Ozonlaget/ozonhullet

KATEGORI: OZONLAGET/OZONHULLET
Af Ole Terney, biolog

Disse svar blev oprindeligt skrevet som et supplement til tidsskriftet BioNyt Videnskabens Verden. Du kan tegne et abonnement på bladet her.

Hvad er ozonhullet?

Ødelæggelsen af atmosfærens ozonlag i 10-50 km højde kaldes "ozonhullet". Ozonhullet medfører større risiko for, at skadelige UV-stråler når ned gennem atmosfæren. Da man opdagede, at CFC-gasserne var årsag til ozonhullerne over polområderne, blev CFC-gasserne forbudt (i industrilandene fra 1996 og i u-landene fra 2006) (3654 s.46). CFC-gassernes afløser, hydrochlor-fluorcarbonerne HCFC, er ikke ozonødelæggende, men de er drivhusgasser ligesom CFC'erne, blot ikke så kraftige drivhusgasser. På et internationalt møde i København i 1992 blev det besluttet, at HCFC'er skal være udfaset år 2030 (3654 s.46). (3654 s.245).

Hvordan dannes ozonhullet?

Ozonhullets dannelse kræver en kold stratosfære. De ozonødelæggende, aktive former af chlorholdige CFC-gasser dannes på overfladen af iskrystaller i skyer ved temperaturer under -78°C. Det er grunden til, at ozonhullet repareres i løbet af sommeren, fordi iskrystalskyerne smelter. Link Drivhusgasserne kan ved at frembringe kulde i stratosfæren indirekte komme til at øge ozonhullet. Eftersom CO2-ophobningen medfører afkøling af stratosfæren, vil menneskets CO2-frigivelse, ved at afkøle stratosfæren, kunne øge muligheden for ozonhuldannelse i stratosfæren.

Iøvrigt er ozonødelæggelsen formentlig selvforstærkende, idet nedbrydning af ozon sænker temperaturen, fordi der mistes det varmefremkaldende ozon, og på grund af kulden kan mere af de ozonædende CFC-gasformer dannes.

Ozonhullet, der blev opdaget 1985, er på grund af de internationale politiske beslutninger nu under udbedring (CFC-koncentrationen stiger ikke mere i atmosfæren). Ozonhullerne over Antarktis og nordpolområdet forventes at være væk om 100 år.

Hvad er ozonforurening?

Ozon kan i forskellige situationer være en forurening, en drivhusgas eller et gavnligt ozonlag. Ozon findes også i troposfæren, hvor det er en forurening. Troposfærens ozon er hovedsagelig begrænset til den nordlige halvkugle. Det antages at give 0,3-0,5 Watt/m2 opvarmning, svarende til ca. 25% af det øgede CO2-niveau (3654 s.s.22+s24 3550).

Hvordan dannes ozon i troposfæren?

Ozon i troposfæren dannes ved kemiske reaktioner med forureningsstoffer som nitrogenoxiderne NO og NO2, kulilte (CO) eller kulbrinter. Desuden kræves sollys - hvorimod det naturlige ozon i stratosfæren dannes ved UV-lys. Stratosfærens ozon køler Jorden (3550s33).

OZONLAGET/HØJDE

I hvilken højde findes ozonlaget?

Stratosfærens ozonlag findes i 15-50 km højde (3614 s.62).

Hvilken betydning har stratosfærens temperatur for ozonhullet?

Nedkøling af stratosfæren kan forstærke ozonhullet

OZONLAGET/DANNELSE

Hvordan dannes ozon?

Stratosfærens ozon dannes ved at lys spalter oxygen (ilt). Ved udsættelse for ultraviolet lys (UV-lys) med en bølgelængde, der er kortere end 242 nanometer, spaltes oxygenmolekylet, der består af to oxygenatomer. (1 nanometer er 1 milliardedel meter, 10(-9) meter ). Under medvirken af en ledsagende partner (ofte oxygen eller nitrogen) vil hver af de to oxygenatomer kombineres med et yderligere oxygenatom og derved danne ozon, som består af tre oxygenatomer (3614 s.62). Da sollyset er mest intens over ækvator dannes mest ozon her, men transport i atmosfæren fører efterhånden denne ozon mod polerne.
Sollyset nedbryder også ozon (ud over at danne det). Ved bølgelængder under 1200 nanometer spaltes ozonmolekylet, der består af 3 oxygenatomer. Det spaltes til et oxygenatom og et oxygenmolekyle (bestående af de to resterende oxygenatomer). Undertiden vil to således frigjorte oxygenatomer kombineres under deltagelse af en partner, som accepterer den energi, som frigives i reaktionen, og der dannes derved et nyt oxygenmolekyle (ilt, O₂).

