De dikte van de ozonlaag: metingen, variaties en het belang ervan

De ozonlaag is een van de meest fascinerende en relevante onderwerpen in de huidige milieuwetenschap. Hoewel het op het eerste gezicht misschien een zaak lijkt die alleen is voorbehouden aan wetenschappers en meteorologen, zijn de dikte, de variaties en het belang van het behoud ervan van belang. hebben directe gevolgen voor het dagelijks leven van ons allemaal. Van bescherming tegen ultraviolette straling tot de impact ervan op de menselijke gezondheid en ecosystemen: inzicht in de ozonlaag is van cruciaal belang voor het inschatten van de risico's voor de planeet en de oplossingen die we kunnen implementeren.

In de volgende regels wordt u meegenomen in een uitgebreide rondleiding waarin u alles te weten komt over de fysieke aard van de ozonlaag, hoe deze wordt gemeten en gemonitord, de belangrijkste bedreigingen voor de integriteit ervan, de historische ontwikkeling van de toestand ervan en de prestaties (en resterende uitdagingen) op het gebied van de bescherming ervan. Naast het doornemen van de wetenschappelijke basis, ontdekt u hoe variaties in de tijd en ruimte ontstaan, welke instrumenten worden gebruikt om deze te meten en vooral waarom deze gaslaag bewaard moet blijven. is cruciaal voor de continuïteit van het leven op aarde.

Wat is de ozonlaag en waarom is deze belangrijk?

De ozonlaag is een gebied in de atmosfeer van de aarde, dat zich voornamelijk in de stratosfeer bevindt en waar de meeste atmosferische ozon zich concentreert. Dit gas, waarvan de chemische formule O is₃, bestaat uit drie zuurstofatomen en heeft unieke eigenschappen die het onderscheiden van gewone zuurstof (O₂).

Het strekt zich uit tussen ongeveer 15 en 40 kilometer boven het aardoppervlak, met de hoogste concentratie rond 25 kilometer. Als alle ozon in de stratosfeer echter zou worden samengeperst tot de omgevingsdruk, zou het een zeer dunne laag van 2 tot 3 millimeter dik vormen. Dit is verrassend gezien de belangrijke beschermende rol die ozon speelt.

De belangrijkste functie van de ozonlaag is het filteren en absorberen van het grootste deel van de ultraviolette straling (UV-B en UV-C) van de zon. Zonder deze natuurlijke barrière zou schadelijke straling het aardoppervlak ongehinderd bereiken, met verwoestende gevolgen: een toename van ziekten als huidkanker en staar, schade aan oogsten, schade aan het zeeleven en verstoring van ecosystemen op het land en in het water.

Het bestaan ​​van het leven op aarde, zoals wij dat kennen, hangt af van dit delicate gasschild. Daarom is elke relevante verandering in de dikte of samenstelling ervan heeft een directe impact op het milieu en de gezondheid van de mens.

Vorming en vernietiging van stratosferisch ozon

De vorming en vernietiging van ozon in de stratosfeer is een dynamisch proces, dat voortkomt uit complexe chemische en fysische evenwichten die voornamelijk worden aangestuurd door ultraviolette straling van de zon.

Ozon ontstaat wanneer UV-straling met een golflengte korter dan 240 nm zuurstofmoleculen (O) raakt₂). Deze energie 'breekt' de moleculen, scheidt de atomen, die zich vervolgens met andere zuurstofmoleculen verbinden om ozon (O₃). Dit mechanisme werd in 1930 beschreven door Sydney Chapman en staat bekend als de Chapmancyclus.

De essentiële reactie kan als volgt worden samengevat: zonlicht breekt moleculaire zuurstof af tot individuele atomen, en deze atomen combineren vervolgens weer met O₂ om ozon te genereren (O₃). Ozon kan op zijn beurt worden vernietigd door UV-straling met een lagere specificiteit, waarbij moleculaire zuurstof en zuurstofatomen vrijkomen. Deze heen-en-weer reactie handhaaft het natuurlijke evenwicht van de ozonlaag, mits er geen verstoringen van buitenaf zijn.

Andere factoren, zoals de aanwezigheid van gehalogeneerde verbindingen (bijvoorbeeld chloorfluorkoolstoffen, CFK's en halonen) of een verhoogd gehalte aan stikstofoxide (NOx), kunnen katalytische reacties veroorzaken die de vernietiging van ozon versnellen.

In de poolgebieden, vooral tijdens de Antarctische lente, ontstaat het zogenaamde ‘ozongat’. In deze gebieden dragen factoren als lage temperaturen, de vorming van polaire stratosferische wolken en de accumulatie van gehalogeneerde verbindingen bij aan de grootschalige, seizoensgebonden vernietiging van de laag.

