Atraktivní biologie. Ozonová díra Antarktida

Atraktivní biologie

Ozonov á Ozonová ddíra íra Antarktida Antarktida


Ozonová vrstva ozonová vrstva Země je část stratosféry, s těžištěm výskytu ve výšce 25 – 35 km nad zemským povrchem, v níž je značně zvýšený poměr ozonu vůči běžnému dvouatomovému kyslíku O2

Umístění ozonové vrstvy v atmosféře

ozonová vrstva

asi 90% celkového množství atmosférického ozonu se nachází ve stratosféře, ve vrstvě 15 až 50 km nad zemským povrchem (ve výšce 15 – 25 km je obsaženo ca 75% ozonu) hraje mimořádně významnou roli pro pozemský život, neboť chrání planetu před biologicky škodlivým ultrafialovým zářením (200 – 300 nm) vydávaným Sluncem jakékoli narušení tohoto ochranného štítu proto

představuje vážné riziko pro všechny živé organismy

2


Než se vytvořila ozonová vrstva v atmosféře byl život na Zemi omezen jen na dostatečně hluboké vody moří a oceánů, které dokázaly pohltit UV radiaci a poskytovaly ochranu nejranějším formám života na naší planetě. ª v období asi před 2,7 miliardami let dodávaly primitivní fotosyntetizující mikroorganismy kyslík do atmosféry (zpočátku však byl spotřebováván na oxidaci železa v horninách, v ovzduší ho zůstávalo jen velmi málo); kyslík tehdy vznikal především fotochemickou disociací vodní páry* ª ještě před 600 mil. lety činila koncentrace O2 jen 1/100 dnešní hodnoty**, v období svrchního siluru (asi před 420 miliony let) dosahuje koncentrace kyslíku v ovzduší již asi 10 % současné úrovně (tj. asi 2 obj. %, výsledek hlavně fotosyntetické aktivity sinic) a oblast s maximální tvorbou ozonu se posunula výše, do výšky asi 20 km ª teprve v této době se začala formovat ozonosféra, která efektivně absorbovala nebezpečné UV záření ª živé organismy mohly poprvé opustit bezpečí oceánu a začít osídlovat souš Bližší informace o globálním rozměru klimatických změn na adrese http://www.czp.cuni.cz/knihovna/globalizace.pdf

3


Co je to ozon? ¾ vysoce reaktivní, relativně nestabilní tříatomová molekula kyslíku O3

ozon ozon

¾ při normální teplotě a tlaku je ozon namodralý plyn s intenzivním zápachem (řec. ozó = voním) ¾ je velmi silné oxidační činidlo ¾ přesto, že se v atmosféře vyskytuje ve velmi malém množství, má velký význam pro živé organismy; jako klíčový skleníkový plyn výrazně ovlivňuje životní podmínky planety Země ¾ v závislosti na tom, ve kterých částech atmosféry se ozon nachází, může hrát pozitivní či negativní roli: 9 stratosférický ozon * (ca 80 – 90% celkového množství) plní funkci ochranného „UV štítu“, tu který brání pronikání škodlivého krátkovlnného UV záření k zemskému povrchu; jeho úbytek má za následek pronikání UV záření k zemskému povrchu, které zde může u živých organismů způsobovat zejména vyšší výskyt rakoviny kůže, oční choroby nebo oslabení imunitního systému

4


Výskyt ozonu v atmosféře km

ozonová vrstva

nárůst O3 vlivem znečištění koncentrace ozonu

stratosférický ozon

troposférický ozon

9 troposférický ozon (ca 10 až 20% celkového množství) vzniká společným působením oxidů dusíku (NOx), těkavých organických látek (VOC) a slunečního záření, i jako produkt spalování fosilních paliv, především z automobilového provozu; v přízemní atmosféře působí škodlivě na živé organismy, poškozuje dýchací orgány živočichů, negativně ovlivňuje i životní procesy rostlin

