Ozon er en gass som består av tre oksygenatomer - O\(_3\). Det er høyest konsentrasjon av ozon mellom 10 og 50 km over bakken. Dette området kalles ozonlaget og spiller en viktig rolle i å beskytte livet på jorden.
I kapittel 1 så vi på de ulike inndelingene i atmosfæren, og hvordan stratosfæren gjenkjennes ved at temperaturen stiger med høyden.
5.1 Produksjon av ozon
Ozon dannes naturlig i stratosfæren ved at oksygenmolekyler (O\(_2\)) spaltes av energirik UV-stråling fra solen (med \(\lambda < 240 nm\))1 og danner oksygenatomer (O). Disse atomene reagerer så med andre oksygenmolekyler og danner ozon (O\(_3\)). Prosessen kan beskrives med følgende kjemiske reaksjoner:
1 \(\lambda\) er bølgelengde
\[O_2 + \text{UV-stråling} \rightarrow O + O \tag{5.1}\]
\[O + O_2 \rightarrow O_3 \tag{5.2}\]
I kapittel 4.4 og figur 4.2 ser vi at de korteste bølgelengdene er fullstendig absorbert og spredt i atmosfæren, og aldri når bakken. De korteste bølgelengdene som solen emitterer absorberes høyere opp i atmosfæren, blant annet av oksygen som vi ser i reaksjonslikning 5.1 ovenfor. De korteste bølgelengdene som treffer jordoverflaten er stort sett UVA-stråler, takket være ozonet som dannes i stratosfæren (som vist i reaksjonslikning 5.2).
Ozon som dannes i stratosfæren absorberer det meste av den skadelige UV-B strålingen fra solen. Uten ozonlaget ville mer av denne strålingen nådd jordoverflaten og kunne skadet levende organismer. Ozonlaget fungerer dermed som et naturlig UV-filter for jorden.
Når ozon absorberer UV-B-stråler, så spaltes samtidig ozonmolekylet opp (se reaksjonslikning 5.3).
\[ 2 O_3 + \text{UV-B} \rightarrow 2(O + O_2) \rightarrow 3 O_2 \tag{5.3}\]
Konsentrasjonen av ozon er høyest i stratosfæren fordi betingelsene for ozondannelse er optimale her. Det er rikelig med energirik UV-stråling til å spalte oksygenmolekyler, samtidig som det er nok oksygen tilgjengelig til å reagere med oksygenatomene og danne ozon. På samme måte dannes det mer ozon over ekvator enn over polene, fordi strålingsintensiteten er høyere her.
5.2 Transport av ozon
Selv om produksjonen av ozon er størst ved ekvator, er ozonlaget tykkest over polområdene. Transporten i stratosfæren fører ozon med seg fra tropene til polare strøk. Transporten av ozon er mest effektiv om vinteren når temperaturforskjellen mellom polområdet og tropene er størst.
Hvis du vil vite mer om sirkulasjon i stratosfæren, så kan du søke etter informasjon om “Brewer-Dobson-sirkulasjonen” og “den kvasi-biennale svingningen” (eller forkortelsen QBO).
5.3 Nedbrytning av ozon
Ozon bryter naturlig ned i kjemiske reaksjoner, eksempelvis av UV-stråling som vist i Formel 5.3. Nedbrytning av UV-stråling er for langsom til å bryte ned ozon i samme takt som produksjonen. Frie radikaler er veldig effektive i å bryte ned ozon, da de frie radikalene ikke brukes i prosessen. Eksempler på effektive radikaler er nitrogen-, hydrogen-, klor- og bromforbindelser.
Kjemisk nedbrytning ved frie radikaler:
\[ \textbf{R} + O_3 \rightarrow \textbf{R}O + O_2 \] \[ \textbf{R}O + O \rightarrow \textbf{R} + O_2 \tag{5.4}\]
\(\textbf{R}\) representerer et vilkårlig fritt radikal. Likning 5.4 viser hvordan radikalet ikke forbrukes i reaksjonen og dermed kan bryte ned mange ozonmolekyler før det inngår i en annen kjemisk reaksjon. Vi kaller det en katalytisk prosess.
