ozonlaget

det høydeområde i atmosfæren hvor man finner en betydelig konsentrasjon av ozon, og hvor denne gassen spiller en vesentlig rolle i strålingsbalansen. Ozonlaget ligger i ca. 10–50 kilometers høyde og samsvarer stort sett med stratosfæren (se atmosfære). I dette området finner vi mer enn 90 % av atmosfærens totale ozonmengde. Maksimal ozontetthet er i høydeområdet 15–25 km. Ozon er en såkalt sporgass, dvs. at den totalt sett finnes i meget små mengder. Dersom atmosfæren ble presset sammen slik at den overalt fikk samme trykk og densitet som ved bakken, ville den ha en tykkelse på ca. 8 km. Av disse 8 km ville ozongassen bare fylle 3–5 mm. Til tross for den beskjedne andel ozon i atmosfæren, har denne gassen likevel en avgjørende innvirkning på livet på Jorden.

Betydning

Ozon absorberer ultrafiolett stråling, spesielt stråling med bølgelengder som er kortere enn 320 nm (UVB- og UVC–stråling). UVA-stråling i bølgelengedområdet 320–400 nm absorberes lite. Ozon absorberer dessuten infrarød stråling i området omkring 9,6 μm. Dette betyr at ozon også er en drivhusgass (klimagass), dvs. at den påvirker Jordens strålingsbalanse (se drivhuseffekt). Den strålingsenergien som absorberes i ozonlaget omdannes hovedsakelig til varme, og det er dette som er årsaken til at temperaturen øker og når et maksimum i stratosfæren, før den igjen synker med høyden i mesosfæren.

Ultrafiolett stråling har betydning for biologiske systemer. Av positive virkninger kan nevnes dannelse av D-vitamin, stimulering av immunforsvaret og produksjon av enzymer med en profylaktisk virkning. I for store doser vil imidlertid strålingen føre til svekkelse av immunforsvaret, hudkreft, elding av huden og skader på øynene m.m. Økt UV-stråling kan dessuten forandre arvestoffet DNA, og den kan påvirke veksten av planter, plankton og alger. Se ultrafiolett stråling. Virkningen av UV-stråling er avhengig av spektralfordelingen i strålingen. UV-dosen som mottas gjennom solstrålingen er avhengig både av ozonlagets tykkelse og av veilengden som strålingen har tilbakelagt gjennom atmosfæren. Når Solen står lavt på himmelen, øker veilengden, dvs. at den effektive tykkelsen av ozonlaget øker. For årlig mottatt UV-dose vil derfor strålingen om sommeren gi det største bidraget. UV-strålingen ved lave breddegrader vil også være større enn nærmere polene. Årlig effektiv UV-dose ved Middelhavet er f.eks. omtrent dobbelt så stor som i Sør-Norge.

Ozonlagets tykkelse

Tykkelsen på ozonlaget defineres som den totale mengde ozon man finner i en vertikal luftsøyle fra bakken og opp til atmosfærens yttergrense. Den angis i dobsonenheter, DU, som refererer seg til hvor mange millimeter ozon man har i luftsøylen når dette omgjøres til bakkenivåets trykk og densitet. Et lag på 1 mm er 100 DU tykt, hvilket vil si at tykkelsen på ozonlaget normalt er 300–500 DU. Man finner en regulær variasjon i tykkelsen med årstiden, med et maksimum om våren og et minimum om høsten. Det er imidlertid meget store uregelmessige korttidsvariasjoner i lagets tykkelse. I løpet av noen dager kan endringene være opp til 200 DU.

Prosesser og påvirkninger

Produksjon og tap

Produksjonen av ozon i stratosfæren foregår i en fotokjemisk totrinnsprosess. I første trinn spaltes molekylært oksygen, O₂, ved hjelp av lys, til atomært oksygen, O. I denne prosessen kreves det at lyskvantene har energi over 5,115 eV, dvs. at bølgelengden må være kortere enn 242,4 nm (stråling i UVC-området). Ved hjelp av en annen atmosfæregass, som virker som katalysator, vil oksygenatomene i neste omgang kunne bindes til molekylært oksygen; det blir dannet O₃.