OZONLAGET/OZONHULLET/ÅRSAG

Hvordan nedbrydes ozonlaget?

Over 30 forskellige stoffer, der indgår i næsten 200 forskellige kemiske reaktioner, bidrager til at nedbryde ozonlaget i stratosfæren (3614 s.63). Blandt andet er CFC-molekyler (kendt som freonmidler i køleskabe) i stand til at nedbryde ozon. Når de chlorholdige CFC-molekyler når op i stratosfæren, nedbrydes de af ultraviolet lys og frigiver deres chloratomer. Chloratomet accelererer den katalytiske nedbrydning af ozon.

Kulde har betydning, idet ekstremt kolde skyer (-78°C) medfører, at chlor-hydrogen molekyler og chlor-nitrat molekyler ophobes på disse ekstremt kolde skyer. De kolde skyer synker og bringer deres aggressive chlorforbindelser med sig.
I løbet af vinteren på Antarktis ophobes skyer der indeholder forstadier til stoffer, som, når solen kommer om foråret, pludselig kan frigive en stor mængde af aggressive chlorforbindelser, som der ikke findes nok af andre molekyler til at binde kemisk, og som derfor kan føre til alvorlig katalytisk nedbrydning af ozonlaget. Nedsynkningen af de kolde skyer og luftmasser medfører, at der dannes en vind, som cirkler omkring sydpolen og Antarktis. Denne cirkelstrøm (vortex) forhindrer ozonrig luft i at nå frem til Antarktis-luftrummet. Når sommeren kommer, opvarmes stratosfæreskyerne og forsvinder. Derved kan ozonholdig luft igen nå frem.

Desuden neutraliseres chloratomerne for en tid af luftformige nitrogensyrer og nitrogendioxid, som kan binde chlor, så det ophører med at katalysere ozonnedbrydningen, - indtil en ny vinter kommer. Som nævnt indledningsvis er de faktiske kemiske forhold mere komplicerede end her nævnt.
I de sidste 10 år er koncentrationen af chlorbærende molekyler i stratosfæren forøget med en faktor seks (3614 s.63).

OZONLAGET/NEDBRYDNING

Hvor meget er ozonkoncentrationen faldet?

Ozonkoncentrationen i centeret af ozonhullet ved Antarktis er faldet fra 240 Dobson-enheder i 1975 til under 120 Dobson-enheder i dag (3614 s.63). De mest dramatiske reduktioner i ozonkoncentration er blevet målt i højder på 15-20 km over havniveau (3614 s.63). Her er ozon-faldet på ca. 95%! (3614 s.63). I begyndelsen var kun september og oktober måned påvirket, men nu er flere måneder involveret. Det arktiske område, dvs. polarområdet på den nordlige halvkugle, er varmere på grund af havområderne, og derfor er ozonhullet væsentlig mindre udtalt på den nordlige halvkugle. Desuden er de cirkulære vinde mindre stabile i arktis. Det betyder, at ozon kan tilføres fra lavere breddegrader. Det er ikke muligt ved Antarktis.

OZONLAGET/OZONHULLET/BETYDNING

Hvad betyder ozonhullet for den ultraviolette stråling og hudkræft?

En 1% nedgang i ozonlaget vil resultere i en 2% forøgelse af den ultraviolette stråling ved Jordens overflade og en 3% forøgelse af hudkræft (3614 s.61).

OZONLAGET/OZONHULLET/CFC-GASSER/MÆNGDE

Hvor meget CFC-gas blev udledt?

CFC-gasser blev, indtil de blev forbudt, brugt som drivmiddel i sprøjtedåser og kølemiddel i køleskabe. Der blev udledt 700.000 ton årligt, især fra industrilandene på den nordlige halvkugle. Virkningen på ozonlaget var derimod kraftigst på den sydlige halvkugle (3614 s.59). [Se hvorfor under spørgsmålet: Hvordan nedbrydes ozonlaget?]

OZONFORURENING/MÆNGDE

Hvor meget har ozonkoncentrationen ændret sig?

Koncentrationen af det ozon, som på grund af forurening findes i den nedre del af atmosfæren, er øget gennemsnitligt 1,2% pr. år siden 1970 (3614 s.62). I samme tidsrum er ozonlaget i stratosfæren nedsat med 0,6% pr. år (3614 s.62). Koncentrationen i stratosfæren fortsætter med at sænkes med 0,2% pr. år. Uheldigvis kompenserer den øgede mængde af ozon, der findes lavt i atmosfæren, ikke for tabet af ozon højt i atmosfæren. Det skyldes, at mængden af ozon nederst i atmosfæren er af ubetydelig mængde, hvis man sammenligner med den mængde, som findes i stratosfæren.

