štvrtok, 21. novembra 2013

Ozónová vrstva nad Arktídou a klimatická zmena

Globálne otepľovanie a antropogénne emisie skleníkových plynov oneskorujú obnovu ozónovej vrstvy

Arktída a jej ekosystém má pre režim počasia a klímy v Európy nesmierny, no dodnes ešte nie celkom pochopený a „docenený“ význam. V súčasnosti už vieme, že tento odľahlý kút sveta prekonáva v posledných desaťročiach zásadné a veľmi komplexné zmeny, ktoré sú podmienené predovšetkým rýchlou zmenou klímy v tomto regióne. V priebehu posledných troch dekád (od roku 1980) sa oblasť Arktídy otepľuje v dôsledku antropogénne zosilneného skleníkového efektu atmosféry, ako aj silnejúcich spätných väzieb zo strany atmosférickej cirkulácie a úbytku snehovej pokrývky a ľadu, približne 2 až 3-krát rýchlejšie ako zvyšok sveta. Rýchlosť otepľovania však nemá bezprostredný vplyv len na ďalší a stále rýchlejší ústup polárneho zaľadnenia v Grónsku či v oblasti Severného ľadového oceánu, alebo zmenu dynamiky a režimu cirkulácie vzduchu nad rozsiahlymi oblasťami severnej pologule, ale aj na teplotný režim stratosféry a stav ozónovej vrstvy nad Arktídou

Tento problém sa stal aktuálnejším najmä na začiatku roku 2011, kedy v priebehu februára a marca došlo k veľmi rýchlemu a svojim rozsahom aj bezprecedentnému poklesu koncentrácie stratosférického ozónu, ktorého dôsledky bolo možné sledovať v Európe a v Severnej Amerike ešte dva roky po tejto udalosti (v lete 2012). Ako možno vidieť aj v nasledujúcom dokumente, „The Arctic & the Ozone Layer: Stabilizing our environment and climate“, podporenom Svetovou meteorologickou organizáciou (WMO), za hlavnú príčinu masívneho úbytku ozónu nad severnou pologuľou možno označiť nielen abnormálne nízke teploty v spodnej stratosfére, ale aj pokles transportu ozónu z oblasti rovníka k severnému pólu, pravdepodobne vplyvom slabšej výškovej (stratosférickej) cirkulácie v predošlom období. Vedecký výskum v tejto oblasti však prináša aj čosi závažnejšie, a to, že uvedená anomália ani zďaleka nie je vecou náhody. Je prejavom dlhodobého ochladzovania spodnej stratosféry, ktoré je do veľkej miery podmienené silnejúcich skleníkovým efektom nižšie ležiacich troposférických vrstiev.


Video: Dokumentárny film „The Arctic & the Ozone Layer: Stabilizing our environment and climate“ prináša veľmi zrozumiteľným spôsobom vysvetlenie príčin náhleho poklesu koncentrácie stratosférického ozónu nad Arktídou v roku 2011 a jeho možné dôsledky na tunajší ekosystém (Zdroj)

Situácia v roku 2011
V priebehu marca 2011 zaznamenali pozemné a satelitné merania nad Arktídou výrazné zníženie množstva stratosférického ozónu (NASA Earth Observatory, Obr. 1 a 2). Nad niektorými regiónmi dosiahli jeho koncentrácie bezprecedentne nízku úroveň, keď v porovnaní s dlhodobým priemerom poklesli miestami až o 70 %. Jedna z najnižších hodnôt bola zaregistrovaná nad centrálnou Sibírou, a to 250 Dobsonovych jednotiek (DJ), čo je len 30 DJ nad úrovňou, kedy sa už toto zredukovanie ozónosféry označuje termínom „ozónová diera“ (Obr. 3). Hlavnú príčinu rýchlej deštrukcie ozónu, a to prevažne vo výške 18-23 km, možno vidieť v ešte stále vysokých koncentráciách chlórofluórokarbonových halogénov (CFCs), látok, ktoré likvidujú molekuly ozónu, a v nezvyčajne nízkych teplotách stratosféry, ktoré v priebehu februára a marca 2011 poklesli pod -78 °C (ako sme už uviedli aj vyššie, významnú úlohu zohral aj menší prenos ozónu z trópov smerom nad severný pól). 


