Aktuality SHMU
Celkový atmosférický ozón meriame na stanici Poprad-Gánovce už 30 rokov
Stručná história problematiky ozónovej vrstvy
Ozón je plyn, ktorý sa prirodzene vyskytuje v našej atmosfére. Jeho chemický vzorec je O3, čo znamená, že molekula ozónu obsahuje tri atómy kyslíka. Ozón bol objavený pri laboratórnych experimentoch. V roku 1785 holandský chemik Martinus van Marum vykonával experimenty, ktorých súčasťou bolo aj elektrické iskrenie nad vodou. Počas nich si všimol nezvyčajný zápach, ktorý pripisoval elektrickým reakciám, avšak neuvedomil si, že v skutočnosti vytvoril ozón. O pol storočia neskôr si Christian Friedrich Schönbein všimol rovnaký štipľavý zápach. Rozpoznal ho ako zápach, ktorý často nasleduje po údere blesku. V roku 1839 sa mu tak podarilo izolovať plynnú chemikáliu a pomenoval ju ozón, z gréckeho slova ozein (ὄζειν), čo znamená „páchnuť“. Z tohto dôvodu sa objav ozónu pripisuje bazilejskému profesorovi Schönbeinovi. V súčasnosti sa elektrické výboje používajú na výrobu ozónu pri rôznych priemyselných procesoch, ako je čistenie vzduchu a vody a tiež aj na bielenie textílií a potravinárskych výrobkov.
Väčšina ozónu (asi 90%) sa nachádza v stratosfére, ktorá v závislosti od zemepisnej šírky a meteorologických podmienok začína v nadmorskej výške cca 9 – 17 km a siaha do nadmorskej výšky približne 50 km. Stratosférická oblasť s najvyššou koncentráciou ozónu, ktorá sa nachádza vo výške približne medzi 15 až 35 km, je všeobecne známa ako ozónová vrstva. Stratosférická ozónová vrstva sa rozprestiera nad celou Zemou, avšak s určitými rozdielmi v jej nadmorskej výške a hrúbke. Väčšina zostávajúceho ozónu (asi 10%) sa nachádza v troposfére, čo je najnižšia oblasť atmosféry, nachádzajúca sa medzi zemským povrchom a stratosféru. Troposférický vzduch dýchame, sme s ním v priamom kontakte a preto nadbytok ozónu v troposfére má potenciálne škodlivé následky pre naše zdravie. Z tohto dôvodu sa niekedy troposférický ozón zvykne označovať ako „zlý ozón“ a naopak „dobrý ozón“ je ten, ktorý tvorí ozónovú vrstvu a nachádza sa v stratosfére.
Ozónovú vrstvu objavili v roku 1913 francúzski fyzici Charles Fabry a Henri Buisson. Uskutočnené merania ukázali, že žiarenie vysielané z povrchu Slnka je na povrchu Zeme zvyčajne v súlade so spektrom čierneho telesa s teplotou v rozmedzí 5 230 – 5 730 °C, avšak na ultrafialovom konci elektromagnetického spektra nebolo detegované žiadne žiarenie pod vlnovou dĺžkou cca 310 nm. Usúdilo sa, že chýbajúce žiarenie bolo absorbované niečím, čo sa nachádza v atmosfére. Nakoniec sa spektrum chýbajúceho žiarenia zhodovalo len s jednou známou chemickou látkou, ktorou bol ozón. Dôležité je poznamenať, že aj keď absorpcia UV slnečného žiarenia ozónom nastáva vďaka ozónovej vrstve prevažne v stratosfére, tak určitá, avšak výrazne menšia časť UV žiarenia je pohlcovaná aj ozónom, ktorý sa nachádza v troposfére, prípadne nad stratosférou. Z tohto dôvodu je preto zaužívané hovoriť o celkovom atmosférickom ozóne.
