Ozónová vrstva

Absorpce UV záření ozonovou vrstvou (37 DU / km = 10 13 molekul / cm 3 )
Závislost koncentrace ozonu na zeměpisné šířce a nadmořské výšce

Vrstva ozon je oblast zvýšené koncentrace sledovacího plynu ozon (O 3 ) v zemské atmosféře , zejména v dolní stratosféře . Vzniká tam z kyslíku ve vzduchu, protože jeho molekuly O 2 jsou rozděleny na atomy kyslíku nejúčinnější částí slunečního záření ( UV-C ) . Atomy se poté okamžitě spojí s jedním dalším O 2 za vzniku O 3 .

Samotný ozon je mnohem citlivější na světlo než O 2 . Absorbuje UV-C a UV-B a chrání tak rostliny, organismy, zvířata a lidi před poškozením zářením. Když molekula ozonu absorbuje UV foton , je rozštěpena, ale ve velké většině případů uvolněný atom O okamžitě znovu vytváří ozon. Pouze výjimky, zejména O + O 3 → 2 O 2 , znamenají ztrátu ozonu.

Ozon má velký vliv na teplotu stratosféry, na jedné straně UV absorpcí, na druhé straně jako nakloněná molekula je IR aktivní a vyzařuje tak teplo.

Francouzští fyzici Charles Fabry a Henri Buisson jsou považováni za objevitele ozonové vrstvy . V roce 1913 detekovali ozon ve vyšších vrstvách atmosféry pomocí UV spektroskopických měření.

Globální distribuce

Efektivní životnost ozonu je dostatečně dlouhá na to, aby byl globálně transportován pomalými proudy stratosféry: Ačkoli většina ozonu je vytvářena v oblasti rovníku, většina ozonu je v mírných a vysokých zeměpisných šířkách, v nadmořských výškách mezi 15 a 25 kilometry. Výška sloupu, měřená v dobsonovských jednotkách (DU), se pohybuje mezi 300 a 400 DU ve středních zeměpisných šířkách a někdy na začátku léta nad 500 DU ve vyšších zeměpisných šířkách, přičemž 100 DU odpovídá tloušťce 1 mm. V tropech je ozonová vrstva zvýšena proti proudu od troposféry do nadmořské výšky 20 až 30 km a ztenčena na 200 až 300 DU. Nejnižší výška sloupu na světě v takzvané ozonové díře , která se pravidelně otevírá na jaře Antarktidy, je někdy hluboko pod 200 DU.

Procesy

Tvorba ozonu fotolýzou vzdušného kyslíku

Fotolýza z molekuly kyslíku (O 2 ) při vlnových délkách pod 240 nm produkuje dva atomy kyslíku, přičemž každá ze která se váže na jiné molekuly kyslíku, tak, že dvě molekuly ozonu jsou vytvořeny:

3 O 2 → 2 O 3 (vlnová délka <240 nm)

Ozon absorbuje ultrafialové světlo s delšími vlnami až do přibližně 300 nm, přičemž molekuly ozonu štěpí každý jeden atom kyslíku. V naprosté většině případů se tento atom okamžitě znovu připojí k molekule kyslíku, takže množství ozonu stěží klesá:

O 3 + O 2 → O 2 + O 3 (vlnová délka <300 nm)

V čisté stratosféře je nejběžnějším procesem ztráty reakce atomu kyslíku s molekulou ozonu. Tak vznikají dvě běžné molekuly kyslíku:

O + O 3 → 2 O 2

Jedná se o takzvaný ozon-kyslíkový cyklus , ve kterém množství ozonu zůstává téměř konstantní.

Pozorovatelnost

Navzdory malému počtu molekul ozonu v nadmořské výšce 15 až 30 km je ozonová vrstva za soumraku patrná u dvou atmosférických jevů, které jsou způsobeny absorpcí Chappuis :

  • Bezprostředně po západu slunce nebo před východem slunce je modré zbarvení oblohy způsobeno hlavně absorpčním účinkem ozonu a nikoli - jako je tomu na denní obloze jinak - Rayleighovým rozptylem . Teprve v roce 1952 americký geofyzik Edward Hulburt (1890–1982) uznal, že příčinou tohoto zbarvení je absorpce Chappuis . Toto speciální zbarvení oblohy , známé jako modrá hodina, bylo známé již dříve.
  • Krátce před východem slunce nebo po západu slunce je vidět tzv. Zemský stínový oblouk . Jedná se o modrošedý pruh blízko obzoru v opačné poloze než slunce. Podle kontroverzní teorie je jeho barva také způsobena absorpčním účinkem ozonu.