Obr. 1: (vľavo) Koncentrácia ozónu v spodnej stratosfére (vo výške približne 20 km nad povrchom) na severnej pologuli v polovici marca 2011; (vpravo) koncentrácia oxidu chlórnatého (ClO) v rovnakom období (Zdroj)

Ako uvádza aj štúdia NASA, v niektorých oblastiach Arktídy obdobie s veľmi nízkymi teplota trvalo v priebehu zimy 2010/11 v priemere až o 30 dní dlhšie než je pre tieto oblasti normálne. Pri takýchto podmienkach sa za spoluúčasti slnečného žiarenia uvoľňujú zo zlúčenín CFCs molekuly chlóru a brómu, ktoré sú hlavnými katalyzátormi deštruktívnych reakcií vedúcich k mimoriadne rýchlej redukcii ozonosféry. Preto aj napriek tomu, že sa podarilo pomerne rýchlo zastaviť výrobu týchto látok zavedením Montreálskeho protokolu v roku 1987 (do roku 2008 poklesla koncentrácia CFCs o 3,8 %), obnovenie poškodenej ozónosféry na úroveň spred roku 1980 potrvá ešte niekoľko desaťročí. 


Obr. 2: (vľavo) Stav koncentrácie stratosférického ozónu 2. apríla 2011; (vpravo) teplota vzduchu v spodnej stratosfére v rovnakom období - biela izolínia označuje oblasť výskyt teploty -73 °C (200 K) (Zdroj)

Ozón – zázračná molekula
Takto nejako by sme mohli pomenovať molekulu, ktorá chráni už niekoľko stoviek miliónov rokov pozemský život pred zhubným vplyvom ultrafialového (UV) žiarenia. Väčšia časť ozónu, tejto trojatómovej molekuly kyslíka (O3), sa vyskytuje v spodnej stratosfére vo výškach od 20 do 30 km (táto časť stratosféry sa tiež nazýva ozónosféra). Jeho absolútne množstvo je však v zemskej atmosfére natoľko minoritné, že vrstva všetkých molekúl O3 rovnomerne rozložená po celom povrchu Zeme by pri priemernom tlaku vzduchu 1013-5 hPa nebola hrubšia ako 3 mm (300 DJ). 

Môžeme si to predstaviť aj tak, že na miliardu molekúl vzduchu pripadne v ozónosfére len niekoľko tisíc molekúl O3 (pri zemskom povrchu je to len 20-100 molekúl O3). Až pri týchto číslach si človek skutočne uvedomí úžasnú schopnosť ozónu absorbovať aj pri takto nízkych koncentráciách až 99 % UV žiarenia. Len na okraj možno uviesť, že každé zníženie koncentrácie O3 o 1 % vedie k nárastu UV indexu o 2 %. Preto len nepatrný pokles množstva O3 v stratosfére má za následok výrazný nárast výskytu rakoviny kože. Priestorové rozloženie O3 nie je na Zemi ani zďaleka rovnomerné.


Obr. 3: Ako ohraničenie „ozónovej diery“ (ozone hole) sa zvykne používať hodnota 220 DJ (Zdroj)

Najnižšie koncentrácie dosahuje celoročne v stratosfére tropických oblastí (okolo 300-350 DJ), kde však paradoxne vzniká vplyvom intenzívneho UV žiarenia najviac ozónu. Prúdenie vzduchu v stratosfére však väčšiu časť tohto plynu transportuje do miernych a vysokých zemepisných šírok, kde jeho koncentrácie dosahujú planetárne maximum (aj vyše 500 DJ).

Ozónová diera aj nad Európou?
Od polovice 80. rokov bolo nad južným pólom každoročne na konci antarktickej zimy (august-september, Obr. 5) zaznamenané zredukovanie ozónosféry, a to niekedy aj pod 100 DJ (minimum 73 DJ dňa 30.6.1994). Aj keď sa vedcom v priebehu veľmi krátkeho obdobia podarilo odhaliť pravého vinníka tohto problému a dosiahnuť zákaz výroby CFCs halogénov, ozónová diera nad Antarktídou neustále rástla až do druhej polovice 90. rokov, kedy sa jej maximálna plocha viac-menej stabilizovala na hodnote 25 mil. km2 (takmer dvojnásobná rozloha Antarktídy, maximum 29,9 mil. km2 dňa 9.9.2000). Prečo sa ale ozónová diera vyskytuje len v oblasti južného pólu a nie niekde inde, keď vieme, že CFCs sú už rovnomerne rozptýlené po celej Zemi? 


