Rozsáhlé lesní požáry poškozují ozonovou vrstvu, ukazují poslední studie
Se zvyšujícími se koncentracemi skleníkových plynů, které jsou uvolňovány zejména v důsledku antropogenní činnosti, se zvyšuje globální povrchová teplota. S rostoucími teplotami roste také výpar a prodlužují se epizody sucha. Vyšší teploty také způsobují zejména v horských oblastech dřívější tání zimních zásob sněhu, což následně vede k rychlejšímu vysychání lesů. Všechny tyto vlivy zapříčiňují vyšší četnost a intenzitu lesních požárů. Můžeme zmínit například nedávné požáry v Austrálii na přelomu let 2019 a 2020, které byly jedny z nejhorších v historii zaznamenaných požárů nebo aktuálně probíhající rekordně rozsáhlé požáry v Kanadě. Rozsáhlé požáry s sebou přinášejí celou řadu nepříznivých aspektů. Do ovzduší se při nich uvolňuje velké množství oxidu uhličitého, který dále zesiluje skleníkový efekt. Dále se při nich dostává do atmosféry mnoho aerosolových částic, jenž nepříznivě ovlivňují lidské zdraví. Podle posledních studií (např. Solomon a kol., 2023) mohou kouřové částice, které pomocí pyrocumulonimbů (obr. 1) proniknou až do stratosféry, způsobovat poškození ozonové vrstvy v mírných šířkách a polárních oblastech.
Obr. 1: Požáry v Austrálii na přelomu let 2019 a 2020 vyvolaly vznik pyrocumulonimbů, které injektovaly do zemské atmosféry bezprecedentní množství kouřových částic, zdroj: snexplores.org
Každoročně na konci zimy a na jaře na jižní polokouli registrujeme ozonovou anomálii vznikající nad Antarktidou (viz článek). Tato anomálie se formuje především v důsledku antropogenně emitovaných látek nazývaných chlor-fluorované uhlovodíky (CFC), zejména pak CFC-11 a CFC-12. Když na tyto látky působí ve stratosféře UV záření, dojde k jejich rozpadu, při kterém se uvolní chlór. A ten poškozuje ozonovou vrstvu. Část tohoto chlóru však může být bezpečně uložena ve spodní stratosféře v podobě kyseliny chlorovodíkové (HCl) nebo dusičnanu chlorného (ClNO3), což ozonové vrstvě neškodí. Na organických a síranových částicích, které jsou uvolňovány z rozsáhlých požárů nebo se také do spodní stratosféry dostávají v důsledku vulkanické činnosti, dochází k heterogenním reakcím vedoucím k rozpouštění HCl a ClNO3. Tyto heterogenní reakce mohou rychle spotřebovat HCl (a ClNO3), čímž následně generují molekuly ClO a Cl2O2, které reagují s ozonem a způsobují vznik antarktické ozónové anomálie. Rychlosti těchto reakcí na povrchu částic kapalného síranu jsou silně závislé na teplotě a parciálním tlaku vodní páry, které řídí kyselost, a tím i rozpustnost reaktantů, zejména HCl. Nejvhodnějším prostředím pro tyto reakce jsou oblasti spodní stratosféry s výskytem polárních stratosférických oblak, které se formují v polární stratosféře v zimním období při teplotách pod cca -78 °C. Z polárních stratosférických oblak do chemických reakcí vstupuje i voda, což zvyšuje rozpustnost HCl.
Z výše uvedeného tedy vyplývá, že při vzniku polárních stratosférických oblak v polární zimní stratosféře dochází na jejich površích vlivem heterogenních chemických reakcí k úbytku HCl a ClNO3, ale zato přibyde pro ozon škodlivých molekul ClO a Cl2O2, což následně vede k vzniku antarktické ozonové anomálie. K poklesu koncentrací HCl tak ve většině případů dochází při teplotách pod -78 °C. V roce 2020 byl však pozorován velký pokles koncentrací HCl ve středních šířkách při mnohem vyšších teplotách. Tato skutečnost naznačuje, že k rozpouštění HCl může docházet i v důsledku emisí z rozsáhlých požárů, které proniknou až do stratosféry a které obsahují organické a síranové sloučeniny.
