Atmosfääriosoon ja osoonikihi hõrenemine polaaralade kohal

Osoonikiht kaitseb elusorganisme filtreerides maapinnale jõudva ultraviolettkiirguse kogust. Osoonimolekulid paiknevad kahes atmosfäärikihis: stratosfääris ja troposfääris. Suurimad osoonikogused (90% atmosfääriosooni kogumahust) asuvad stratosfääris 15-35 km kõrgusel, kus nad moodustavad osoonikihi. Ülejäänud 10% nimetatakse maapinnalähedaseks osooniks, mis asub troposfääris. Maapinnalähedast osooni käsitletakse kui reostusainet, mis avaldab kahjustavat mõju elusorganismidele. Osoonikontsentratsioonide kujunemine on mõjutatud osooni tekkimis- ja lagunemisreaktsioonide tasakaalust ning osoonimolekulide liikumisest. Osoonimolekul tekib UV-kiirguse mõjul poolitatud vaba hapniku aatomi ja hapniku molekuli reaktsiooni tulemusel. Tekkimisreaktsioonid kulgevad põhiliselt stratosfääri troopikavööndis, kuna sinna ulatub kõige enam osoonimolekulide loomiseks vajalikku UV-kiirgust. Lagunemisreaktsioonide mõju jagatakse kaheks: hapniku modifikatsioonide ja kiirguse toime ning katalüsaatorid. Hapniku modifikatsioonide mõjul toimub osoonimolekulide aeglane lagunemine UV-kiirguse filtreerimise juures, kui osoonimolekul reageerib vabanenud hapniku aatomiga. Katalüsaatorid võtavad osa keemilistest reaktsioonidest ning vabanevad reaktsiooni lõpus sellisel kujul, et neil on võimalik osaleda uuesti sarnases reaktsioonis. Osooni lagunemise pool on kuni 80% ulatuses põhjustatud katalüsaatoritest (vesinikuühendid, lämmastikuühendid, kloor ja broom). Osooni geograafiline jaotus on kujundatud laiaulatusliku Breweri-Dobsoni õhutsirkulatsiooni poolt, mille mõjul toimub õhu poolustesuunaline liikumine stratosfääris. Osoonikihi hõrenemist põhjustavad polaaralade kohal osoonikihti kahjustavate ainete ja poolustele omase kliima kombinatsioon. Osoonikihti kahjustavate ainete hulka loetakse inimtekke tagajärjel atmosfääri sattunud halogeeniühendeid (CFC, CCl4, HCFC, haloonid). Osoonikihti kahjustavad ained on inertsed ja pika elueaga, mille tõttu transporditakse nad atmosfääri õhuringlusega troposfäärist stratosfääri ja pooluste kohale. Antarktikas ja Arktikas moodustub talveperioodil polaaröö piirini ulatuv polaartsüklon, mis blokeerib troopikavööndist saabuva osoonirikka õhu segunemise tsükloni sees oleva õhuga. Polaartsükloni isoleeritus tugevneb talve jooksul ning temperatuuride langemisel stratosfääris alla -78°C moodustuvad polaarstratosfäärpilved. Polaarstratosfäärpilvede osakeste pinnal kulgevate heterogeensete keemiliste reaktsioonide käigus konverteeritakse polaartsükloni õhus sisalduvad halogeeniühendid aktiivsetesse vormidesse ning suur hulk lämmastikoksiide sadestub stratosfäärist välja. Tekkinud reaktiivsete halogeeniühendite ülekaal lämmastikoksiidide ees soodustab osooni katalüütilise hävimise reaktsioone päikesekiirguse naasmisel kevadel. Antarktika ja Arktika osoonikontsentratsioonide analüüsimise käigus selgusid põhjapoolkera tagasihoidlikuma osoonikihi hõrenemise põhjused. Põhjapoolkera laiaulatuslikud topograafilised tunnused kutsuvad esile intensiivsemat planetaarsete lainete aktiivsust, mille tagajärjel tugevneb osoonirikka õhu transportimine põhjapoolusele, esinevad kõrgemad temperatuurid ja nõrgeneb Arktilise polaartsükloni isoleeritus. Arktikas on stratosfääri temperatuuride kõikumise piirid laiad, kuid jäävad keskmiselt 10 kraadi võrra kõrgemaks kui Antarktikas. Kõrgemate temperatuuride tõttu jääb põhjapoolusel talveperiood lühemaks ning heterogeensete keemiliste protsesside mõju on tagasihoidlikum. Suurejooneline osoonikoguste langemine on leidnud aset Arktikas üksikutel aastatel (1997, 2011), kui temperatuurid langesid erakordselt madalale ning talveperiood kujunes tavapärasest pikemaks. Osoonikihi kaitsmise rahvusvaheline tegevus algas 1985. aastal Viini konventsiooni sõlmimisega. Kaks aastat hiljem anti välja Montreali protokoll, millega reguleeritakse osoonikihti kahjustavate ainete tootmis- ja kasutamistingimusi, lõppeesmärgiga kõrvaldada käibelt kõik osoonikihti kahjustavad ained. Montreali protokolli ja tema paranduste analüüsimise käigus selgitati välja osoonikihi kaitseks astutud sammude efektiivsus. Montreali protokollita oleksid klorofluorosüsinike ja teiste osoonikihti kahjustavate ainete kogused jätkanud järsku tõusu ning avaldanud üha suuremat negatiivset mõju polaaralade osoonikontsentratsioonidele. Protokolli esimene regulatsioon (1987) ja Londoni parandus (1990) pidurdasid osoonikihti kahjustavate ainete paiskamist atmosfääri ning alates Kopenhaageni parandusest (1992) prognoositakse klooriühendite langustrendi atmosfääris. Viimase paranduse (Montreal 2007) regulatsioonide järgimisel prognoositakse klooriühendite taastumist osooniaugu eelsele perioodile 21. sajandi keskpaigaks. Järgnevatel aastakümnetel avaldavad osoonikihile arvestatavat mõju olemasolevate kloori- ja broomiühendite aeglane eemaldumine, jätkuv kasutus arengumaades ning vanades seadmetes lukustunud halogeenid.

