ozónovou vrstvu). Nyní se díky tomuto protokolu ozonová vrstva postupně regeneruje, ale její návrat do původního stavu potrvá ještě několik desetiletí.
Encyklopedie počasí
Přečtěte si další články z naší rozsáhlé encyklopedie počasí, která shrnuje poznatky o meteorologii a počasí. Pochopíte řadu základních meteorologických prvků a způsob vytváření předpovědí počasí.