Obr. 2: Šedě vybarvené plochy znázorňují rozsahy 24hodinových průměrných anomálií denních O3, HCl a ClO na základě satelitního pozorování před rokem 2020. Černé křivky ukazují pozorované anomálie pro rok 2020. Ostatními křivkami se nemusíme znepokojovat. Jednotky ppm znamenají počet částic na milion částic a ppb obdobně počet částic na miliardu částic, zdroj: Solomon a kol., 2023
Studie (Solomon a kol., 2023) přichází na základě modelování chemických procesů ve stratosféře a satelitního pozorování se zjištěním, že se HCl může v mírných šířkách rozpouštět díky organickým kyselinám i za mnohem vyšších teplot. Na obr. 2 jsou prezentovány pozorované změny ozonu, HCl a ClO v roce 2020 v hladině 68 hPa (cca 18 km) pro oblast 30–50° j. š. ve srovnání s klimatologickými průměry ze satelitních pozorování. Z obrázku je patrné, že pokles koncentrací ozonu je doprovázen poklesem koncentrací HCl (tedy zásobníku chloru ve stratosféře). Z tohoto zásobníku se díky organickým kyselinám chlor uvolnil a reagoval s ozonem, což dokládají zvýšené koncentrace ClO. V případě druhého zmiňovaného zásobníku (ClNO3) je situace v osluněné stratosféře v mírných šířkách trochu odlišná. Na rozdíl od HCl, která se zde rozpouštěla v organických kyselinách, kyselina dusičná (HNO3) nebyla narušena. Tato kyselina se díky fotolýze a reakcemi s OH přetvářela na NO2, který dále reagoval s chlorem a tím docházelo ke vzniku ClNO3. Tyto reakce tak vedou k ukládání chloru ve sloučenině ClNO3 ve stratosférických podmínkách mírných šířek, což zamezuje vzniku výraznějšího ztenčení ozonové vrstvy. Odlišné rovnováhy je dosaženo v polárních oblastech, kde v zimním období nedopadá žádné sluneční záření, čímž nedochází k fotolýze HNO3. V polárních oblastech tak v podstatě není k dispozici žádný NO2 pro vytvoření zásobníku ClNO3. To umožňuje mnohem větší anomálie ClO, které vedou k poškození ozonové vrstvy a k vzniku antarktické ozonové anomálie (díry).
Antarktická ozonová díra v roce 2020 byla neobvykle velká a trvala velmi dlouho (až do konce prosince). Avšak pozorované koncentrace ozonu, HCl, ClNO3 a ClO v hladině 68 hPa pro oblast 70–80° j. š. v roce 2020 nevykazují výraznější odchylky v porovnání s dlouhodobým průměrem. To je způsobeno faktem, že rozpustnost HCl v organických kyselinách z požárů je menší oproti její rozpustností na každoročně se formujících polárních stratosférických oblacích (které jsou kapalné). Takže malý vliv chemického mechanismu způsobeného lesními požáry na poškození ozonové vrstvy v jarním období v Antarktidě lze očekávat. Větší změny koncentrací ozonu byly registrovány v blízkosti tropopauzy (v hladině 100–200 hPa; obr. 3). Zde jsou teploty příliš vysoké pro formaci stratosférických polárních oblak, čímž se zde může ve větší míře projevovat chemický mechanismus související s rozpouštěním HCl v důsledku přítomnosti organických kyselin z požárů. Koncentrace ozonu je však v těchto hladinách relativně malá, takže vliv na úbytek celkového sloupce ozonu je malý (asi 5 %).