OZONHUL/KLIMAÆNDRINGER

Er der en sammenhæng mellem ozonhullet og klimaændringer?

Det er almindeligt, at der blandt folk er forvirring om de to begreber ozonhullet og klimaændringer. De to ting har ikke så meget med hinanden at gøre. Jorden opvarmes ikke, fordi der kommer mere sol ind gennem ozonhullet, hvilket mange tror! Derimod er der den sammenhæng, at de industristoffer, som er skyld i ozonhullet, også er kraftige drivhusgasser, og derfor bidrager til klimaændringen mod et generelt varmere klima på Jorden (3716)
Industristofferne (CFC og HFC med flere) er drivhusgasser. Ozon er både en drivhusgas og en absorber af solstråler i UV-bølgelængdeområdet. CFC-gassernes drivhusgasvirkning har siden 1850 frembragt en 0,34 Watt/ m2 energitilvækst-"forcing". (3716). Nedgangen i stratosfære-ozonlaget medfører en nedkøling (-0.15 W/m2), som altså er mindre end opvarmningsvirkningen (3716). Stoppet for CFC-produktion medfører langsom formindskelse af CFC i stratosfæren, hvilket vil øge stratosfærens ozonindhold og mindske drivhuseffekten fra CFC-gasserne. (3716), Imidlertid er nogle af de industrigasser, som bruges i stedet for CFC-freongasserne (f.eks. HFC-23 som ikke er så skadelige for ozonlaget) kraftige drivhusgasser. Den samlede opvarmning som følge af disse erstatningsgasser er dog, sammenlignet med forøgelsen af CO2, kun ringe. (3716). Men alligevel bør man finde erstatninger, og der findes allerede sådanne erstatninger (f.eks. det giftige ammoniak), som hverken skader ozonlaget eller har drivhusgasvirkning. Behandlingen af ozonhullet har altså ikke vist sig at være værre end sygdommen, men behandlingen kan gøres endnu mindre skadelig.
Det skal også nævnes, at nedkøling af stratosfæren (som sker ved klimaændringen) gør det lettere for CFC-gasserne at ødelægge ozonlaget. Dette er endnu en sammenhæng mellem ozonhullet og klimaændringerne. Men det er altså ikke korrekt, at Jorden opvarmes, fordi der kommer mere sol ind gennem ozonhullet!

OZONHULLET/METHYLBROMID

Bidrager methylbromid til ozonhullet?

Tilstrækkelig meget methylbromid overlever turen op i stratosfæren til at virke på ozonlaget. På en molekyle-for-molekyle basis er brom meget mere effektiv til at katalysere ozonnedbrydningen end chlor. Chlor er det virksomme stof i freon og andre CFC-gasser mv. Der er en naturlig produktion af brom i naturen.

OZONFORURENING/SYGDOM

Er ozonforurening sygdomsfremkaldende?

Ozonforurening i den nedre atmosfære skyldes biler og industri. Ozonen i sig selv er formentlig først rigtig skadelig, når koncentrationen er ekstrem høj, f.eks. > 300 ug/m3 =~ 150 ppb). (3716, comments 19; nr.6). Da ozonforureningen opstår sammen med anden luftforurening, men er lettere at forstå, bliver der fokuseret mere på ozon end på de andre stoffer i luftforureningen, når denne luftforurening omtales i medierne.

OZON/STRATOSFÆREN/TEMPERATURVIRKNING

Er ozonlaget i stratosfæren opvarmende eller kølende?

Ozonlaget i stratosfæren har en opvarmende virkning på grund af de modsatte virkninger, dels drivhusgasvirkning (kølende på grund af stor højde?) og dels ved at ozon absorberer UV-lys (opvarmende virkning?). (3716, comments 19; nr.10) [Ifølge en kilde er ozonlaget i stratosfæren kølende; det må være, hvis man kun ser på ozon'ets drivhusgasvirkning i stor højde]

OZONHULLET/FREONGASSER/ALTERNATIVER

Hvilke alternativer er der til freongasserne, som er skyld i ozonhullet?