Prvý prístroj na rutinné monitorovanie celkového ozónu vyvinul profesor Gordon M. B. Dobson v Spojenom kráľovstve v dvadsiatych rokoch 20. storočia. Prístroj, nazývaný Feryho spektrograf, vykonal svoje merania skúmaním spektra vlnových dĺžok slnečného ultrafialového žiarenia pomocou fotografickej platne. Malá sieť prístrojov rozmiestnených po Európe umožnila Dobsonovi urobiť dôležité objavy o tom, ako sa celkový ozón mení v závislosti od miesta a času. Najdlhší súvislý časový rad celkového ozónu na svete (obr. 1) sa začal v roku 1926 v Lichtklimatisches Observatorium (LKO) v Arose, vo švajčiarskych Alpách (od roku 2021 sú merania relokované do 12 km vzdialeného Davosu). V tridsiatych rokoch minulého storočia vyvinul Dobson nový prístroj, nazývaný Dobsonov spektrofotometer. Tento prístroj presne meria intenzitu slnečného žiarenia na dvoch vlnových dĺžkach v UV oblasti. Na jednej z nich je UV žiarenie silne absorbované ozónom a na druhej je absorpcia naopak slabá. Rozdielu v intenzite žiarenia na daných dvoch vlnových dĺžkach zodpovedá množstvo celkového množstva ozónu nad miestom merania.
Obr. 1: Homogenizovaný rad celkového atmosférického ozónu nameraný v Arose (Švajčiarsko), v období 1926 až 2019 [zdroj: Rozanov et al., 2021].
V roku 1957 bola ako súčasť medzinárodného geofyzikálneho roka založená globálna sieť staníc na pozorovanie celkového ozónu. Účasť observatória Hradec Králové na tomto medzinárodnom vedeckom projekte iniciovala realizáciu programu monitorovania celkového atmosférického ozónu. V roku 1961 sa tak vďaka tomu mohlo začať s prvými meraniami Dobsonovým ozónovým spektrofotometrom v rámci bývalého Československa. Solární a ozonová observatoř Hradec Králové vykonáva merania celkového ozónu aj v súčasnosti. Dlhodobý priemer celkového ozónu z tejto stanice z obdobia 1962 – 1990 sa ako normál používa aj na porovnávanie meraní realizovaných na slovenskej stanici Poprad-Gánovce, ktorá začala s meraniami celkového ozónu o viac ako 30 rokov neskôr.
Na najdlhšom časovom rade meraní celkového ozónu na svete (obr. 1) môžeme vidieť, že v priebehu 70-desiatých rokov minulého storočia začínajú hodnoty postupne klesať. Príčina spočíva v tom, že vplyvom niektorých priemyselných procesov a spotrebných produktov sa postupne začali do ovzdušia emitovať plyny poškodzujúce ozónovú vrstvu atmosféry. Na obr. 2 si môžeme všimnúť, že emisia niektorých takýchto plynov sa už vyskytovala aj na začiatku 60-tych rokov minulého storočia, avšak ich naakumulované množstvo v atmosfére vtedy ešte nebolo natoľko veľké, aby to výraznejšie ovplyvnilo stav ozónovej vrstvy Zeme. Je pozoruhodné, že prvé pozorovanie chlórfluórovaných uhľovodíkov (CFC) sa na povrchu uskutočnilo až v roku 1973. V nasledujúcom roku 1974 už vedci prišli z hypotézou, že látky CFC môžu spôsobovať poškodzovanie ozónovej vrstvy.
Odborná verejnosť si postupne začala uvedomovať možné následky ľudskej činnosti na ozónovú vrstvu a v súvislosti s tým sa v roku 1977 v rámci Programu OSN pre životné prostredie inicioval Svetový akčný plán pre ozónovú vrstvu. Nasledujúci rok 1978 priniesol začiatok kontinuálneho globálneho monitorovania celkového ozónu pomocou družicových meraní. O štyri roky neskôr, teda v roku 1982, bol do globálnej pozemnej siete zavedený Brewerov ozonový spektrofotometer, prístroj ktorý meria celkový ozón aj na stanici Poprad-Gánovce. Zatiaľ čo pôvodný Dobsonov prístroj meria atmosférický ozón na základe pozorovania UV žiarenia len na dvoch vlnových dĺžkach, moderné Dobsonove prístroje ako aj Brewerove prístroje využívajú pozorovania z viacerých vlnových dĺžok.