Obr. 3: Osa y znázorňuje tlakovou hladinu a osa x zeměpisnou šířku. Dále obrázek demonstruje procentuální rozdíl mezi modelově vypočítanými koncentracemi ozonu v případě přítomnosti organických kyselin z požárů ve srovnání se situací bez organických kyselin. Je patrné, že v oblasti Antarktidy v hladině 100–200 hPa za přítomnosti organických kyselin je až o 40–50 % méně celkového ozonu, než za situace bez těchto kyselin, zdroj: nature.com
Solomon a kol. (2023) na základě modelových výpočtů dále uvádí, že při zahrnutí rozpustnosti HCl v důsledku organických kyselin z lesních požárů se zvětšuje plocha antarktické ozonové díry (definovaná jako oblast s koncentracemi celkového ozonu pod 220 DU) o přibližně 2,5 milionu km2 v období září–říjen 2020 v porovnání se situací bez přítomnosti organických kyselin. Lze tak konstatovat, že australské lesní požáry přispěly k neobvykle velké ozónové díře v roce 2020 (obr. 4).
Obr. 4: Osa y znázorňuje zeměpisnou šířku a osa x časové úseky. Část A ukazuje množství aerosolu ve spodní stratosféře, část B ozónové anomálie ve spodní stratosféře a část C teplotní anomálie spodní stratosféry. Část A dále černými body ukazuje sopečné erupce a velké lesní požáry s dopadem na stratosférické aerosoly, zdroj: agupubs.onlinelibrary.wiley.com
Na závěr uveďme, že kouř z rozsáhlých lesních požárů ovlivňuje chemii stratosféry jednak díky zvětšení povrchu částic (to se děje i při velkých sopečných erupcích), na kterých mohou probíhat chemické reakce, ale především v dopadech na rozpustnost a reaktivitu HCl. V mírných šířkách ve spodní stratosféře dochází k extrémně vysoké rozpustnosti HCl v organických kyselinách z lesních požárů i při vyšších stratosférických teplotách. Následné rekce způsobené uvolněným chlorem z HCl pak vedou k poškození ozonové vrstvy.
Modelové výpočty dále naznačují, že organické kyseliny rozšířily velikost antarktické ozonové díry v období září–říjen 2020 o zhruba 2,5 mil. km2, ale nevysvětlují její rekordní délku trvání. Vyvstává zde otázka, jestli je její neobvyklá délka trvání způsobena přirozenou variabilitou klimatického systému nebo ji zapříčiňují neobvyklé úbytky ozonu ve stratosféře v mírných šířkách a v polárních oblastech. Nižší koncentrace ozonu ve stratosféře zmírňují radiační ohřev, což vede k nižším teplotám, které napomáhají polárním stratosférickým oblakům přetrvat delší dobu a způsobovat tak poškozování ozonové vrstvy.
Obr. 1: Požáry v Austrálii na přelomu let 2019 a 2020 vyvolaly vznik pyrocumulonimbů, které injektovaly do zemské atmosféry bezprecedentní množství kouřových částic, zdroj: snexplores.org
Každoročně na konci zimy a na jaře na jižní polokouli registrujeme ozonovou anomálii vznikající nad Antarktidou (viz článek). Tato anomálie se formuje především v důsledku antropogenně emitovaných látek nazývaných chlor-fluorované uhlovodíky (CFC), zejména pak CFC-11 a CFC-12. Když na tyto látky působí ve stratosféře UV záření, dojde k jejich rozpadu, při kterém se uvolní chlór. A ten poškozuje ozonovou vrstvu. Část tohoto chlóru však může být bezpečně uložena ve spodní stratosféře v podobě kyseliny chlorovodíkové (HCl) nebo dusičnanu chlorného (ClNO3), což ozonové vrstvě neškodí. Na organických a síranových částicích, které jsou uvolňovány z rozsáhlých požárů nebo se také do spodní stratosféry dostávají v důsledku vulkanické činnosti, dochází k heterogenním reakcím vedoucím k rozpouštění HCl a ClNO3. Tyto heterogenní reakce mohou rychle spotřebovat HCl (a ClNO3), čímž následně generují molekuly ClO a Cl2O2, které reagují s ozonem a způsobují vznik antarktické ozónové anomálie. Rychlosti těchto reakcí na povrchu částic kapalného síranu jsou silně závislé na teplotě a parciálním tlaku vodní páry, které řídí kyselost, a tím i rozpustnost reaktantů, zejména HCl. Nejvhodnějším prostředím pro tyto reakce jsou oblasti spodní stratosféry s výskytem polárních stratosférických oblak, které se formují v polární stratosféře v zimním období při teplotách pod cca -78 °C. Z polárních stratosférických oblak do chemických reakcí vstupuje i voda, což zvyšuje rozpustnost HCl.