The climate of the planet Earth has always been affected by naturally occurring changes. Early in the planet's history, life existed only under water. The development of photosynthesis in ocean plants laid the foundation for oxygen to gradually increase in the atmosphere. When oxygen became available, ozone molecules started to form by the photochemical destruction of oxygen molecules. As concentrations of ozone increased, less UV radiation reached the Earth's surface and life could start to exist outside the oceans [1]. In the last decade the influence of human activities on the climate have greatly increased. Halogen source gases (chlorofluorocarbons, tetrachloride, methylchloroform, halons) emitted by human activities have increased substantially in the atmosphere from the middle to the late 20th century. The increasing usage of ozone depleting substances led to the discovery of severe depletion of Antarctic ozone (1985), known as the ozone hole. Significant depletion of ozone has also been observed in the northern hemisphere [2]. The title of this diploma thesis is Atmospheric ozone and the depletion of the ozone layer in polar regions. The objectives of this thesis are as follows: - identify the processes that affect the formation, destruction and distribution of ozone; - determine the principal steps responsible for stratospheric ozone depletion in polar regions and study the differences between Antarctic and Arctic ozone; - analyze the steps taken for the protection of the ozone layer and their efficiency. The balance of ozone concentrations is always affected by formation, destruction and distribution processes. Stratospheric ozone is formed by chemical reactions of solar ultraviolet radiation and oxygen molecules. The largest ozone production occurs in the tropical troposphere, because the amounts of solar radiation are greatest there [2]. 80% of ozone destruction is attributable to catalytic cycles. The catalysts considered for ozone destruction are reactive hydrogen, nitrogen, chlorine and bromine gases [1]. The sources of reactive hydrogen and nitrogen are considered natural and have not been influenced by human activity as much as halogen source gases. The geographical distribution of ozone is influenced by a large-scale air circulation, known as the Brewer-Dobson circulation, which slowly transports air from the tropics toward the poles [2]. Ozone depletion in polar regions is affected by the combination of ozone depleting substances and the cold climate of the poles. Ozone depleting substances have long atmospheric lifetimes and are transported toward the poles by the Brewer-Dobson circulation cell. In both polar regions stratospheric air is strongly isolated in the wintertime by the formation of the polar vortex. As stratospheric temperatures decrease, the isolation of the vortex increases. When temperatures fall extremely low, polar stratospheric clouds are formed in the vortex. Heterogeneous chemical reactions taking place on the surfaces of polar stratospheric clouds convert reservoir forms of halogen gases into reactive forms. When sunlight returns in spring, large catalytic ozone destruction takes place inside the polar vortex. [2] Severe depletion of the Antarctic ozone layer is present every spring. Conditions in the Antarctic winter are extremely cold and suitable for chemical processes that are responsible for ozone depletion. The ozone losses observed over the Arctic are significantly smaller. This is because Arctic average temperatures are always higher and the isolation of stratospheric air is weaker. Large ozone losses have been observed in the Arctic on a few singular years (1997, 2011), when stratospheric temperatures fell to record lows. [2] In 1985 the Vienna Convention for the protection of the ozone layer was signed. This led to the formation of the Montreal Protocol two years later. The goal of the Montreal Protocol is to establish controls for the production and consumption of ozone depleting substances and eventually phase out all ozone depleting substances. The Montreal Protocol has been strengthened with amendments and adjustments five times. With full compliance to the latest protocol adjustments (Montreal 2007), chlorine levels in the atmosphere are expected to return to pre-ozone hole values in the middle of the 21st century [2]. The Montreal Protocol is one of the most successful international treaties, having been ratified by 197 nations (as of 12. november 2013) [3].