Ecologisch en gezondheidsbelang

De rol van de ozonlaag bij het behoud van leven is essentieel en onvervangbaar. Door meer dan 97% van de UV-B-straling en bijna alle UV-C-straling te absorberen, voorkomt dat dodelijke doses zonnestraling het aardoppervlak bereiken. Op deze manier beschermt de laag levende wezens tegen:

• Huidkanker: Blootstelling aan ongefilterde UV-straling verhoogt het risico op melanomen en andere huidtumoren.
• Staar en oogschade: UV-straling kan ernstige oogaandoeningen veroorzaken en zelfs tot blindheid leiden.
• Immunosuppressie: Er zijn aanwijzingen dat verhoogde blootstelling aan UV-B de effectiviteit van het immuunsysteem bij mensen en dieren vermindert.
• Veranderingen in ecosystemen: De reductie van de laag kan gevolgen hebben voor de fotosynthese en voor voedselketens in zeeën, meren, rivieren en bossen.
• Impact op de landbouw: Een verhoogde stralingsbelasting heeft een negatief effect op de productiviteit en kwaliteit van gewassen.

De ozonlaag speelt ook een relevante rol in de klimaatdynamiek, aangezien door het absorberen van UV-straling, draagt ​​bij aan de opwarming van de stratosfeer en reguleert de mondiale atmosferische temperatuur.

Hoe worden de dikte en concentratie van de ozonlaag gemeten?

De ‘dikte’ van de ozonlaag wordt niet uitgedrukt in een directe fysieke dikte, maar als een maat voor de hoeveelheid ozon die aanwezig is langs een verticale kolom van de atmosfeer. De standaardvorm is de Dobson-eenheid (DU), die de hoeveelheid ozon weergeeft die, samengeperst onder normale omstandigheden van druk en temperatuur, een laag van 0,01 mm dik zou vormen.

De wereldwijde gemiddelde waarde van ozon in de atmosfeer wordt geschat op ongeveer 300 DU, hoewel er variaties zijn afhankelijk van de geografische locatie en het seizoen.. Op de polen bijvoorbeeld (vooral tijdens de Antarctische lente) kunnen de waarden tijdens perioden van ozongaten dalen tot onder de 150-220 DU.

De meting wordt uitgevoerd met behulp van specifieke instrumenten:

• Dobson en Brewer spectrofotometers: Het zijn optische apparaten die de ultraviolette straling van de zon meten vóór en nádat deze door de atmosfeer is gegaan. Zo wordt de totale ozonconcentratie in de kolom berekend.
• Ozonsondes: Het zijn weerballonnen die zijn uitgerust met sensoren die tijdens het opstijgen gegevens over de ozonconcentratie registreren, afhankelijk van de hoogte.
• Weersatellieten: Uitgerust met geavanceerde sensoren maken ze het mogelijk om de verspreiding en evolutie van de ozonlaag wereldwijd in kaart te brengen en historische analyses uit te voeren.

Meteorologische en onderzoekscentra zoals het Staatsmeteorologisch Agentschap (AEMET) in Spanje of het Izaña-observatorium op de Canarische Eilanden zijn internationale referenties op het gebied van het monitoren van atmosferische ozon.. Deze instellingen werken in een netwerk, delen wereldwijd gegevens en maken het mogelijk om in real-time de toestand van de laag te beoordelen.

Diktevariaties: natuurlijke en door de mens veroorzaakte oorzaken

De dikte en concentratie van de ozonlaag variëren op natuurlijke wijze gedurende het jaar, tussen verschillende regio's en worden ook veroorzaakt door door de mens veroorzaakte factoren.

Natuurlijke oorzaken zijn onder meer:

• Breedtegraad en seizoen: In de poolgebieden worden in het voorjaar vaak lagere temperaturen geregistreerd vanwege specifieke fotochemische processen. Equatoriale gebieden ontvangen meer UV-straling en produceren daardoor meer ozon.
• Zonneactiviteit: Veranderingen in de zonnestraling, zonnecycli en uitbarstingen hebben tijdelijk invloed op de productie en vernietiging van ozon.
• Meteorologische processen: Planetaire golven, polaire wervelingen en andere atmosferische circulatieverschijnselen beïnvloeden de verdeling en het transport van stratosferisch ozon.
• Vulkanische uitbarstingen: De uitstoot van deeltjes en gassen kan ozon via verschillende chemische processen geleidelijk verminderen.

De grootste bedreiging voor de balans van de ozonlaag wordt gevormd door menselijke activiteiten.. Het voortdurende gebruik en de uitstoot van gehalogeneerde chemicaliën, met name CFK's en halonen, sinds het midden van de 20e eeuw, Zij zijn verantwoordelijk voor het versnelde verlies van ozon in grote delen van de planeet.