Det finnes flere naturlige kilder til frie radikaler. Et par eksempler er listet opp nedenfor:
- Lystgass N\(_2\)O: frigjøres ved mikrobiologiske prosesser og forbrenningsprosesser
- Metylklorid CH\(_3\)Cl: dannes i havet og frigjøres til atmosfæren
- Kloratomer kan sendes til atmosfæren ved vulkanutbrudd
- Brom finnes naturlig i en rekke innsjøer som bromid
5.4 Stratosfærisk inversjon
Når ozonlaget absorberer energirik UV-stråling, varmes gassene opp. Dette er en av de viktigste årsakene til at vi får en inversjon i stratosfæren, altså at temperaturen stiger med høyden. Inversjonen i stratosfæren er med på å stabilisere atmosfæren vår, slik at det er vanskeligere for luft å strømme opp fra troposfæren inn i stratosfæren.
Denne stratosfæriske inversjonen er viktig for å forstå sirkulasjon i atmosfæren, som vi kommer til i kapittel 11.
5.5 Ozon i troposfæren
I de lavere lagene av atmosfæren, nærmere bakken, er ozonkonsentrasjonen mye lavere. Her dannes ozon hovedsakelig gjennom kjemiske reaksjoner mellom nitrogenoksider (NOx) og flyktige organiske forbindelser (VOC) under påvirkning av sollys. Denne typen bakkenært ozon regnes som luftforurensning og kan være skadelig for helse og miljø i høye konsentrasjoner.
5.6 UV-indeks
Hvorfor er ozonlaget viktig?
Ozonlaget kalles i enkelte anledninger for jordens solbriller. Siden ozonlaget absorberer kortbølget UV-stråling, beskytter det mennesker og økosystemer som ikke tåler den kortbølgete strålingen. Tykkelsen på ozonlaget varierer gjennom årstidene, da produksjonen av ozon avhenger av solinnstråling, og transport av ozon avhenger av årstid.
NILU2 har en egen tjeneste for varsling av UV-indeks, https://uv.nilu.no/, og Yr.no har inkludert UV-varsel på sine sider også (se figur 5.3). Men hva er UV-indeksen?
2 NILU er et forskningsinstitutt som tidligere var et luftforskningsinstitutt. I dag forsker NILU på langt flere områder enn ren luftforskning, men der fokuset er på klima- og miljøforskning.
UV-indeksen forteller noe om hvor mye UV-stråling som treffer en person ved bakken. Det betyr at det avhenger av både direkte UV-stråling, og indirekte UV-stråling ved refleksjon fra eksempelvis snø og is. Dermed er UV-indeksen avhengig av både tykkelsen på ozonlaget, mengden skyer på himmelen, aerosoler i atmosfæren og albedo til underlaget på bakken.
| Indeks | Styrke | Sikker soltid for utsatt hudtype | Tilsvarer | Tiltak |
|---|---|---|---|---|
| 1–2 | Lav | 1 dag | Vinter i Norge | Ingen |
| 3–5 | Moderat | 1–2 timer | Påske i Norge; vår/høst i Sør-Norge; mai–august i Nord-Norge | Klær, solhatt, solbriller |
| 6–7 | Sterk | 30–60 minutter | Sør-Norge i juni–juli; høyfjellet i mai; Spania vår–høst | Klær, solhatt, solbriller; ta pauser i perioden kl. 1200–1500; solkrem med høy faktor (15) og UVA-beskyttelse |
| 8–10 | Svært høy | 15–30 minutter | Isbre/høyfjell med snø juni–juli; Middelhavet om sommeren | Klær, solhatt, solbriller; unngå solen kl. 1200–1500 og søk skygge |
| >10 | Ekstrem | 5–15 minutter | Kanariøyene/Alpene om sommeren; områder nær ekvator; grenseverdi for solarier | Klær, solhatt, solbriller påkrevd; unngå solen kl. 1200–1500 |