Ozonproduksjonen er mest effektiv i høyder rundt 40 km og i områdene rundt ekvator, hvor kombinasjonen av strålingsintensiteten og O₂-konsentrasjonen er høyest. I det generelle sirkulasjonsmønsteret i stratosfæren vil luften i tropeområdene stige opp pga. oppvarmingen, for så å transporteres mot høyere bredder, hvor den igjen synker ned. Luften som kommer opp fra lavere deler av atmosfæren i tropene, er ozonfattig. Dermed blir ozonkonsentrasjonen lavere ved ekvator, til tross for at det er her man finner den største produksjonen.

I polområdene vil ozonrik luft fra tropene synke ned i stratosfæren, hvor den blir komprimert pga. høyere trykk. Dermed får vi en høyere ozonkonsentrasjon og et tykkere ozonlag. På den nordlige halvkule finner vi mest ozon ved ca. 70 ° n.br. (tilsvarende Troms og Finnmark), på den sørlige halvkule ved ca. 50 ° s.br. (se figur).

Transporten fra ekvator mot polene varierer gjennom året og er mest effektiv om vinteren. Dette er den vesentligste grunn til den årlige variasjonen i ozonlaget, hvor man har et maksimum tidlig om våren. På den sørlige halvkule kommer dette maksimum litt senere på våren enn på den nordlige.

Kjemiske reaksjoner

Ozon går naturlig tapt i kjemiske reaksjoner. Frem til 1960-årene trodde man at en spalting av O₃ til O og O₂ ved hjelp av sollys, var tilstrekkelig til å holde likevekt med produksjonen. Det er imidlertid klart at denne prosessen er alt for langsom til å bryte ned ozon i takt med produksjonen. Det som bidrar mest effektivt til nedbryting av ozon , er katalytiske reaksjoner ved frie radikaler, som er svært reaktive.

Frie radikaler deltar aktivt i nedbrytingsprosessen, men man finner dem også igjen som frie komponenter i sluttproduktene, dvs. de forbrukes ikke i prosessen. De vil holde seg lenge i stratosfæren, og det kreves liten tilførsel av dem for at nedbrytingsprosessen kan fortsette. Pga. forandring i temperaturkurven i overgangen fra troposfæren til stratosfæren, fra synkende til stigende temperatur (temperaturinversjon), vil transport av gass fra troposfæren til stratosfæren være svært langsom. Det betyr at stoffer som brytes raskt ned i troposfæren, bare i liten grad kommer opp i stratosfæren. De viktigste radikalene i ozonnedbrytingen er nitrogen-, hydrogen/oksygen-, klor- og bromforbindelser.

Naturlige kilder for nitrogenoksider er bl.a. lystgass, N₂O, som frigjøres ved mikrobiologiske prosesser og forbrenningsprosesser på Jorden. I stratosfæren vil N₂O reagere med eksiterte oksygenatomer, slik at det blir dannet nitrogenoksid, NO, som er aktivt med i nedbryting av ozon ved prosessen NO + O₃ → NO₂ + O₂. Gjennom nye reaksjoner av typen NO₂ + O → NO + O₂, får man igjen dannet NO, som kan inngå i nye reaksjoner med O₃. Den første debatten tidlig i 1970-årene om menneskepåvirket ødeleggelse av ozonlaget, hadde sitt utspring i nitrogenoksidenes evne til å bryte ned ozon. Den gang ble det hevdet at overlydsfly ville slippe ut tilstrekkelige mengder NO inne i selve ozonlaget (ca. 20 km høyde) til at dette ville bli kraftig redusert.

OH-radikaler har sin kilde i vanndamp og i forskjellige fotokjemiske reaksjoner, bl.a. ved oksidasjon av metan, CH₄. OH-radikalet kan også ha en positiv effekt, idet det reagerer med NO₂ slik at det dannes salpetersyre, HNO₃, som vaskes ut. Dermed brytes OH-syklusen i ozonnedbrytingen.

Halogenradikaler som atomært klor, Cl, og brom, Br, er svært reaktive og bidrar til nedbryting av ozon i reaksjoner av samme type som i NO-syklusen. Disse radikalene kan stamme fra naturlige kilder, f.eks. metylklorid, CH₃Cl, som dannes i havet og frigjøres til atmosfæren. I stratosfæren vil dette bli spaltet av kortbølget UV-stråling slik at det blir dannet klor. Sporadisk kan store klormengder bli tilført stratosfæren under vulkanutbrudd.