Obr. 2: Celková emisia halogénových plynov (antropogénna + prírodná) vyjadrená ako ekvivalent CFC-11 (vážená podľa potenciálu poškodzovania ozónovej vrstvy jednotlivých plynov) [zdroj: Salawitch et al., 2023].
Dôležitý míľnik v súvislosti so zhoršujúcim sa stavom ozónovej vrstvy prišiel v roku 1985, keď traja vedci z British Antarctic Survey opublikovali výsledky svojich meraní v prestížnom vedeckom časopise Nature. Tento rok sa vďaka tomu široká verejnosť prvýkrát dozvedela o ozónovej diere nad Antarktídou. Termín „ozónová diera“ vznikol ako opis veľmi nízkych hodnôt celkového ozónu, ktoré sú zjavné na satelitných snímkach. Tu je dôležité podotknúť, že nejde o oblasť s nulovým ozónom, ale podľa definície ide o plochu, vnútri ktorej je celkové množstvo ozónu rovné alebo menšie ako 220 DU (Dobsonových jednotiek, 100DU = 1 mm čistého ozónu pri štandardných podmienkach tlaku a teploty). Primárna príčina, prečo má práve Antarktída najväčšie problémy s ozónom spočíva v tom, že sa vzduch v miestach kde sa nachádza ozónová vrstva (stratosféra) počas polárnej noci výrazne vychladí. Z dôvodu odlišných cirkulačných pomerov teplota vzduchu nad Antarktídou klesá v priemere výrazne viac ako nad Arktídou. Pričom kritický je hlavne pokles teploty pod – 78 °C, čo je približná hranica pre tvorbu polárnej stratosférickej oblačnosti, vďaka ktorej za súčinnosti slnečného žiarenia dochádza k výraznému prechodu ozón poškodzujúcich plynov na ich reaktívnu formu a následnej výraznej deštrukcii ozónu.
Vedci vyvíjali značné úsilie pri informovaní o vážnosti danej situácie a našťastie hneď v roku 1985 prišla aj politická odpoveď v podobe prijatia Viedenského dohovoru o ochrane ozónovej vrstvy. O dva roky neskôr, presne 16. septembra 1987 bol podpísaný Montrealský protokol o látkach poškodzujúcich ozónovú vrstvu, ktorý je vykonávacím protokolom Viedenskej konvencie a obsahuje praktické regulačné opatrenia, týkajúce sa výroby a zaobchádzania s látkami poškodzujúcimi ozónovú vrstvu Zeme. Emisia týchto látok dosiahla svoj vrchol v rovnakom roku ako bol podpísaný Montrealský protokol, čo ilustruje aj obr. 2. Tento protokol si v budúcnosti vyžiadal ešte niekoľko dodatkov, menovite: Londýn – 1990, Kodaň – 1992, Viedeň – 1995, Montreal – 1997, Peking – 1999, a posledný Kigali – 2016, ktorý rozšíril Montrealský protokol o kontrolu výroby a spotreby fluórovaných uhľovodíkov (HFC) s vysokým potenciálom globálneho otepľovania. HFC sú skleníkové plyny (náhrada už skôr zakázaných CFC), ktoré otepľujú klímu avšak nespôsobujú poškodzovanie ozónovej vrstvy.
Po erupcii filipínskej sopky Mount Pinatubo v júni 1991 dosiahol celkový globálny ozón na začiatku 90. rokov minulého storočia svoju minimálnu hodnotu, ktorá bola o 5 % nižšia ako priemer v rokoch 1964 - 1980. Globálny ozón sa od polovice 90. rokov postupne zvyšoval, a to na jednej strane v dôsledku obnovy ozónovej vrstvy po spomínanej veľkej vulkanickej erupcii a na druhej strane vďaka stálemu poklesu stratosférických halogénov vďaka uplatňovaniu Montrealského protokolu. Úsilie, ktoré bolo v súvislosti so záchranou ozónovej vrstvy Zeme na globálnej úrovni vyvinuté môže byť pozitívnym príkladom aj pre ďalší environmentálny problém, ktorým je klimatická zmena. Trojica vedcov, menovite Cruzten, Molina a Rowland, ktorí v roku 1974 identifikovali hrozbu, akú CFC predstavujú pre globálnu ozónovú vrstvu, získali za svoj výskum v roku 1995 Nobelovú cenu za chémiu.
