Camada de ozônio

Absorção de radiação UV pela camada de ozônio (37 DU / km = 10 13 moléculas / cm 3 )
Dependência da concentração de ozônio na latitude e altitude geográfica

A camada de ozônio é uma área de maior concentração do gás traço ozônio (O 3 ) na atmosfera terrestre , principalmente na baixa estratosfera . Ele é criado a partir do oxigênio do ar, pois suas moléculas de O 2 são divididas em átomos de oxigênio pela fração mais energética da luz solar ( UV-C ) . Os átomos então se combinam imediatamente com um O 2 adicional cada para formar O 3 .

O ozônio em si é muito mais sensível à luz do que o O 2 . Ele absorve UV-C e UV-B e, portanto, protege plantas, organismos, animais e pessoas dos danos da radiação. Quando uma molécula de ozônio absorve um fóton ultravioleta , ele se divide, mas na grande maioria dos casos o átomo O liberado forma imediatamente o ozônio novamente. Apenas as exceções, principalmente O + O 3 → 2 O 2 , significam uma perda de ozônio.

O ozônio tem uma grande influência na temperatura da estratosfera, por um lado através da absorção de UV, por outro lado, como uma molécula angular, é IR-ativo e, portanto, irradia calor.

Considera-se que os físicos franceses Charles Fabry e Henri Buisson descobriram a camada de ozônio . Em 1913, eles detectaram ozônio em camadas superiores da atmosfera por meio de medições espectroscópicas de UV.

Distribuição global

A vida útil efetiva do ozônio é longa o suficiente para ser transportado globalmente pelas correntes lentas da estratosfera: Embora a maior parte do ozônio seja criada na área do equador, a maior parte do ozônio está em latitudes moderadas e altas, em altitudes entre 15 e 25 quilômetros. A altura da coluna, medida em unidades dobsonianas (DU), é entre 300 e 400 DU em latitudes moderadas, e às vezes mais de 500 DU em latitudes mais altas no início do verão, com 100 DU correspondendo a uma espessura de 1 mm. Nos trópicos, a camada de ozônio é elevada a montante da troposfera a uma altitude de 20 a 30 km e reduzida para 200 a 300 DU. A altura de coluna mais baixa do mundo no chamado buraco de ozônio , que se abre regularmente na primavera da Antártica, às vezes fica bem abaixo de 200 DU.

Processos

Formação de ozônio por fotólise de oxigênio atmosférico

A fotólise de uma molécula de oxigênio (O 2 ) em comprimentos de onda abaixo de 240 nm produz dois átomos de oxigênio, cada um dos quais se liga a outra molécula de oxigênio, de modo que duas moléculas de ozônio são criadas:

3 O 2 → 2 O 3 (comprimento de onda <240 nm)

O ozônio absorve a luz ultravioleta de ondas mais longas, até cerca de 300 nm, por meio do qual as moléculas de ozônio se separam de um átomo de oxigênio cada. Na grande maioria dos casos, esse átomo se reconecta imediatamente a uma molécula de oxigênio, de modo que a quantidade de ozônio dificilmente diminui:

O 3 + O 2 → O 2 + O 3 (comprimento de onda <300 nm)

Em uma estratosfera limpa, o processo de perda mais comum é a reação de um átomo de oxigênio com uma molécula de ozônio. Isso cria duas moléculas de oxigênio comuns:

O + O 3 → 2 O 2

Este é o chamado ciclo ozônio-oxigênio , no qual a quantidade de ozônio permanece quase constante.

Observabilidade

Apesar do pequeno número de moléculas de ozônio a uma altitude de 15 a 30 km, a camada de ozônio é perceptível em dois fenômenos atmosféricos durante o crepúsculo, ambos devido à absorção de Chappuis :

  • Imediatamente após o pôr do sol ou antes do nascer do sol, a coloração azul do céu deve-se principalmente ao efeito de absorção do ozônio e não - como é o caso no céu diurno - à dispersão de Rayleigh . Foi somente em 1952 que o geofísico americano Edward Hulburt (1890–1982) reconheceu que a absorção de Chappuis é a causa dessa coloração . Essa coloração especial do céu , conhecida como hora azul, já era conhecida antes.
  • Pouco antes do nascer do sol ou após o pôr do sol, o chamado arco de sombra terrestre é visível. Esta é uma faixa cinza-azulada perto do horizonte na posição oposta ao sol. Segundo uma teoria polêmica , sua cor também se deve ao efeito de absorção do ozônio.