Radikalene vil også kunne reagere med andre gasser enn ozon og gå over i andre forbindelser som er stabile og inaktive i forhold til ozon. Slike forbindelser kalles reservoarkomponenter, fordi de ikke lenger er aktive i ødeleggelsen av ozon. De kan imidlertid senere brytes ned igjen slik at de aktive komponentene blir frigjort. Vanligvis vil nær 99 % av klorinnholdet i stratosfæren være i form av reservoarkomponenter.

«Ozonhull»

Menneskepåvirket nedbryting av ozon

Et fenomen som ofte omtales som ozonhullet, er en sterk fortynning av ozonlaget over polområdene. Det ble først påvist over Antarktis, i målinger fra den engelske stasjon Halley Bay, og rapportert av J. C. Farman og medarbeidere i 1985. Disse resultatene ble senere bekreftet av satellittobservasjoner, som også viste at reduksjonen i ozontettheten dekket hele det antarktiske kontinent (se figur). Ozonhullet over Antarktis oppstår i månedene september, oktober og november, og det har utviklet seg gradvis fra begynnelsen av 1970-årene. Det er spesielt i høydeområdet 15–25 km at ozonlaget tynnes ut, og i dette høydeområdet kan det til tider forsvinne nesten fullstendig, slik at tykkelsen av ozonlaget kan bli redusert til under 50 % av forventet verdi.

Oppdagelsen av det antarktiske ozonhullet førte til en betydelig forskningsaktivitet. Man fant at ozonhullet med stor sannsynlighet skyldes menneskers utslipp av klorholdige gasser, spesielt de såkalte klorfluorkarboner, KFK eller freoner, og bromfluorkarboner, haloner. KFK-gasser har vært brukt som drivgass i spraybokser, i kjøleindustri, ved renseanlegg, i produksjon av isolasjonsmaterialer, i brannslokningsapparater m.m. Dette er gasser som ikke finnes i naturen. De ble utviklet fordi de i bakkenivå er miljøvennlige. De er lite reaktive og de er uskadelige; de brytes ikke ned til andre produkter. Levetiden kan være 50–150 år. Men dermed vil de forbli lenge i atmosfæren, og de lever lenge nok til at de blir transportert opp i stratosfæren. Her kan de bli spaltet av UV-stråling, og det dannes klorradikaler og reservoarkomponenter.

Forskningen omkring ozonhullet har imidlertid vist at de store ozonreduksjonene ikke kan forklares ved hjelp av vanlige reaksjoner mellom gasser. Man har funnet at ozonhullet oppstår når det er lave temperaturer og skydannelse i stratosfæren, forhold som opptrer i polarområdene i forbindelse med perlemorskyer (PSC, Polar Stratospheric Clouds). Det var derfor naturlig å forklare reduksjonen ved heterogene reaksjoner, dvs. reaksjoner mellom komponenter i gassfase og i fast eller flytende form på overflaten av svevende partikler i stratosfæren (aerosoler). Aerosolene kan for eksempel være ispartikler i de polare stratosfæriske skyer, eller små svovelsyredråper. I de heterogene reaksjonene omdannes de klorholdige reservoarkomponentene til aktive radikaler, Cl₂, HOCl og ClO, som gir en effektiv nedbrytning av ozon. Ozonnedbrytingen er imidlertid avhengig av sollys slik at prosessen først starter når mørketiden er over. Dette forklarer at ozonhullet er et vårfenomen.

Meteorologiske forhold

Meteorologiske forhold spiller en meget stor rolle for ozonbalansen i stratosfæren. Avkjølingen av luften over polarområdene om vinteren fører til at det dannes en polar virvel som strekker seg ned til ca. 60 ° nord og sør. Inne i polarvirvelen blir det kaldt nok til at det dannes perlemorskyer slik at man får de rette forhold for heterogene reaksjoner. Samtidig hindrer virvelen at luft fra lavere bredder transporteres inn i polarområdene. Inntrenging av ozonrik luft fra lavere bredder blir dermed sterkt redusert, og ozonhullet får mulighet til å utvikle seg uten at det fylles opp.