Merania celkového atmosférického ozónu na stanici Poprad-Gánovce
V roku 1992 začalo pracovisko Poprad-Gánovce vyvíjať prvé snahy o začatie meraní celkového atmosférického ozónu nad územím Slovenska. Podporu vedenia SHMÚ získalo až po opätovnom nastúpení Dr. Woleka do funkcie námestníka pre meteorológiu. Taktiež aj rozdelenie Československa zohralo svoju úlohu. Stanica v Poprade-Gánovciach mala okrem svojej východnejšej polohy aj ďalšiu výhodu, ktorá spočívala v pravidelných aerologických meraniach pomocou rádiosondy letiacej až do stratosféry, teda aj do tej časti atmosféry, kde sa nachádza ozónová vrstva. Vďaka vytrvalému úsiliu zainteresovaných osôb sa nakoniec podarilo zaobstarať Brewerov ozonový spektrofotometer typu MKIV (obr. 3) a dňa 18. augusta 1993 sa tak mohlo na stanici Poprad-Gánovce uskutočniť prvé meranie celkového ozónu nad územím Slovenskej republiky.
Obr. 3: Brewerov ozónový spektrofotomter MKIV na streche budovy SHMÚ na stanici Poprad-Gánovce [zdroj: SHMÚ].
Prístroj Brewerov ozonový spektrofotometer sa okrem určovania celkového ozónu používa taktiež aj na merania spektrálneho globálneho UV žiarenia a jeho výstupy sa tiež využívajú na určovanie optickej hrúbky aerosólov. Výsledky sa odosielajú do Svetového centra dát meraní celkového ozónu a UV žiarenia v kanadskom Toronte, do ozónových mapových centier v Grécku a v Kanade a v súčasnosti aj do európskej databázy EUBREWNET a európskej databázy UV meraní. Pre našich obyvateľov sú informácie o stave ozónovej vrstvy a o hodnotách UV indexu poskytované prostredníctvom internetovej stránky SHMÚ (https://www.shmu.sk/sk/?page=1&id=meteo_ozon). Presnosť prístroja je pod drobnohľadom vďaka kalibrácii, ktorá sa podľa odporúčania WMO vykonáva najmenej raz za dva roky. Súčasťou medzinárodnej kalibračnej kampane sú okrem referenčného prístroja už tradičnej aj prístroje z Maďarska a Poľska (obr. 4). V roku 2014 sa vďaka eurofondovej finančnej podpore podarilo zaobstarať nový Brewerov ozónový spektrofotometer typu MKIII. Vďaka dobrej údržbe a starostlivosti je po tridsiatich rokoch stále v prevádzke aj starý prístroj typu MKIV (obr. 5).
Obr. 4: Medzinárodná kalibrácia Brewerových ozónových spektrofotomtrov v Poprade-Gánovciach v máji roku 1999 [zdroj: SHMÚ].
Obr. 5: Novší Brewerov ozónový spektrofotomter MKIII (vľavo) a starší MKIV (vpravo) [zdroj: SHMÚ].
Na obr. 6 sú znázornené ročné priemery celkového atmosférického ozónu pre stanicu Poprad-Gánovce v období 1994 – 2022 a ich porovnanie s normálom 1962 – 1990 zo stanice Hradec Králové. Už na prvý pohľad je evidentná relatívne výrazná medziročná variabilita bez štatisticky významného trendu. Podstatné je najmä to, že takmer všetky priemerné ročné hodnoty sú pod normálom a teda ozónová vrstva nad Slovenskom býva dosť často tenšia ako tomu bývavalo v minulosti. Celkový ozón vykazuje v rámci roka výrazný chod, čo dobre ilustruje obr. 7. Najvyšší mesačný priemer dosahuje marec s hodnotou 368 DU a naopak najnižší október s hodnotou 284 DU. V prípade absolútnych rekordov denných priemerov dosiahol celkový ozón v období od 18. 8. 1993 do 18. 8. 2023 historicky najnižšiu úroveň dňa 1. 1. 1998 s hodnotou len 203 DU, takže v tomto prípade už išlo o tzv. ozónovú mini dieru. Najvyššia hodnota bola dosiahnutá 24. 2. 1999 a to až 509 DU.