História geológica

Cerca de 3,5 bilhões de anos atrás, a atmosfera da Terra não continha nenhum oxigênio livre (O 2 ). Com o aparecimento dos primeiros microrganismos fototróficos de oxigênio ( liberando O 2 durante a fotossíntese ), provavelmente cianobactérias , iniciou-se a liberação de oxigênio (O 2 ) da água. O oxigênio liberado (O 2 ) inicialmente não chegava à atmosfera, mas era consumido na oxidação dos íons de metais básicos dissolvidos na água , especialmente Fe 2+ , e o sulfeto também dissolvido na água . Somente quando essas oxidações terminaram, depois de muito tempo, foi possível que o oxigênio livre se acumulasse na atmosfera terrestre. Esta fase da evolução da atmosfera terrestre é conhecida como a grande catástrofe do oxigênio . O oxigênio atingiu a estratosfera por convecção e difusão, onde a camada de ozônio foi criada pelo ciclo do oxigênio-ozônio .

Buraco de ozônio

Como um componente de certos gases, especialmente clorofluorcarbonos (CFCs), cloro e bromo entram na estratosfera, que então contribuem para a quebra do ozônio estratosférico. Isso aumenta a radiação UV-B forte na superfície da Terra, que tem efeitos negativos sobre os humanos e a natureza. Na noite polar sobre a Antártica, as nuvens entram em cena, o que faz com que seja quente demais na estratosfera seca. Os poluentes estacionam em suas partículas e são massivamente liberados ao nascer do sol na primavera. Na parte inferior da estratosfera, o ozônio é quase completamente quebrado em poucas semanas. Somente quando o vórtice polar se torna instável é que as massas de ar ricas em ozônio penetram no buraco de ozônio e o fecham, enquanto o ar pobre em ozônio às vezes penetra até a América do Sul e Austrália, onde leva ao aumento dos valores de UV-B. Os efeitos são esperados, mas difíceis de avaliar. Em 1981, Veerabhadran Ramanathan descreveu que o forte efeito estufa dos clorofluorcarbonos por si só aqueceria a atmosfera terrestre em um grau completo até o ano 2000 se as emissões desse gás não fossem reduzidas drasticamente.

A camada de ozônio estratosférico não está relacionada ao aumento de ozônio que ocorre próximo ao solo durante a poluição do verão .

Cientistas eminentes no estudo da camada de ozônio

  • Alfred Cornu (1841–1902) descobriu que o espectro solar se divide abaixo de 300 nm.
  • Carl Dorno (1865–1942), fundador da climatologia da radiação.
  • Paul Götz (1891–1954), descobridor do efeito reverso , também conhecido como efeito Götz , para determinar a distribuição vertical do ozônio na atmosfera.
  • Gordon Dobson (1889–1976) foi o primeiro a reconhecer as flutuações sazonais na espessura da camada de ozônio.
  • Em 1971, Hans-Karl Paetzold (1916–2002) apontou a ameaça à camada de ozônio de aeronaves supersônicas civis que voam alto.
  • Erich Regener (1881–1955) pesquisou o equilíbrio do oxigênio-ozônio na atmosfera.
  • Sydney Chapman (1888–1970) a partir dele em 1930 as relações químicas do ciclo do oxigênio-ozônio foram elucidadas.
  • Paul Crutzen (1933–2021) recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1995 - junto com Mario J. Molina e Frank Sherwood Rowland - "por seu trabalho na química da atmosfera terrestre, em particular na formação e destruição do ozônio" .

Links da web

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Evidência individual

  1. ↑ Antje Dethof: Assimilação de dados de ozônio no modelo ECMWF. ( Memento de 20 de maio de 2005 no Internet Archive ) (PDF; 5,9 MB), ECMWF , 2005.
  2. ↑ Götz Hoeppe: Himmelslicht , imagem espelhada do clima da Terra , Universidade Livre de Berlim
  3. ↑ Spencer Weart: A descoberta do aquecimento global: outros gases de efeito estufa . Centro de História do Instituto Americano de Física , aip.org