Na základě dlouhodobých měření víme, že nejnižší hodnoty celkového ozonu se nacházejí v tropických oblastech; směrem k pólům tyto hodnoty rostou, maxima dosahují ve vyšších středních zeměpisných šířkách (60 - 70°) a dále k pólům opět klesají ¾ v tropických oblastech, v místech kde se ozon formuje nejintenzivněji, jsou dosahovány v průměru nejnižší hodnoty celkového ozonu (s výjimkou ozonových anomálií polárních oblastí)

5


¾ hodnoty celkového ozonu v tropických oblastech nevykazují výraznější variabilitu v průběhu roku, ve středních a vyšších z.š. způsobují změny v intenzitě atmosférického proudění typický roční chod s maximem v jarním období a minimem na podzim ¾ zvláště za velmi teplého počasí může být koncentrace přízemního ozonu výrazně zvýšená ¾ v případě stratosférického i troposférického ozonu závisí jeho množství na rovnováze procesů, které ozón produkují s ději, které ho v atmosféře ničí

¾ rychlost úbytku ozonu závisí na zeměpisné šířce, výšce nad zemským povrchem a na ročním období; střední doba života O3 obnáší při teplotě 20 °C 3 dny, při -15°C 8 dní, při -25 °C 18 dní a při -50 °C 3 měsíce ¾ od 80. let 20. století je známo, že stratosférického ozonu ubývá*, naopak ozónu v troposféře přibývá; koncentrace přízemního ozónu roste od roku 1970 v průměru o 1,2 %, stratosférického ozonu naopak ve stejném období ubývá každoročně o 0,6 % ¾ přirozené procesy v atmosféře, které stojí za tvorbou i zánikem O3 a které udržují jeho ± konstantní obsah, jsou velmi složité; je možné je popsat více než stovkou chemických reakcí → uvedenou rovnováhu však svojí činností v posledních letech narušuje člověk…

6


Přízemní ozon bývá hlavní součástí tzv. fotochemického smogu; smogu jde o směs znečisťujících látek (polutantů), zahrnující kromě O3, oxidy dusíku (NOx), aldehydy, peroxyacetylnitrát (PAN) aj.

oxid dusnatý (NO) oxid dusičitý (NO2)

ultrafialové záření

oxidy dusíku

Fotochemické reakce

atm. kyslík

O2 oxid dusnatý oxid dusičitý uhlovodíky

uhlovodíky

Fotochemický smog ozon (O3)

peroxyacetylnitrát aldehydy akrolein aj.

přeprava ropy, nátěrové hmoty, pumpy

7


Fotochemický smog (San Francisco)

Předpovídání nárůstu přízemního ozonu ve střední Anglii *

Intenzívní výzkum v posledních letech prokázal ¾ naše stále nedostatečné znalosti procesů probíhajících v atmosféře

I

II

III

IV

V

VI VII VIII IX

¾ postavil lidstvo před fakt, že hrozící environmentální krize a globální změny životního prostředí nejsou otázkou vzdálené budoucnosti, ale že se stávají reálnou hrozbou dneška

X XI XII měsíc

8


OZON: vybrané historické mezníky 1839 – objev ozonu (C. F. Schönbien) 1860 – počátky měření ozonu v povrchové vrstvě atmosféry 1880 - 1881 – zjištěny základní vlastnosti ozonu 1913 objev ozonové vrstvy (francouzští fyzikové Charles Fabry a Henri Buisson) 1920 – první číselné údaje o koncentracích ozonu v atmosféře 1928 až 1958 – založení celosvětové sítě stanic monitorujících ozon (G. Dobson) 1966 – první družicová měření 1984 – první zpráva o ozonové díře v Antarktidě 1985 – podpis Vídeňské smlouvy o ochraně ozonové vrstvy 1987 – Montrealský protokol 1988 – potvrzeno zvětšování ozonové díry, nezvratné důkazy antropogenního poškozování ozonové vrstvy 9


Vznik ozonu UV záření (λ < 242 nm)

při elektrických bouřkových výbojích

(blesky) X ª při dopadu UV záření dochází ke štěpení molekul O2 na atomární kyslík Ox ª atomární kyslík reaguje s molekulárním kyslíkem za vzniku ozonu O3 oxidací organických látek