CFC-gasserne blev oprindelig udviklet for at erstatte det ekstremt giftige ammoniak i køleelementer. Samtidig er CFC'erne ugiftige og ikke brandbare. Eftersom CFC-gasserne ødelægger ozonlaget i stratosfæren er de blevet erstattet af HFC-forbindelser og carbonhydrider, som f.eks. pentan. Ammoniak var og er stadig anvendt i industrianlæg, men er strengt forbudt, hvor ikke-professionelt uddannede personer færdes, bl.a. i beboelseskvarterer. Carbonhydrider er meget mindre giftige end ammoniak, men har deres egne problemer. De er meget brandfarlige og har medført ulykker med dødelig udgang, når de blev anvendt som opskumningsmiddel og ved påfyldning. HFC-gasser kan være det bedste alternativ, hvis de bruges i tætte anlæg og destrueres effektivt, når de ikke kan bruges mere.
Der findes et lignende problem med bromerede haloner. De er meget effektive til at bekæmpe brand. Da de er ugiftige for mennesker, har man bedre chance for at undslippe brand i f.eks. computerrum. CO2-alternativet til brandslutning er derimod dødelig for mennesker ved over nogle få procent i luften, hvilket er før det bliver effektivt til bekæmpelse af brand. I dette tilfælde er der stadig ikke noget effektivt ugiftigt alternativ til de bromerede haloner til brandbekæmpelse. (3716, comments 19; nr.13)

OZONLAGET/DANNELSE

Hvor og hvordan dannes ozonlaget?

Ozon dannes især i troperne, hvor UV-lyset er kraftigst. Jo tættere man kommer polerne, jo mindre ozon dannes. Under polarnatten dannes slet intet ozon. Der er imidlertid en vis strøm af luft (og dermed af ozon) i stratosfæren i retning mod polerne. Denne tilførsel af ozon fortsætter, så længe tilstrømningen ikke forhindres af den cirkulerende pol-vortex (cirkulerende luftstrømning, især omkring Sydpolen). Ozonnedbrydningen - både den naturligt forekommende og den menneskeskabte - er derimod jævnt fordelt over hele stratosfæren, derfor er virkningen størst mod høje breddegrader og ved polerne. Dertil kommer, at ozonnedbrydningen på grund af CFC-gasserne fremmes ved lave temperaturer, altså nær polerne. Naturlig ozonnedbrydning skyldes især methylchlorid, som dannes af svampe og alger (samt fra vulkanudbrud). Denne naturlige ozonnedbrydning udgør 20% af den nuværende ozonnedbrydning (3716, comments 19; nr.15). Det meste af ozonnedbrydningen skyldes CFC-forurening.
Ved ekstremt kolde temperaturer kondenserer chlor på partikeloverflader, og er så ikke reaktivt. (3716, comments 19; nr.15).
Meget af chloret i stratosfæren opbevares som ClONO₂, hvor det ikke kan reagere med ozon (3716, comments 19; nr.17). De polære stratosfæreskyer er sammensat af partikler af salpetersyretrihydrat ("nitric acid trihydrate", NAT). ClONO₂ omdannes kemisk til salpetersyre ("nitric acid") og Cl₂ eller HOCl på disse partikler. (3716, comments 19; nr.17). Også meget af NO₂ i polstrøm-stratosfæren omdannes til salpetersyre. ClO, som normalt blev oplagret som ClONO₂, er fri til at deltage i de ozonødelæggende cyklusser, når det tør op. Cl₂ og det HOCl, der dannes ud fra ClO på NAT, spaltes let af det første lys. Derved dannes en katastrofal puls af Cl og ClO, som ødelægger ozonmolekylerne under det polare forår og derved fremkalder ozonhullet. (3716, comments 19; nr.17).
Ved indførsel af vanddamp i faste NAT-partikler sker en kraftig forøgelse af dets evne til at denitrificere ClONO₂. (3716, comments 19; nr.17). Hvis den øvre troposfære er mere fugtig, på grund af øget udledning af methan og opvarmning af tropopausen (overgangsområdet fra troposfæren til stratosfæren), vil dette forøge ozonhullet efter tilstrækkelig kolde vintre. (3716, comments 19; nr.17). [I stratosfæren er methan frembragt ved menneskelige aktiviteter den vigtigste kilde til vand (3733)].
Når foråret kommer, og dermed sollyset, frigives chloret straks og begynder på ozonødelæggelsen. Efter nogle få måneder bliver den cirkulerende polvind svagere, hvilket tillader frisk luft med ozon at strømme til polerne.
UV-lys udgør under 1% af energien af sollyset, som når frem til Jorden. Ved polerne er det endnu meget mindre, fordi det meste UV-lys filtreres fra under den meget længere vandring gennem stratosfæren, i forhold til UV-indstrålingen ved Ækvator. Forskellen i mængden af ultraviolet lys mellem Ækvator og Nordnorge ved jordoverfladen er 5 gange, dvs. 500%. Så selv under de måneder, hvor der er et ozonhul, er forskellen på UV-energien, som når jordoverfladen meget lille. Det betyder dog ikke, at der ikke er en vigtig forskel når det drejer sig om virkningerne på plankton og ændringer i stratosfæren (såsom temperatur og luftcirkulation). (3716, comments 19; nr.15).