Odpowiada Michalina Broda. Konsultacja prof. Szymon Malinowski.

Dziura ozonowa to nazwa obszaru w stratosferze Ziemi, w którym stężenie ozonu jest znacznie niższe niż w otaczających obszarach. Należy zauważyć, że termin „dziura” jest nieco mylący, ponieważ nie oznacza całkowitego braku ozonu, ale raczej znaczne zmniejszenie jego stężenia. Jest to zjawisko sezonowe, trwające podczas wiosny na półkuli południowej (od września do listopada).

Powstawanie dziury ozonowej nad Antarktydą mimo tego, że nie ma tam bezpośredniej emisji związków, które zubażają warstwę ozonową (ODS en. ozone depleting substances), jest wynikiem oddziaływania cyrkulacji atmosferycznej (wiru polarnego) ze specyficznymi warunkami panującymi w stratosferze nad Antarktydą (temperatura spada poniżej -70 stopni Celsjusza) i zmianą pory roku: z zimy (gdy rejony te nie są oświetlone przez Słońce) na wiosnę – kiedy zaczyna docierać promieniowanie słoneczne. Co ciekawe, podobne zjawisko, choć w nieco mniejszej skali obserwujemy też nad Arktyką.

Atmosfera Ziemi składa się z kilku warstw. Najbliżej Ziemi jest troposfera, a zaraz nad nią znajduje się stratosfera. To w niej występuje warstwa ozonu, która chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem UV.

By zrozumieć fenomen powstania dziury ozonowej, wypunktuję poszczególne informacje, które będą służyć wyjaśnieniu zagadnienia:

Przedostawanie się ODS nad Antarktydę: Po uwolnieniu do atmosfery, ODS rozprzestrzeniają się wskutek unoszenia przez wiatr i cyrkulacje atmosferyczne. Ponieważ ich cząsteczki są stabilne i nie rozkładają się łatwo w niższych warstwach atmosfery, mogą dotrzeć do stratosfery. Dzieje się to głównie na niskich i umiarkowanych szerokościach geograficznych. Cyrkulacje przenoszą je dalej zarówno na północ, jak i na południe co sprawia, że stratosfera na całym świecie zawiera niemal równe stężenie ODS.

Charakterystyczne warunki panujące nad Antarktydą: Podczas zimy, cyrkulacja znana jako wir polarny izoluje masę powietrza wewnątrz siebie od tych na zewnątrz. Wir pomaga skoncentrować ODS we wnętrzu, a wypromieniowanie energii podczas nocy polarnej i brak dostawy masy/ciepła spoza wiru skutkuje pojawieniem się ekstremalnie niskich temperatur, co ułatwia tworzenie się polarnych chmur stratosferycznych (PSC).

Proces destrukcji cząsteczek ozonu: kropelki PSC stanowią powierzchnię dla reakcji chemicznych, które przekształcają nieaktywne formy chloru i bromu (podstawowe budulce ODS) w aktywne formy zubożające warstwę ozonową. Poniżej podane są równania reakcji chemicznych, które prowadzą do destrukcji ozonu:

I. Pierwsza z kluczowych reakcji polega na przekształceniu stabilnych związków chloru w reaktywny tlenek chloru ($ClO$) i rodniki chloru ($Cl$). Dzieje się to zimą, gdy nad biegunem jest ciemno i zimno:

$ClONO_2 + HCl \rightarrow Cl_2 + HNO_3$

II. Kiedy słońce powraca wiosną, światło ultrafioletowe (UV) rozbija molekularny chlor ($Cl_2$) na wysoce reaktywne atomy chloru ($Cl$):

$Cl_2 + UV_{\text{light}} \rightarrow 2 Cl$

III. Reaktywne atomy chloru katalitycznie niszczą cząsteczki ozonu ($O_3$), przekształcając je w tlen ($O_2$).

$Cl + O_3 \rightarrow ClO + O_2$

$ClO + O \rightarrow Cl + O_2$

Wraz ze wzrostem temperatury w lecie PSC rozpraszają się, a liczba reakcji zubożających warstwę ozonową spada. Wir polarny załamuje się, a bogate w ozon powietrze z niższych szerokości geograficznych zaczyna mieszać się ze zubożonym powietrzem, częściowo uzupełniając warstwę ozonową.

Kontynent na biegunie otoczony morzem powoduje, że wir polarny podczas antarktycznej zimy jest stabilniejszy i bardziej długotrwały niż analogiczny wir na półkuli północnej. Stąd ubytek ozonu na wiosnę (dziura ozonowa) jest tam znacznie „głębszy” niż na półkuli północnej i stąd określenie „dziura ozonowa nad Antarktydą”.