Z výše uvedeného tedy vyplývá, že při vzniku polárních stratosférických oblak v polární zimní stratosféře dochází na jejich površích vlivem heterogenních chemických reakcí k úbytku HCl a ClNO3, ale zato přibyde pro ozon škodlivých molekul ClO a Cl2O2, což následně vede k vzniku antarktické ozonové anomálie. K poklesu koncentrací HCl tak ve většině případů dochází při teplotách pod -78 °C. V roce 2020 byl však pozorován velký pokles koncentrací HCl ve středních šířkách při mnohem vyšších teplotách. Tato skutečnost naznačuje, že k rozpouštění HCl může docházet i v důsledku emisí z rozsáhlých požárů, které proniknou až do stratosféry a které obsahují organické a síranové sloučeniny.
Obr. 2: Šedě vybarvené plochy znázorňují rozsahy 24hodinových průměrných anomálií denních O3, HCl a ClO na základě satelitního pozorování před rokem 2020. Černé křivky ukazují pozorované anomálie pro rok 2020. Ostatními křivkami se nemusíme znepokojovat. Jednotky ppm znamenají počet částic na milion částic a ppb obdobně počet částic na miliardu částic, zdroj: Solomon a kol., 2023
Studie (Solomon a kol., 2023) přichází na základě modelování chemických procesů ve stratosféře a satelitního pozorování se zjištěním, že se HCl může v mírných šířkách rozpouštět díky organickým kyselinám i za mnohem vyšších teplot. Na obr. 2 jsou prezentovány pozorované změny ozonu, HCl a ClO v roce 2020 v hladině 68 hPa (cca 18 km) pro oblast 30–50° j. š. ve srovnání s klimatologickými průměry ze satelitních pozorování. Z obrázku je patrné, že pokles koncentrací ozonu je doprovázen poklesem koncentrací HCl (tedy zásobníku chloru ve stratosféře). Z tohoto zásobníku se díky organickým kyselinám chlor uvolnil a reagoval s ozonem, což dokládají zvýšené koncentrace ClO. V případě druhého zmiňovaného zásobníku (ClNO3) je situace v osluněné stratosféře v mírných šířkách trochu odlišná. Na rozdíl od HCl, která se zde rozpouštěla v organických kyselinách, kyselina dusičná (HNO3) nebyla narušena. Tato kyselina se díky fotolýze a reakcemi s OH přetvářela na NO2, který dále reagoval s chlorem a tím docházelo ke vzniku ClNO3. Tyto reakce tak vedou k ukládání chloru ve sloučenině ClNO3 ve stratosférických podmínkách mírných šířek, což zamezuje vzniku výraznějšího ztenčení ozonové vrstvy. Odlišné rovnováhy je dosaženo v polárních oblastech, kde v zimním období nedopadá žádné sluneční záření, čímž nedochází k fotolýze HNO3. V polárních oblastech tak v podstatě není k dispozici žádný NO2 pro vytvoření zásobníku ClNO3. To umožňuje mnohem větší anomálie ClO, které vedou k poškození ozonové vrstvy a k vzniku antarktické ozonové anomálie (díry).
