Ozonlaget. Variasjon i løpet av året av ozon ved forskjellige breddegrader. Kurvene er trukket gjennom punkter med samme ozonmengde. Tallene angir tykkelsen av ozonlaget i dobsonenheter. Vi ser at Oslo, som ligger i nærheten av 60° n.br., har et langt tykkere ozonlag enn Kanariøyene, som ligger nær 30° n.br.

KF-bok. Begrenset gjenbruk

Figuren viser hvordan fordelingen av ozon på den nordlige halvkule kan forandres betydelig i løpet av noen dager. Kartet fra 3. mars 1996 (øverst) viser et «mini-ozonhull» vest for Norge og et «ozonfjell» over nordlige Canada. Ti dager senere er det et «ozonfjell» over sørøstlige Norge, mens nordlige Sibir nå har det tykkeste ozonlaget i Arktis (nederst). Kartene er produsert på grunnlag av målinger fra satellitter og bakkestasjoner. Norske målestasjoner er dataleverandører.

Anon. Begrenset gjenbruk

Fordeling av ozon over Antarktis 5. oktober 1996, målt med Total Ozone Mapping Spectrometer i satellitten Earth Probe. Målingene viser et ozonhull som dekker hele det antarktiske kontinent. I store områder er tykkelsen av ozonlaget under 150 dobsonenheter (markert med lyserødt og grått).

Anon. Begrenset gjenbruk

Ozonlaget er et gasslag av ozon som befinner seg i atmosfæren mellom ca. 10 og 50 kilometer (km) og som beskytter livet på Jorden mot ultrafiolett stråling (UV-stråling) fra Sola.

Det aller meste av ozonet befinner seg mellom 25 og 30 km over bakken (i stratosfæren), og økningen i temperatur som observeres i stratosfæren skyldes nettopp at ozonmolekylene absorberer energi i form av UV-stråling fra sola. 

Ozongassen er satt sammen av tre oksygenmolekyler med kjemisk formel O3. Uten ozonlaget ville vi mennesker blitt utsatt for skadelig og energirik UV-stråling fra Sola som kunne ført til en svekkelse av immunforsvaret vårt, hudkreft, elding av huden og skader på øynene med mer.  Selv om ozonlaget har avgjørende betydning for biologiske systemer på Jorden, finnes den kun i beskjedne mengder: Hvis vi tenker oss at vi kunne ta alt ozonet i stratosfæren og presse det sammen slik at det fikk samme trykk og tetthet som luften har ved bakken, ville tykkelsen på dette ozonlaget kun bli 3–5 millimeter (mm). Til sammenligning ville resten av atmosfæren fått en tykkelse på 8 km.

Det foregår en kontinuerlig naturlig produksjon og nedbryting av ozon i atmosfæren, slik at tykkelsen på ozonlaget i utgangspunktet er i balanse. Men siden 1970-tallet har man blitt klar over at denne balansen er blitt forskjøvet mot et tynnere ozonlag, da vi mennesker har produsert en rekke stoffer gjennom industrien som viser seg å opptre ozonnedbrytende. Over polområdene har det endatil oppstått såkalte ozonhull – områder med en ekstra sterk fortynning av ozonlaget.

Takket være internasjonale miljøavtaler som eksempelvis Montreal-protokollen fra 1987, har verdenssamfunnet tatt viktige grep for å minske skadene gjennom å betydelig redusere utslipp av gasser som er skadelige for ozonlaget. Men det vil fremdeles gå mange tiår før vi kan håpe på at tykkelsen av ozonlaget er tilbake på ønsket 1980-nivå.

Ozonlaget er av avgjørende betydning for livet på Jorden, da ozonmolekylene gjennom absorpsjon hindrer deler av den mer energirike ultrafiolette strålingen (UV-strålingen) fra Sola i bølgelengdeområdet 200–320 nanometer (nm) å komme ned til jordoverflaten. 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. De mest energirike UV-strålene absorberes av vanlig oksygen ( i ca 100 km høyde.

Selv om UV-stråling har flere positive virkninger på biologiske systemer (dannelse av D-vitamin, stimulering av immunforsvaret og produksjon av enzymer med en profylaktisk virkning), dominerer de negative virkningene ved for store doser. Da kan UV-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.

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 Sola står lavt på himmelen, øker veilengden, det vil si 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 for eksempel omtrent dobbelt så stor som i Sør-Norge.

I tillegg til å absorbere UV-stråling, vil ozon også absorbere infrarød stråling i området omkring 9,6 mikrometer (μm). Dette innebærer at ozon kan klassifiseres som en drivhusgass, men sammenlignet med bidragene fra drivhusgasser som H2O og CO2, er bidraget fra ozon til drivhuseffekten ubetydelig.