En forutsetning for å få en vedvarende fortynning av ozonlaget er at man har en stabil polarvirvel, og at denne ikke brytes opp før solstrålingen blir sterk nok til at den katalytiske nedbrytningen starter. Dette er tilfelle i Antarktis hvor de geografiske forhold med et stort kontinent omgitt av hav gir stabile forhold gjennom hele vinterperioden. Temperaturen er også lavere over Antarktis enn i Arktis, og perlemorskyer forekommer langt oftere. Alt dette gir grunnlag for vedvarende ozonfortynning. På den nordlige halvkule hvor polkalotten er et havområde omgitt delvis av land, delvis av hav, blir polarvirvelen mer uregelmessig og bølgeformet, og den har lettere for å bli brutt opp. Ozonhull forekommer imidlertid også i Arktis, men her er hullene gjerne mer lokaliserte, og de dekker mindre områder. De arktiske ozonhull har også kort varighet, idet de fylles opp ved inntrenging av ozonrik luft fra sør. Meteorologiske forhold og transport har stor betydning for de store korttidsvariasjonene i ozonlaget.

Langsiktig utvikling

Utenom de dramatiske reduksjonene av stratosfærisk ozon i polarområdene ser man også en mer langsiktig utvikling av tykkelsen av ozonlaget ved lavere bredder, fra ca 35° og opp mot polområdene. Denne forandring i ozonlaget er imidlertid langt vanskeligere å bestemme, fordi det er så store naturlige svingninger i ozonkonsentrasjonen. De aller fleste målinger viser en gradvis uttynning av ozonlaget med 3–5 % per tiår etter 1980. Det er imidlertid usikkert om dette alene skyldes menneskelig produsert forurensning av stratosfæren, eller om også variasjoner i meteorologiske forhold og naturlige utslipp, for eksempel fra vulkaner, er medvirkende. Analyser utført i 2009 av nyere måleserier viser at tendensen til uttynning fra 1980- og 1990-årene er stoppet opp, og at et trendskifte mot stabilisering inntrådte omkring 1997. Det er også tegn som tyder på at ozonlaget er i ferd med å bygges langsomt opp, men uten at denne trenden ennå kan sies å være statistisk signifikant.

Tiltak

Da det ble klart at utslipp av f.eks. KFK-gasser kan bryte ned ozonlaget, ble det i mange land satt i gang tiltak mot bruk av slike gasser, bl.a. forbud mot KFK som drivgass i spraybokser. I 1985 ble det inngått en internasjonal avtale, Wien-konvensjonen, om beskyttelse av ozonlaget. Mer spesifikke mål og begrensninger i utslippene kom inn i Montreal-protokollen av 1987. Denne avtalen er senere blitt reforhandlet flere ganger, noe som har ført til langt strengere krav til reduksjon av utslipp, og til totalt forbud mot enkelte KFK-typer. Utslippsreguleringen omfatter nå også de såkalte erstatningsstoffene. Dette er stoffer som i en overgangsperiode ble godkjent brukt i stedet for KFK-gassene. De kjennetegnes ved at de inneholder ett eller flere hydrogenatomer, og de betegnes derfor som HKFK. Hydrogenforbindelsen gjør at de brytes lettere ned enn KFK-gassene, og de vil derfor ikke bli transportert opp i stratosfæren i samme grad som KFK-gassene. På lengre sikt er imidlertid også disse stoffene uønsket, og det legges opp til en utfasing i bruk av HKFK-gasser innen år 2020.

Økningen av klor i troposfæren er blitt langt mindre enn tidligere. På grunn av den lange levetiden for KFK-gasser, vil imidlertid klorinnholdet i stratosfæren fortsette å øke enda noen år. Modellberegninger av utviklingen av ozonlaget viser at ozonlaget mellom 2025 og 2050 vil være tilbake på 1980-årsverdier. Det er imidlertid store usikkerheter i disse beregningene. Modellene tar for eksempel ikke hensyn til klimaendringer og endrede sirkulasjonsmønstre i atmosfæren. Bekymringen omkring reduksjonen av ozonlaget er først og fremst knyttet til økning av UV-strålingen. Det er imidlertid ikke åpenbart hvilke skadelige virkninger dette vil gi. Det avhenger av virkningsspektret for de forskjellige påvirkningene. Det er for eksempel undersøkelser som viser at UVA-stråling, som i liten grad absorberes av ozon, kan være sterkt medvirkende til utvikling av malignt melanom (ondartet føflekksvulst).

