Ozon i Atmosfæren
Av Harald Pleym
www.hpleym.no

 

Ozon finnes i atmosfæren på alle nivåer fra jordoverflaten og opp til minst 100 km's høyde, med en maksimumskonsentrasjon i en høyde av ca. 25 km. Over 90% av den totale mengden av ozon finnes i stratosfæren. Dersom vi tenker oss at hele atmosfæren hadde et trykk på 1 atmosfære (normalt lufttrykk på bakken) og en temperatur på 15°C, ville hele atmosfæren ha en vertikal utstrekning på 8.4 km. Den totale ozonmengden utgjør med denne målestokken vanligvis et lag på mellom 2 mm og 4 mm. Standardinstrumentet for måling av ozonmengder i i atmosfæren er et spektrofotometer (Dobsoninstrument). Instrumentet måler intensiteten av ultrafiolett stråling ved bakken. På grunnlag av slike målinger kan vi så beregne ozonmengden. Nå måles også den totale ozonmengden og den vertikale fordelingen av ozon fra satellitter ved hjelp av målinger av ultrafiolett stråling, synlig lys og infrarød (langbølget) stråling. Måleenheten som brukes for ozontykkelse er Dobson Units (DU), 1 mm = 100 DU.   

Figuren under viser hvordan den totale ozonmengden i atmosfæren i gjennomsnitt varierer med breddegrad og årstid.

 

 

På den nordlige halvkulen er ozonmengden størst i mars-april og minst i september-oktober. Ozonmengden øker fra ekvator mot polene og med de største variasjonene på høye breddegrader. Det er viktig å være klar over at det er store variasjoner fra dag til dag og langs en breddegradssirkel på grunn av dynamiske prosesser (luftstrømninger) i atmosfæren. Ozonfordelingen vist over er et resultat av både kjemiske prosesser og transport med luftstrømmer i atmosfæren. Ozon blir produsert i den midlere og øvre stratosfære på lave breddegrader, der luften synker ned og bringer ozon til lavere høydenivåer. På våre bredder er ozonlagets tykkelse noe over 400 DU (4 mm) i gjennomsnittsverdi i april måned og rundt 300 DU (3 mm) i oktober.

Ozon er i hovedsak den eneste gassen i atmosfæren som svært effektivt absorberer den farlige ultrafiolette solstrålingen. Solstrålingen deles ofte inn i:

Ozon absorberer fullstendig den farligste UV-C strålingen. Denne når derfor ikke ned til jordoverflaten. Ozon absorberer også svært effektivt UV-B strålingen, som gjør oss solbrente.
Neste figur viser fluksen av solstråling inn mot Jorda med atmosfære.

 

 

Solenergien som absorberes i ozonlaget omdannes til varme.

 

 

Det er denne varmen som fører til at temperaturen i stratosfæren (10-50 km) øker med høyden. Dersom ozonmengden i stratosfæren reduseres, vil stråling med kortere bølgelengder, biologisk mer aktiv stråling, trenge ned til jordoverflaten. I tillegg vil temperaturfordelingen i stratosfæren endres, med påfølgende virkninger for luftstrømmene og dermed også for klimaet på Jorda. Neste figur viser forenklet en skisse av atmosfærens lagdeling og de viktigste prosessene som danner og bryter ned ozon.

 

 

Kurven til venstre viser den vertikale temperaturfordelingen. Kurven til høyre viser den vertikale fordelingen av ozon målt i antall volumdeler ozon per million volumdeler luft ( ppmv = 10-6.  Her er mer detaljert vertikal temperaturfordelig.

 

I stratosfæren er vanligvis 99% av kloratomene bundet i form av hydrogenklorid (HCL) eller klornitrat (CLONO2). Disse forbindelsene er ikke aktive i ozon-nedbrytingen. Det er bare den resterende 1% av kloratomene som fins i form av ClO eller Cl som bryter ned ozon. Størstedelen av ozontapet over Antraktis skyldes heterogene kjemiske reaksjoner på overflaten av iskrystaller og aerosoler av salpetersyretrihydrat, som er hovedbestanddelene i de såkalte polare stratosfæriske skyer (PSC). Salpetersyretrihydrat blir dannet når salpetersyre (HNO3) og vanndamp (H2O) kondenseres ved temperaturer rundt -78°C. Det dannes iskrystaller av H2O ved temperaturer rundt -80°C.

Det er altså to faktorer som er helt avgjørende for en kraftig ozonnedbryting. Det må være ekstremt kaldt med temperaturer rundt -80°C, og det må være sollys tilstede. Disse betingelsene er tilstede i Antarktis i månedene september-oktober. Det er nærmest ingen tvil om at det er de heterogene reaksjoner på de stratosfæriske skyene som er hovedårsaken til ozon-nedbrytingen over Amtarktis.

Til nå har man ikke funnet ozontap over Arktis som er sammenlignbart med tapene over Antarktis. Man finner de samme potensielle ozon-ødeleggende prosessene (fordi det fins klor- og bromforbindelser i den Arktiske stratosfære og omtrent på samme konsentrasjonsnivå som i Antarktis), men de meteorologiske forholdene favoriserer ikke dannelsen av stratosfæriske skyer på samme måte som i Antarktis.  Den viktigste årsaken  er at man har de laveste temperaturene i stratosfæren over Arktis flere uker før sollyset kommer tilbake etter polarnatten. De store mengdene av ClO som blir dannet i de heterogene kjemiske prosessene i skyene, vil for det meste brytes ned kjemisk før sollyset blir tilgjengelig for fotokjemisk nedbryting. De sterke luftstrømmene i stratosfæren er også mindre konsentrert rundt polområdet i Arktis enn de er i Antarktis. Som vist under så lar ikke prosessene, som bryter ned ozon, seg stoppe raskt. Selv om utslippene som forårsaker nedbryting av ozonlaget opphører umiddelbart, så vil virkningene vare ved i flere generasjoner fremover, på grunn av den lange levetiden til de kjemiske stoffene som slippes ut.  Levetidene er fra noen titalls år for bromkomponenter som Haloner, HFK, HKFK til opptil flere hundre år for KFK.