Ox O2

složitějšími fyzikálními procesy ve vyšších vrstvách atmosféry

V přízemních vrstvách atmosféry ozon vzniká převážně fotolýzou NO2

hν

O2 +

+

Ox O2

O3

NO2 + hν → NO + O O + O 2 → O3 NO + O3 → NO2 + O2

NO2 + O2 → NO + O3 v menší míře ª fotolýzou kyslíku ª klesáním O3 ze stratosféry (vyšší měrnou hmotnost) – 10 až 15% →

10

Zánik ozonu

O

UV

O

O O

(1) O3 + hν → O2 + O• (2) O3 + O• → 2 O2 (uvolňuje se teplo)

O

(1) Cl2 + 2 O3 → 2 ClO + 2 O2

C Cl

(2) 2 ClO → Cl2 + O2 *

O

obnovované radikály chloru (bromu) mohou rozkládat další a další molekuly ozonu…

O

O

Cl

O O

O Cl• radikál

Cl

uvolněný chlor reaguje s ozonem

O Cl

Cl•

O O

chlorovaný uhlovodík (CFC)**

O

O•

O

Úbytek ozonu v důsledku interakce se znečišťujícími látkami (freony F aj.) UV

O

O O•


O•

ClO se rozpadá na O2 a chlor

O nestabilní • sloučenina Cl

O O

11


průměrná koncentrace ozonu v ozonové vrstvě – 0,2 až 0,3* ppm průměrná koncentrace přízemního ozonu v troposféře – 0,02 až 0,05** ppm (roční přírůstek o 0,5 až 1%!) celkově tvoří ozon jen přibližně 3 mm silnou vrstvičku kolem naší planety

Ozonová vrstva zachycuje – různou měrou - ultrafialovou část slunečního záření: 9 úplně UV-C (180 – 280 nm***) s nejkratšími vlnovými délkami 9 částečně střední část UV záření, tj. UV-B (280 – 320 nm) 9 úplně propouští dlouhovlnnou část UV záření, UV-A (320 – 400 nm) UV-C ozonová vrstva

0%

UV-B

zvýšený příkon UV záření – v důsledku narušení ozonu – působí škodlivě na všechny 100 % živé organismy

UV-A

50 %

12


vnější prostor mezosféra stratosféra

ozonová vrstva troposféra

biota

lidé ozonosféra

stratosféra, jejíž součástí je ozonová vrstva, nemá jednotné rozvrstvení v závislosti teploty na výšce: zatímco teplota do 30. kilometru se téměř nemění a pohybuje se okolo -55°C, teplota mezi 30. a 50. km téměř lineárně roste až k 0°C vzrůst teploty ve stratosféře způsobuje ozon (důsledek zachycení UV záření)

13


Freony chlorofluorouhlovodíky (CFC) – nízkomolekulární alifatické a cykloalifatické uhlovodíky, které mají atomy vodíku z části nebo úplně nahrazeny atomy chloru nebo fluoru* ¾ tyto látky mají schopnost řetězovým způsobem odbourávat stratosférický ozon → jediný atom chloru může postupem času rozložit až 100 000 molekul ozonu ! ¾ CFC vytvářejí velmi stabilní molekuly ,které v troposféře nereagují s jinými látkami; pokud se však dostanou do stratosféry, UV záření rozrušuje jejich pevné vazby a uvolňuje z nich volné atomy chlóru → ty potom reagují s molekulami ozónu

skupina freonů a halonů s největšími destrukčními schopnostmi vůči ozonu ve stratosféře se nazývají tvrdé freony**. ** W

např. trichlorfluormethan, dichlordifluormethan, ► chlorpentafluormethan, bromtrifluoromethan, …