Obr. 4: Polárne stratosférické oblaky (PSCs) sa vyskytujú len pri teplotách nižších ako -78 °C (Zdroj: Wikipedia)

Odpoveď je pomerne jednoduchá. Spôsobené je to špecifickými meteorologickými podmienkami, predovšetkým mimoriadne nízkymi teplotami spodnej stratosféry na konci antarktickej zimy, ktoré klesajú až k -90 °C. Pri teplotách nižších ako -78 °C vznikajú vhodné podmienky pre tvorbu tzv. stratosférických polárnych oblakov (PSCs, Obr. 4), na aerosóloch ktorých dochádza vplyvom intenzívneho UV žiarenia k rozbíjaniu molekúl CFCs, z ktorých sa uvoľňuje veľmi reaktívny chlór (Cl) alebo bróm (Br), prípadne ešte reaktívnejší oxid chlórnatý (ClO). Tieto látky dokážu na seba viazať z molekuly O3 jeden atóm kyslíka – ako jeden z „odpadných“ produktov vzniká jedna molekula kyslíka (O2). Efektívnosť týchto reakcií je pritom až ohromujúca. Jediná molekula chlóru dokáže zničiť niekoľko desiatok tisíc molekúl ozónu a samotné zlúčeniny CFCs môžu zotrvať v stratosfére až 100 rokov. K tejto situácii dochádza len v jarnom období príslušnej pologule, kedy po predchádzajúcej zime sú teploty dostatočne nízke a Slnko pri svojom návrate po polárnej noci začína ovplyvňovať stratosférické vrstvy. 

Stratosféra nad Arktídou nie je tak chladná ako nad južným pólom, preto sa dodnes nad touto oblasťou nikdy ozónová diera nevytvorila. Situácia v roku 2011 však bola aj v Arktíde z hľadiska teplôt výnimočná (naposledy sa podobná situácia vyskytla v roku 1997). Teploty poklesli vo februári a v marci 2011 pod -78 °C (Obr. 2 vpravo), čo sa okamžite prejavilo výrazným a veľmi rýchlym úbytkom celkového ozónu. Zatiaľ čo ozónová diera v Antarktíde „veľa“ škody nenarobí, to isté nemôžeme povedať v prípade Arktídy, ktorá priamo susedí s husto obývanými oblasťami Európy a Severnej Ameriky


Obr. 5: (hore) Ročný chod celkového množstva ozónu [DJ] nad Antarktídou v období rokov 1979-2010 (čierna krivka) a v roku 2010 (červená krivka); (dole) ročný chod celkovej plochy ozónovej diery nad Antarktídou v rokoch 1979-2010 a v roku 2010 (Zdroj)

Obnova potrvá desaťročia
Obnovovanie ozónosféry bude trvať desaťročia, tak nad polárnymi oblasťami ako aj v globálnom meradle. Existuje dokonca predpoklad, že k zaceleniu ozónovej diery nad Antarktídou v jarnom období nedôjde skôr ako pred rokom 2060. V období najvýraznejšieho zredukovania ozónosféry na začiatku 90. rokov poklesla globálna koncentrácia ozónu, v porovnaní so stavom pred rokom 1980, o približne 5 %, v súčasnosti sa pohybuje na úrovni 3,5 %. Pokiaľ ide o ozónovú vrstvu nad Antarktídou, dá sa povedať, že je viac-menej stabilizovaná a k zväčšovaniu ozónovej diery už nedochádza. To ale neznamená, že sa situácia zlepšuje. Koncentrácie CFCs sú stále pomerne vysoké a pri akomkoľvek poklese teploty stratosféry pod kritickú úroveň hrozí aj nad Arktídou riziko dočasného zníženia koncentrácií O3 na hodnoty blízke 220 DJ, prípadne aj nižšie. Situácia sa ani v prípade Arktídy pravdepodobne nezlepší skôr ako do roku 2050.