Obr. 6: Ročné priemery celkového atmosférického ozónu pre stanicu Poprad-Gánovce v období 1994 – 2022 a ich porovnanie s normálom 1962 – 1990 zo stanice Hradec Králové [zdroj: SHMÚ].
Obr. 7: Dlhodobé mesačné priemery celkového atmosférického ozónu pre stanicu Poprad-Gánovce v období 1994 – 2022 [zdroj: SHMÚ].
Graf znázornený na obr. 8 názorne porovnáva priemerné mesačné relatívne odchýlky celkového ozónu od normálu pre dve desaťročné obdobia. Prvé sa nachádza na začiatku a to druhé na konci časového radu meraní. Môžeme si všimnúť, že situácia s nedostatkom celkového ozónu bola v oboch sledovaných desaťročiach najvýraznejšia v mesiacoch od marca do augusta. Úplne najhoršie bol na tom mesiac jún v posledných desiatich rokoch, kedy odchýlka dosiahla v priemere až -6,5 %. Pre podmienky jasnej oblohy platí, že pri poklese celkového ozónu o 1 %, erytemálne UV žiarenie na povrchu stúpne o cca 1,1 %, čo pre spomínaný mesiac jún znamená zvýšenie o cca 7 %. Je pozoruhodné, že situácia s celkovým ozónom sa zhoršila vo všetkých troch letných mesiacoch, kedy je hlavné dovolenkové obdobie, počas ktorého sa ľudia častejšie vystavujú slnečnému žiareniu. V rámci mesiacov roka bol v prípade januára zaznamenaný aj nezanedbateľný nárast celkového ozónu, pri ktorom sa hodnoty vzhľadom na normál zvýšili z -2,5 % na 1,5 %.
Obr. 8: Priemerné mesačné relatívne odchýlky celkového ozónu od normálu 1962 – 1990 zo stanice Hradec Králové. Svetlomodrá farba reprezentuje 1. desať rokov a svetlozelená farba reprezentuje posledných desať rokov meraní na stanici Poprad-Gánovce [zdroj: SHMÚ].
Ďalšie zaujímavé informácie o problematike ozónovej vrstvy Zeme môžete nájsť v tomto dokumente:
Literatúra:
Pribiš J., Chmelík M.: História Aerologickej stanice Poprad 1951 - 2015, druhé rozšírené vydanie, december 2017.
Rozanov E., Egorova T., Egli L., Karagodin-Doyennel A., Sukhodolov T., Schill H., Stübi R. and Gröbner J.: Representativeness of the Arosa/Davos Measurements for the Analysis of the Global Total Column Ozone Behavior, Front. Earth Sci., 9:675084, doi: 10.3389/feart.2021.675084, 2021.
Salawitch R. J., McBride L. A., Thompson C. R., Fleming E. L., McKenzie R. L., Rosenlof K. H., Doherty S. J., Fahey D. W.: Twenty Questions and Answers About the Ozone Layer: 2022 Update, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2022, 75 pp., World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland, 2023.
https://en.wikipedia.org/wiki/Ozone
https://en.wikipedia.org/wiki/Ozone_layer
https://beta.woudc.org/archive/Metadata/Agencies/CHMI-HK/reevald074_b098_obs.pdf
https://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_report.cfm?dirEntryId=337368&Lab=NERL
https://amt.copernicus.org/articles/14/3319/2021/
https://www.shmu.sk/sk/?page=2049&id=862
https://www.shmu.sk/sk/?page=2049&id=749