14


¾ v tzv. měkkých freonech není na rozdíl od tvrdých freonů vodík plně nahrazen chlórem a fluorem (mají zkratku HCFC) HCFC ¾ látky známé pod označením freony se díky svým vlastnostem (nízká hořlavost, zápalnost i výbušnost) těšily veliké popularitě a hojně se používaly jako hnací náplň ve sprejích či jako chladicí prostředek v ledničkách a klimatizacích ¾ tvrdé freony v České republice vyráběla Spolchemie Ústí nad Labem ¾ v celosvětovém měřítku byla s jejich výrobou spjata především nadnárodní společnost DuPont (USA) ¾ výroba a spotřeba látek nejvíce narušujících ozonosféru byla pro běžné účely v rozvinutých státech včetně České republiky již téměř úplně zakázána nebo radikálně omezena

15


9 halony byly v České republice zakázány k 1. lednu 1994, tvrdé freony k 1. lednu 1996 a metylbromid k 1. lednu 2005 9 v rozvojových státech proces omezování škodlivých látek postupuje pomaleji; podle dohody, podepsané ministry životního prostředí 191 zemí v kanadském Montrealu (březen 2008), se vyřazení měkkých freonů z výroby podařilo posunout z roku 2030 již na rok 2020 přestože je CFC v České republice již zakázáno vyrábět a používat, stále se zde nacházejí nebezpečné zdroje jejich úniků; patří mezi ně například stará chladicí zařízení, včetně průmyslových provozů nebezpečí úniků freonů ze starých lednic nesouvisí jenom s freony obsaženými v samotném chladicím systému, ale také v izolaci, kde se freony používaly jako nadouvadla bez problémů není ani likvidace freonů (hořením freonů, stejně jako dalších chlorovaných látek, mohou vznikat nebezpečné dioxiny) dioxiny

Ukazuje se nezbytné – v globálním měřítku - urychleně nahradit freony a freonové technologie za alternativní výrobní postupy, které jsou bezpečné pro ozonovou vrstvu. 16

Měření ozonu

satelity letadla

laserové paprsky

sondy

pozemní měřicí systémy


Množství ozonu v atmosféře se vyjadřuje nejčastěji pomocí Dobsonových jednotek (Dobson* Unit, D.U./DJ) 100 D.U. odpovídá v maximálně zkoncentrovaném sloupci vzduchu nad daným územím za normálních podmínek vrstvě ozonu o tloušťce 1 mm → 1 D.U. ~ 0,01 mm ozonu za průměrnou koncentrace O3 v atmosféře je považována hodnota 300 D.U. pokles celkového množství ozonu v určitých oblastech pod 225 D.U. se považuje za tzv. ozonovou díru měření O3 začalo v roce 1920, poté rychlý rozvoj ozonometrie

od 50. let byla postupně instalována síť pozemních monitorovacích stanic, vybavených Dobsonovými spektrofotometry

17


Solární a ozonová observatoř Hradec Králové Měření ozonu u nás probíhá v Solární a ozonové observatoři v Hradci Králové, kterou provozuje Český hydrometeorologický ústav ¾ od roku 1962 zde měří celkové množství ozonu pomocí Dobsonova spektrofotometru * (tento přístroj používá většina ozonometrických stanic)

¾ SOO-HK poskytuje důležité informace, zejména ozonové a UVzpravodajství pro veřejnost (denně), UV-index na území ČR aj. 18


¾ měření celkové množství ozonu je velmi významné pro posouzení množství UV-B záření, které je nebezpečné pro živé organismy ¾ proto byl zaveden tzv. UV – index, index jehož hodnota odráží stupeň nebezpečí pro zdraví člověka Stupeň nebezpečí

Hodnota UV- indexu

Doporučená opatření

minimální

0-2

pokrývka hlavy

nízký

3–4

krém s dostatečně vysokým ochranným faktorem (15+)

střední

5-6

setrvat ve stínu

vysoký

7-9

nevycházet ven mezi 10,00 až 16,00

velmi vysoký

10 a více

zůstat doma celý den

19


Ozonová díra nepřesné označení jevu, kdy hodnoty koncentrace ozonu v ovzduší klesnou pod 225 D.U. a dochází tak k regionálnímu ztenčení ozonové vrstvy; největší a nejznámější ozónová díra se v současné době vyskytuje na jižní polokouli, nad Antarktidou 9 v roce 2005 dosáhla tato ozonová díra rekordních rozměrů (24,3 miliónů km2)