Geologická historie

Asi před 3,5 miliardami let zemská atmosféra neobsahovala žádný volný kyslík (O 2 ). S výskytem prvních kyslíkově fototrofních ( uvolňujících O 2 během fotosyntézy ) mikroorganismů, pravděpodobně sinic , začalo uvolňování kyslíku (O 2 ) z vody. Uvolněný kyslík (O 2 ) nebyl původně dostat do atmosféry, ale byl spotřebován v oxidaci z báze kovových iontů rozpuštěných ve vodě , zejména Fe 2+ , a sulfid i rozpuštěny ve vodě . Teprve když tyto oxidace skončily po velmi dlouhé době, bylo možné, aby se v zemské atmosféře nahromadil volný kyslík. Tato fáze vývoje zemské atmosféry je známá jako velká kyslíková katastrofa. Kyslík dosáhl stratosféry konvekcí a difúzí, kde byla ozonová vrstva vytvořena ozon-kyslíkovým cyklem .

Ozonová díra

Jako složka určitých plynů, zejména chlorfluoruhlovodíků (CFC), vstupují do stratosféry chlor a brom , které pak přispívají k rozkladu stratosférického ozonu. Tím se zvyšuje tvrdé UV-B záření na zemském povrchu, které má negativní účinky na člověka a přírodu. V polární noci nad Antarktidou vstupují do hry mraky, na které je jinak v suché stratosféře příliš teplo. Znečišťující látky zaparkují na svých částicích a jsou masivně uvolňovány při východu slunce na jaře. Ve spodní části stratosféry je ozon během několika týdnů téměř úplně rozložen. Teprve když se polární vír stane nestabilním, proniknou vzduchové hmoty bohaté na ozón do ozonové díry a uzavřou ji, zatímco vzduch chudý na ozón někdy pronikne až do Jižní Ameriky a Austrálie, kde vede ke zvýšeným hodnotám UV-B. Účinky lze očekávat, ale je obtížné je posoudit. V roce 1981 Veerabhadran Ramanathan popsal, že samotný velmi silný skleníkový efekt samotných chlorofluorovaných uhlovodíků by do roku 2000 zcela ohřál zemskou atmosféru, pokud by se emise tohoto plynu dramaticky nesnížily.

Stratosférická ozonová vrstva nesouvisí se zvýšeným ozonem vyskytujícím se v blízkosti země během letního smogu .

Významní vědci při studiu ozonové vrstvy

  • Alfred Cornu (1841–1902) zjistil, že sluneční spektrum se rozpadá pod 300 nm.
  • Carl Dorno (1865–1942), zakladatel radiační klimatologie.
  • Paul Götz (1891–1954), objevitel reverzního jevu , také známého jako Götzův jev , pro stanovení vertikálního rozložení ozonu v atmosféře.
  • Gordon Dobson (1889–1976) jako první rozpoznal sezónní výkyvy v tloušťce ozonové vrstvy.
  • V roce 1971 upozornil Hans-Karl Paetzold (1916–2002) na ohrožení ozonové vrstvy vysoko letícími civilními nadzvukovými letadly.
  • Erich Regener (1881–1955) zkoumal kyslíko-ozonovou rovnováhu v atmosféře.
  • Sydney Chapman (1888–1970) od něj v roce 1930 byly objasněny chemické vztahy cyklu ozon-kyslík.
  • Paul Crutzen (1933–2021) získal v roce 1995 Nobelovu cenu za chemii - společně s Mariem J. Molinem a Frankem Sherwoodem Rowlandem - „za práci na chemii zemské atmosféry, zejména na tvorbě a vyčerpání ozonu“ .

webové odkazy

Commons : Ozone Layer  - sbírka obrázků, videí a zvukových souborů

Individuální důkazy

  1. ↑ Antje Dethof: Asimilace údajů o ozonu v modelu ECMWF . ( Memento ze dne 20. května 2005 v internetovém archivu ) (PDF; 5,9 MB), ECMWF , 2005.
  2. ↑ Götz Hoeppe: Himmelslicht, zrcadlový obraz zemského podnebí , Svobodná univerzita v Berlíně
  3. ↑ Spencer Weart: Objev globálního oteplování: Jiné skleníkové plyny . Centrum historie na Americkém fyzikálním institutu , aip.org