Måling

Ozon og tykkelsen av ozonlaget kan enten måles direkte ved hjelp av instrumenter som bringes opp i ozonlaget, f.eks. ved hjelp av ballonger, eller det kan bestemmes ved fjernmåling fra bakken og fra satellitter. Bakkemålinger baserer seg på å måle forskjellige spektrallinjer i lyset. Ved å sammenligne lysintensiteten i linjer som absorberes av ozon med linjer som ikke absorberes, kan man beregne det totale ozoninnholdet langs den veien som strålene har tilbakelagt (integrert ozonkonsentrasjon). Det eldste instrumentet som bygger på dette prinsippet, dobsonspektrometeret, ble konstruert av engelskmannen Gordon M. B. Dobson i 1924. Instrumenter av denne type er fremdeles i bruk. Nyere, mer automatiserte instrumenttyper med datastyring og bedre behandling av måledataene, er nå standardinstrumenter. Også disse instrumentene benytter prinsippet om sammenligning av spektrallinjer.

Både bakkemålinger og ozonsonder i ballonger gir punktmålinger av ozonlaget. Ballongmålingene gir i tillegg en høydeprofil under oppstigningen. Ved å bruke satellitter kan man få mer globale oversiktsbilder. Satellittene måler ozonmengden mellom bakken og satellitten, og baserer seg gjerne på å måle UV- eller infrarød stråling fra Jorden. Siste utvikling av satellittmålinger er et instrument som registrerer lys fra stjerner. Ozonmengde beregnes ved å sammenligne lyset som måles når satellitten «ser mot» stjernen utenfor atmosfæren med lysintensiteten som måles når lysgangen passerer gjennom atmosfæren.

Historie, forskning

Allerede i 1879 kom franskmannen M. A. Cornu med påstanden om at den dramatiske reduksjonen av UV i solstrålingen skyldtes absorpsjon fra «en gass» i atmosfæren. De franske forskerne Fabry og Buisson som studerte ozongassens absorpsjonsevne, konstaterte i 1912 at «det er ozon i atmosfæren», og de anslo at ozonmengden tilsvarte et lag med tykkelse ca. 5 mm, altså 500 DU. I Oxford startet F. A. Lindemann, senere viscount Cherwell, ozonmålinger i 1921. Han gav Dobson i oppgave å bearbeide observasjonsmaterialet og å forbedre måleapparaturen, noe som førte til utvikling av dobsonspektrometeret (1924), og de første regulære måleserier ble startet samme år. Den engelske geofysikeren Sydney Chapman fremsatte i 1930 en fotokjemisk teori for dannelse og nedbryting av ozon i atmosfæren, basert på en ren fotoindusert oksygenkjemi. I 1934 var Dobson i Tromsø for å studere atmosfærisk ozon ved høye breddegrader. Dette var starten på norske ozonmålinger. Målingene ble videreført ved Nordlysobservatoriet i Tromsø, og disse målingene representerer dermed noen av de lengste måleserier av denne type i verden. Senere ble det etablert norske målestasjoner for ozon på Svalbard og i Oslo.

De norske ozonmålingene har vært viktige i analyser av langtidsutviklingen av ozonlaget. I dag har ALOMAR-observatoriet på Andøya en omfattende instrumentering for måling av ozonkonsentrasjon og andre atmosfæreparametre.

De første ozonmålinger i Antarktis ble foretatt av briten S. Evans i forbindelse med Det internasjonale geofysiske år i 1957. De viste en helt annen årstidsvariasjon enn i nord, særlig i vårmånedene.

Rundt 1970 ble det en sterk økning i interessen for stratosfærisk ozon og ozonforskning. Amerikaneren P. Crutzen viste hvordan nitrogenoksider reagerer katalytisk med ozon og dermed øker nedbrytningen. Betydningen av KFK-gasser i ozonnedbrytningen ble påvist av M. Molina og S. Rowland i 1974. Crutzen, Molina og Rowland fikk Nobelprisen i kjemi i 1995 for sin forskning på stratosfærisk ozon. De første ozonmålinger fra satellitt ble foretatt i 1978, og i 1985 ble ozonhullet i Antarktis oppdaget. Teorien om betydningen av heterogen klorkjemi i nedbrytning av ozon ble fremsatt av S. Solomon i 1986.

Norske forskningsmiljøer har spilt en stor rolle i forskning omkring ozonlaget, både i målinger og eksperimentelle undersøkelser og i utvikling av modeller for simulering av kjemiske reaksjoner.