Obr. 6: (hore) Dlhodobé zmeny teploty vzduchu v spodnej stratosfére na základe údajov zo satelitných meraní (RSS a UAH) a aerologických meraní pomocou meteorologických balónov (HadAT2 a RATPAC); (dole) a teploty vzduchu v strednej a vyššej troposfére; teplota je vyjadrená v odchýlkach v porovnaní s obdobím 1979-1997 (Zdroj, Karl 2006)


Obr. 7: Odchýlky priemernej teploty spodnej stratosféry (1958-2011) od dlhodobého priemeru, tentokrát za obdobie 1981-2010 - podobne ako na Obr. 6A s rozšírením údajov do roku 2011; vyznačené sú aj tri veľké sopečné erupcie v rokoch  1963 (Agung), 1982 (El Chichón) a 1991 (Pinatubo; Zdroj)

Globálne otepľovanie a stratosférický ozón
Obnova ozónosféry môže však podľa najnovších zistení trvať dokonca dlhšie ako sa pôvodne predpokladalo. V dôsledku intenzívnejšieho skleníkového efektu a vyšších koncentrácií oxidu uhličitého (CO2) v troposfére (vrstva zemskej atmosféry ležiaca pod stratosférou) sa stratosféra čoraz viac ochladzuje (Obr. 6 a 7). Tento dlhodobý trend potvrdili predovšetkým satelitné merania. K vyriešeniu problému žiaľ neprispievajú ani látky, ktoré nebezpečné CFCs v 90. rokoch nahradili – ide o HCFCs (hydrochlórofluórokarbóny), ktoré síce nepoškodzujú ozónosféru, zato sú však mimoriadne silnými skleníkovými plynmi, v porovnaní s CO2 sú niekoľko tisíckrát účinnejšie. Na mieste je preto predpoklad, že zimné poklesy teploty v spodnej stratosféry môžu byť nad Antarktídou a Arktídou výraznejšie než kedykoľvek predtým, s čím môže bezprostredne súvisieť aj pravidelnejší výskyt stratosférickej polárnej oblačnosti. Situácie podobné tej z marca 2011 sa zrejme v Arktíde stanú skôr pravidlom ako výnimkou.

 
Zdroje
Arctic Ozone Loss in 2011
http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=49874
NASA Leads Study of Unprecedented Arctic Ozone Loss
http://www.nasa.gov/topics/earth/features/arctic20111002.html
Masters on “Unprecedented” Arctic Ozone Hole: Inaction Risks “Future Nasty Climate Change Surprises Far More Serious”
http://thinkprogress.org/climate/2011/10/09/339868/masters-arctic-ozone-hole-future-nasty-climate-change-surprises/
Ozone Layer Above North Pole Expected to Recover by End of Century
http://www.sciencedaily.com/releases/2013/03/130311091313.htm
The human fingerprint in global warming
http://www.skepticalscience.com/human-fingerprint-in-global-warming.html
Ozone Facts: What is the Ozone Hole? 
http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/hole.html
State of the Climate: 2011 Stratospheric Temperature
http://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/state-climate-2011-stratospheric-temperature

Manney, G.L., et al., 2011, Unprecedented Arctic ozone loss in 2011, Nature (2011), doi:10.1038/nature10556
World Meteorological Organization (WMO), “Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002 Global Ozone Research and Monitoring Project – Report #47″, WMO, Nairobi, Kenya, 2002.
Zheng, Y., W. Gao, J.R. Slusser, R.H. Grant, C. Wang, 2003: Yield and yield formation of field winter wheat in response to supplemental solar ultraviolet-B radiation, Agricultural and Forest Meteorology, Volume 120, Issues 1-4, 24 December 2003.


Žiadne komentáre:

Zverejnenie komentára

Vysušovanie krajiny vs. silnejúci skleníkový efekt

Je príčinou klimatickej zmeny a globálneho otepľovania vysušovanie krajiny? V súvislosti s príčinami globálneho otepľovania a klimatick...