Wanneer deze stoffen in de atmosfeer terechtkomen, duurt het jaren voordat ze de stratosfeer bereiken. Daar worden ze door UV-straling afgebroken, waarbij uiterst reactieve chloor- en broomatomen vrijkomen. Deze atomen Ze vernietigen ozon door katalytische reacties waarbij één enkel molecuul tot 100.000 O-moleculen kan elimineren.₃ voordat ze geneutraliseerd worden.

Het proces van ozonvernietiging door gehalogeneerde verbindingen

Katalytische ozonafbraak door gechloreerde en gebromeerde verbindingen is de belangrijkste oorzaak van ozonafbraak in de afgelopen decennia. De moleculen die hiervoor verantwoordelijk zijn, zijn onder andere chloorfluorkoolstoffen (CFK's), chloorfluorkoolwaterstoffen (HCFK's), halonen, tetrachloorkoolstof en methylchloroform.

Het belangrijkste mechanisme is dat deze stoffen, nadat ze de stratosfeer hebben bereikt, fotolyse ondergaan onder invloed van UV-straling, waarbij chloor- of broomatomen vrijkomen. Vervolgens nemen ze deel aan cyclische reacties met ozon:

• Het chlooratoom reageert met een ozonmolecuul, waarbij chloormonoxide (ClO) en moleculaire zuurstof ontstaan.
• Chloormonoxide reageert met een zuurstofatoom, waardoor er weer chloor vrijkomt en de cyclus rond is.

Gebromeerde verbindingen, zoals halonen en methylbromide, volgen vergelijkbare processen en zijn zelfs nog effectiever in het vernietigen van ozon. Eén enkel broomatoom kan tot 45 keer effectiever zijn dan één chlooratoom.

In de poolgebieden worden de reacties in de winter en de lente heviger, vanwege de aanwezigheid van polaire stratosferische wolken. Deze wolken vormen een oppervlak waarlangs normaal gesproken inactieve verbindingen kunnen transformeren tot zeer actieve soorten die ozon kunnen vernietigen wanneer de zonnestraling aan het einde van de winter terugkeert.

Het fenomeen van het ozongat

Met het ‘ozongat’ wordt een gebied bedoeld – voornamelijk boven Antarctica – waar het totale ozongehalte tijdens de zuidelijke lente (australe periode van augustus tot november) onder de 220 DU daalt.

Dit fenomeen werd voor het eerst waargenomen in de jaren zeventig en tachtig door middel van veld- en satellietwaarnemingen. Het uiterlijk en de evolutie ervan hangen samen met:

• Atmosferische isolatie van de polaire vortex: Tijdens de winter op het zuidelijk halfrond scheidt een straalstroom de lucht in Antarctica van de rest van de planeet, waardoor lage temperaturen kunnen ontstaan ​​en polaire stratosferische wolken kunnen ontstaan.
• De aanwezigheid van gehalogeneerde verbindingen: Deze transformeren op het oppervlak van poolwolken in zeer reactieve vormen, die zodra het zonlicht verschijnt, grootschalige vernietiging in gang zetten.

Het oppervlak van het ozongat bedroeg in sommige jaren meer dan 25-29 miljoen vierkante kilometer, meer dan twee keer de oppervlakte van het Antarctische continent. Hoewel dit fenomeen het hevigst is boven Antarctica, zijn er ook minder heftige episodes waargenomen in het Noordpoolgebied.

De gevolgen van dit fenomeen zijn vooral zorgwekkend in zuidelijke regio's als Argentinië en Chili. De toegenomen ultraviolette straling heeft daar geleid tot gezondheidswaarschuwingen, schade aan oogsten en schade aan wilde dieren.

Historische evolutie, toezicht en herstel

Sinds de eerste tekenen van versnelde vernietiging in de jaren zeventig hebben de internationale wetenschappelijke gemeenschap, overheidsinstanties en multilaterale organisaties hun toezicht op en onderzoek naar de toestand van de ozonlaag geïntensiveerd.

Monitoring vindt plaats via:

• Netwerken van spectrofotometers en ozonsondes: Ze zijn verspreid over de hele wereld, verzamelen gegevens in realtime en maken deel uit van internationale consortia zoals het World Ozone and UV Data Centre (WOUDC).
• Weersatellieten: Ze maken wereldwijde en gedetailleerde monitoring van de laag mogelijk, waarbij trends, seizoensgebonden afwijkingen en de evolutie van ozongaten kunnen worden geïdentificeerd.
• Regionale onderzoekscentra: Zoals het Izaña-observatorium (Spanje), dat kalibratiecampagnes en geavanceerde technologie op het gebied van ozonmetingen leidt.

Spanje onderscheidt zich binnen Europa door zijn netwerk van instrumenten en initiatieven, zoals het mede-leiden van het EUBREWNET-netwerk, dat zich toelegt op het verstrekken van consistente, hoogwaardige gegevens over ozon en UV-straling. Daarnaast beschikt het over ruim vijfentwintig meetstations en een voorspellingssysteem voor de ultravioletindex voor alle gemeenten in het land.