 

Klorfluorkarbonene (KFK) er et industrielt produkt og blir brukt som:

Alternativene til KFK er langt på vei hydroklorfluorkarboner (HKFK) og hydrofluorkarboner (HFK) og naturlige stoffer som ammoniakk og karbondioksid.

Halogener som inneholder brom (Br) har vært brukt i brannslokkingsanlegg/apparater, men brukes nå i mindre grad.

 

 Ozon-uttynnings potensialer

De kjemiske stoffene som blir transportert til stratosfæren har ulik evne til å bryte ned ozon. Forbindelser som inneholder klor (Cl) og brom (Br) er de mest effektive. For å kunne sammenligne denne evnen har man innført begrepet ozon-uttynnings-potensial (ODP = "Ozon Depletion Potential"). Man beregner ved hjelp av matematisk/kjemiske modeller hvor store utslippsmengder som kreves for å gi en globalt midlet forandring i vertikal total ozonmengde på ca. 1%. ODP for et stoff blir så angitt i forhold til den evnen KFK-11 (CFC-11) har til å uttynne ozonmengden like mye. ODP kan også baseres på en halvempirisk formel. Neste figur viser noen av de viktigste  ozonnedbrytende gasser og deres ODP.

 

 

Nedenfor vises noen flere gasser og ODP beregnet på begge de nevnte måtene.

 

 

Det er verdt å merke seg at de ozon-nedbrytene gassene også er drivhusgasser. Drivhusgassene generelt fører til økt drivhuseffekt og økt temperatur  i troposfæren, mens stratosfæren avkjøles.

 

Ozonhullet over Antarktis

I løpet av 1980-tallet registrerte man en stadig reduksjon av den totale ozonmengden over Antarktis i vårmånedene august-oktober, hovedsakelig i 12-24 km's høyde. Men likevel kom rapportene fra britiske og japanske forskere om det såkalte "ozonhullet" som en stor overraskelse. Det ble målt verdier av total mengde ozon helt ned mot 150 DU i 1985. Området med minimum total ozonmengde var ikke stillestående, det roterte og slynget seg rundt det Antarktiske kontinentet som en følge av variasjoner i luftmassenes bevegelse rundt polområdene. Området med total ozonmengde i 1985 dekket godt og vel hele det Antarktiske kontinentet (ca. 14 millioner km2 , USA er på 9.3 millioner km2). Figuren under viser ozonhull-arealet i perioden 1979-2016

 

 

Ozonhullet er definert som et område med Dobsonverdier (DU) mindre enn 220. I gjennomsnitt utgjør en kolonne med ozon fra jordoverflaten og opp til toppen av atmosfæren ca 300 DU. Neste figur viser ozon-minimum.

 

 

Ozonhullet er forventet å komme tilbake til 1980-nivået rundt år 2060, som en følge av reduserte og kutt i utslipp av klorfluorkarboner (CFCs) etc i henhold til betingelsene gitt i Montreal protokollen, som vist under.

 

 

Utflatingen i ozon-tykkelseskurven etter 1994 er allerede et resultat av reduserte utslipp av ozonreduserende gasser og dermed mindre klor(Cl) og brom(Br) i stratosfæren.

 

 

Som nevnt over forventer man at ozon-konsentrasjonen vil komme tilbake til 1980-nivået rundt år 2060. Utviklingen fra 1960 og fram mot 2100 er illustrert på figuren under.

 

 

De hvite fylte sirklene angir ozon-minimum (samme som ozon-minimumskurven vist ovenfor). Den røde kurven er en utjevnet kurve basert på de røde prikkene, som er beregnet ved en kjemisk-klimatisk modell fra NASA kalt GEOS-CCM. Den reproduserer observasjonene av ozon-minimum veldig bra fra 1960 og fram til 2015. Så hvis modellresultatene fram mot år 2100 er til å stole på, så vil ozonhullet være borte etter år 2060.

 

Utstrekningen og ozontykkelsen over Antarktis i 1979, 1987, 1994 og 2017 sees  på figuren under.

 

Oktober 1979 Oktober 1987 Oktober 1994 Oktober 2017

          

 

Satellittmålingene på Sydpolen i oktober 1987 var de laveste som var målt siden disse startet i 1979. I Montreal september 1987 undertegnet 35 land den første internasjonale protokoll (ikke Kina og India) som forpliktet landene til å fryse forbruk og produksjon av klorfluorkarboner og haloner på 1986-nivå. Den endelige Montreal-protokollen er vist ovenfor.

De tilsvarende ozonmålingene på den Nordlige halvkule sees under. Der er det heldigvis intet ozonhull. Grunnen til det er beskrevet over.

 

Oktober 1979 Oktober 1987 Oktober 1994 Oktober 2017

 

Se ellers: Globale klimaendringer, El Niño, Vær og klima, Klimamodeller

 

Porsgrunn 11 oktober 2017