20


Proč právě Antarktida ? ¾ předpokládá

se, že v průběhu dlouhé antarktické zimy se molekuly freonů zachycují v krystalcích ledu, přičemž vzdušné víry uzavírají téměř neprodyšně prostor nad kontinentem ¾ s příchodem antarktického jara se díky zvýšenému UV záření najednou rozštěpí velké množství freonů … ¾ nad jižními polárními oblastmi se ozonová díra vytváří víceméně pravidelně, zpravidla od konce srpna do začátku října

Studiem globálních změn ozonové vrstvy* se zabývá Světová meteorologická organizace v rámci programu Systém globálního sledování ozonu (Global Ozone Observing Systém, GO3OS). Zajímavé video o problematice ozonové díry je na adrese: http://www.umac.org/ocp/videos/aHoleInTheOzone.html

21


17 Jul 2007

11 Mar 2008

Současný trend 22


ztenčování ozonové vrstvy je známo i z oblastí nad Austrálií, Novým Zélandem, Arktidou a podle loňského měření NASA bylo též zjištěno i v některých hustěji osídlených částech Země (Velká Británie, Skandinávie, Rusko, Kanada i v oblastech střední Evropy) odlišné přírodní podmínky Arktidy – především rozdělení souše a moře, ne tak intenzivní pokles teplot v době polární zimy a menší izolovanost cirkulace vzdušných mas nad Arktidou v době polární noci od cirkulace v nižších zeměpisných šířkách způsobují, že

ztenčování ozónové vrstvy nad Arktidou není tak intenzivní nicméně…

pokles ozonu nad arktickými oblastmi (zima 2000)

mezi nejzávažnější důsledky narušení ozonové vrstvy lze z globálního hlediska považovat ovlivnění primárních producentů, a to jak fytoplanktonu, tak i suchozemských rostlin (→ snížení produkce aj.); tyto organismy přitom tvoří základ potravní sítě a pro současnou podobu života na Zemi jsou zcela nepostradatelné! *

23


Mezinárodní akce na ochranu ozonové vrstvy Význam zachování ozónové vrstvy pro další život na Zemi byl podtržen řadou přijatých mezinárodních úmluv 1985 – přijetí Vídeňské úmluvy o ochraně ozonové vrstvy 1987 – přijetí Montrealského protokolu o látkách, které narušují ozonovou vrstvu ª Montrealský protokol představuje jednu z nejlépe fungujících mezinárodních ekologických smluv ª přistoupením k Montrealskému protokolu 16. září 1987 se 24 signatářských států zavázalo ke kontrole výroby chemických látek poškozujících ozonovou vrstvu, k postupnému omezení jejich používání a k jejich likvidaci šetrným způsobem, aby nedocházelo k nechtěným únikům do atmosféry ª v současné době zahrnuje protokol 96 nebezpečných látek, které podle vědeckých důkazů poškozují ozonovou vrstvu ª nedílnou součástí úmluvy se staly její čtyři zpřísňující dodatky (londýnský, kodaňský, montrealský a pekingský) 24


1990 – přijetí tzv. Londýnského dodatku k Montrealského protokolu 1992 – přijetí tzv. Kodaňského dodatku 1997 – přijetí tzv. Montrealského dodatku 1999 – přijetí tzv. Pekingského dodatku Československo úmluvu přijalo v roce 1990, Česká republika o tři roky později, doposud ji ratifikovalo 191 zemí

na památku dne, kdy byl protokol schválen (16. září 1987), vyhlásilo Valné shromáždění OSN 16. září Mezinárodním dnem ochrany ozonové vrstvy Bližší informace o účinnosti dohod přijatých k ochraně ozonové vrstvy na adrese http://www.usgcrp.gov/usgcrp/Library/ocp2008/ocp2008.pdf Český překlad Montrealského protokolu a Vídeňské úmluvy na stránkách MŽP, na adrese http://www.env.cz/AIS/web-pub.nsf/$pid/MZPJAF9DKS5B

25

Atraktivní biologie. Ozonová díra Antarktida

Recommend Documents