Antarktická ozonová díra v roce 2020 byla neobvykle velká a trvala velmi dlouho (až do konce prosince). Avšak pozorované koncentrace ozonu, HCl, ClNO3 a ClO v hladině 68 hPa pro oblast 70–80° j. š. v roce 2020 nevykazují výraznější odchylky v porovnání s dlouhodobým průměrem. To je způsobeno faktem, že rozpustnost HCl v organických kyselinách z požárů je menší oproti její rozpustností na každoročně se formujících polárních stratosférických oblacích (které jsou kapalné). Takže malý vliv chemického mechanismu způsobeného lesními požáry na poškození ozonové vrstvy v jarním období v Antarktidě lze očekávat. Větší změny koncentrací ozonu byly registrovány v blízkosti tropopauzy (v hladině 100–200 hPa; obr. 3). Zde jsou teploty příliš vysoké pro formaci stratosférických polárních oblak, čímž se zde může ve větší míře projevovat chemický mechanismus související s rozpouštěním HCl v důsledku přítomnosti organických kyselin z požárů. Koncentrace ozonu je však v těchto hladinách relativně malá, takže vliv na úbytek celkového sloupce ozonu je malý (asi 5 %).
Obr. 3: Osa y znázorňuje tlakovou hladinu a osa x zeměpisnou šířku. Dále obrázek demonstruje procentuální rozdíl mezi modelově vypočítanými koncentracemi ozonu v případě přítomnosti organických kyselin z požárů ve srovnání se situací bez organických kyselin. Je patrné, že v oblasti Antarktidy v hladině 100–200 hPa za přítomnosti organických kyselin je až o 40–50 % méně celkového ozonu, než za situace bez těchto kyselin, zdroj: nature.com
Solomon a kol. (2023) na základě modelových výpočtů dále uvádí, že při zahrnutí rozpustnosti HCl v důsledku organických kyselin z lesních požárů se zvětšuje plocha antarktické ozonové díry (definovaná jako oblast s koncentracemi celkového ozonu pod 220 DU) o přibližně 2,5 milionu km2 v období září–říjen 2020 v porovnání se situací bez přítomnosti organických kyselin. Lze tak konstatovat, že australské lesní požáry přispěly k neobvykle velké ozónové díře v roce 2020 (obr. 4).
Obr. 4: Osa y znázorňuje zeměpisnou šířku a osa x časové úseky. Část A ukazuje množství aerosolu ve spodní stratosféře, část B ozónové anomálie ve spodní stratosféře a část C teplotní anomálie spodní stratosféry. Část A dále černými body ukazuje sopečné erupce a velké lesní požáry s dopadem na stratosférické aerosoly, zdroj: agupubs.onlinelibrary.wiley.com
Na závěr uveďme, že kouř z rozsáhlých lesních požárů ovlivňuje chemii stratosféry jednak díky zvětšení povrchu částic (to se děje i při velkých sopečných erupcích), na kterých mohou probíhat chemické reakce, ale především v dopadech na rozpustnost a reaktivitu HCl. V mírných šířkách ve spodní stratosféře dochází k extrémně vysoké rozpustnosti HCl v organických kyselinách z lesních požárů i při vyšších stratosférických teplotách. Následné rekce způsobené uvolněným chlorem z HCl pak vedou k poškození ozonové vrstvy.
Modelové výpočty dále naznačují, že organické kyseliny rozšířily velikost antarktické ozonové díry v období září–říjen 2020 o zhruba 2,5 mil. km2, ale nevysvětlují její rekordní délku trvání. Vyvstává zde otázka, jestli je její neobvyklá délka trvání způsobena přirozenou variabilitou klimatického systému nebo ji zapříčiňují neobvyklé úbytky ozonu ve stratosféře v mírných šířkách a v polárních oblastech. Nižší koncentrace ozonu ve stratosféře zmírňují radiační ohřev, což vede k nižším teplotám, které napomáhají polárním stratosférickým oblakům přetrvat delší dobu a způsobovat tak poškozování ozonové vrstvy.
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.