Ozonlagets tykkelse er definert til å være den totale mengde ozon man finner i en vertikal luftsøyle fra bakken og opp til atmosfærens yttergrense. Den angis i Dobsonenheter, DU, som refererer til hvor mange millimeter (mm) ozon man har i luftsøylen når dette omgjøres til bakkenivåets trykk og tetthet. Et lag på 1 mm er definert til å være 100 DU tykt, og normalt vil ozonlagets tykkelse befinne seg mellom 300 og 500 DU. I løpet av ett år vil ozonlagets tykkelse variere regelmessig, med et maksimum om våren og et minimum om høsten. Men i tillegg til denne regelmessige variasjonen som observeres , vil det kunne oppstå veldig store uregelmessige variasjoner i ozonlagets tykkelse. I løpet av noen dager kan endringene være så store som 200 DU.

Til å måle ozonlagets tykkelse kan man enten bruke instrumenter som bringes opp i ozonlaget ved hjelp av ballonger, eller kan man utføre 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.

Produksjon av ozon i stratosfæren skjer ved en fotokjemisk prosess. Det vil si kjemiske reaksjoner som drives av solstråling. Prosessen har to trinn. I første trinn spaltes oksygenmolekyler, O2, til frie oksygenatomer, O. I andre trinn bindes et fritt oksygenatom til et oksygenmolekyl. Dermed blir det dannet ozon, O3.

Spaltingen av oksygenmolekyler krever energirik, kortbølget stråling. Bølgelengden til strålingen må være kortere enn 242,4 nm. Slik stråling kalles UVC-stråling. Det andre trinnet, reaksjonen mellom O og O2, krever at en annen gass i atmosfæren virker som katalysator.

Produksjonen av ozon er mest effektiv i en høyde på ca. 40 km og i områdene rundt ekvator, hvor kombinasjonen av strålingsintensiteten og O2-konsentrasjonen er høyest.

Selv om produksjonen av ozon er størst ved ekvator, er det polområdene som ender opp med det tykkeste ozonlaget. Dette kommer av hvordan luftmassene transporteres fra ekvator mot polene. På grunn av oppvarmingen i tropene vil luften stige, og deretter transporteres mot høyere bredder hvor den etter hvert synker.

Transporten fra ekvator mot polene varierer gjennom året og er mest effektiv om vinteren. Dette er den viktigste grunnen til den årlige variasjonen i ozonlaget, hvor man observerer et maksimum tidlig om våren.

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. De viktigste radikalene i ozonnedbrytingen er nitrogen-, hydrogen/oksygen-, https://snl.no/klor- og bromforbindelser.

Naturlige kilder for nitrogenoksider er blant annet  lystgass , N 2 O, som frigjøres ved mikrobiologiske prosesser og forbrenningsprosesserJorden . I stratosfæren vil N 2 O reagere med eksiterte oksygenatomer , slik at det blir dannet nitrogenoksid , NO, som er aktivt med i nedbryting av ozon ved prosessen NO + O 3 → NO 2 + O 2 . Gjennom nye reaksjoner av typen NO 2 + O → NO + O 2 , får man igjen dannet NO, som kan inngå i nye reaksjoner med O 3 . 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, for eksempel  metylklorid , CH 3 Cl, 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.  I tillegg til de naturlige kildene for radikaler, ble man på 1970-tallet klar over at vi mennesker kan påvirke ozonbalansen gjennom utslipp av en rekke ozonnedbrytende gasser. Dette handlet i stor grad om såkalte klorfluorkarboner , KFK eller freoner , og bromfluorkarboner, haloner . Disse stoffene skulle snart bli sett på som en alvorlig trussel mot miljøet på Jorden.

KFK-gasser har vært brukt som drivgass i spraybokser, i kjøleindustri, ved renseanlegg, i produksjon av isolasjonsmaterialer, i brannslokningsapparater med mer. Dette er gasser som ikke finnes naturlig i naturen. På bakkenivå er de lite reaktive, med en levetid på 50–150 år. Men i stratosfæren vil de bli spaltet av UV-stråling, slik at det dannes klorradikaler som kan forsterke nedbrytingen av ozonlaget.

På slutten av 1970-tallet ble verdenssamfunnet stadig mer opptatt av problematikken med et stadig tynnere ozonlag.  Da det ble klart at utslipp av for eksempel KFK-gasser kan bryte ned ozonlaget, ble det i mange land satt i gang tiltak mot bruk av slike gasser, blant annet 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).

Ozonhull er et begrep som brukes om en sterk fortynning av ozonlaget. Fenomenet oppstår over polområdene, og ble først påvist over Antarktis i 1985. Det er høyst sannsynlig at ozonhull skyldes menneskers utslipp av klorfluorkarboner og bromfluorkarboner (som diskutert i avsnittet over om «Nedbryting»).

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. Ozonnedbrytingen er videre avhengig av sollys, slik at prosessen først starter når mørketiden er over. Dette forklarer at ozonhullet over Antarktis er et vårfenomen (årstidene over den sørlige halvkule er motsatt av de over den nordlige halvkule).

Forskningen omkring ozonhullet har vist at ozonhullet oppstår når det er lave temperaturer og skydannelse 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. 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 forholdene, 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.

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.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.