Ozonosfer
Ozon tabakası veya ozon kalkanı, Dünya'nın stratosferinde Güneş'in ultraviyole radyasyonunun çoğunu emen bir bölgedir. Atmosferin diğer kısımlarına göre yüksek konsantrasyonda ozon (O3) içerir, ancak stratosferdeki diğer gazlara göre hala küçüktür. Ozon tabakası milyonda 10 parçadan daha az ozon içerirken, bir bütün olarak Dünya atmosferindeki ortalama ozon konsantrasyonu milyonda yaklaşık 0,3 parçadır. Ozon tabakası esas olarak stratosferin alt kısmında, Dünya'dan yaklaşık 15 ila 35 kilometre (9 ila 22 mil) yükseklikte bulunur, ancak kalınlığı mevsimsel ve coğrafi olarak değişir. ⓘ
Ozon tabakası 1913 yılında Fransız fizikçiler Charles Fabry ve Henri Buisson tarafından keşfedilmiştir. Güneş üzerinde yapılan ölçümler, yüzeyinden yayılan ve Dünya'ya ulaşan radyasyonun genellikle 5.500-6.000 K (5.230-5.730 °C) aralığında sıcaklığa sahip siyah bir cismin spektrumuyla uyumlu olduğunu, ancak spektrumun morötesi ucunda yaklaşık 310 nm dalga boyunun altında radyasyon bulunmadığını göstermiştir. Kayıp radyasyonun atmosferdeki bir şey tarafından emildiği sonucuna varıldı. Sonunda kayıp radyasyonun spektrumu bilinen tek bir kimyasalla, ozonla eşleştirildi. Ozonun özellikleri, stratosferik ozonu yerden ölçmek için kullanılabilecek basit bir spektrofotometre (Dobsonmetre) geliştiren İngiliz meteorolog G. M. B. Dobson tarafından ayrıntılı olarak araştırıldı. Dobson, 1928 ve 1958 yılları arasında, bugüne kadar çalışmaya devam eden dünya çapında bir ozon izleme istasyonları ağı kurdu. Üzerindeki ozon miktarının uygun bir ölçüsü olan "Dobson birimi" onun onuruna adlandırılmıştır. ⓘ
Ozon tabakası, Güneş'in orta frekanslı ultraviyole ışığının (yaklaşık 200 nm ila 315 nm dalga boyu) yüzde 97 ila 99'unu emer, aksi takdirde yüzeye yakın maruz kalan yaşam formlarına potansiyel olarak zarar verir. ⓘ
1976'da atmosferik araştırmalar, ozon tabakasının başta kloroflorokarbonlar (CFC'ler) olmak üzere sanayi tarafından salınan kimyasallar tarafından tüketildiğini ortaya koydu. Ozon tabakasının incelmesi nedeniyle artan UV radyasyonunun, insanlarda artan cilt kanseri ve diğer ekolojik sorunlar da dahil olmak üzere Dünya'daki yaşamı tehdit ettiğine dair endişeler, kimyasalların yasaklanmasına yol açtı ve son kanıtlar ozon tabakasının incelmesinin yavaşladığı veya durduğu yönünde. Birleşmiş Milletler Genel Kurulu 16 Eylül'ü Uluslararası Ozon Tabakasının Korunması Günü olarak belirlemiştir. ⓘ
Venüs de gezegen yüzeyinden 100 kilometre yükseklikte ince bir ozon tabakasına sahiptir. ⓘ
Ozonosfer veya ozon tabakası, stratosferin üst kısmında bulunan tabakadır. Ozon tabakası Güneş'ten gelen morötesi ışınlardan olan UV-B ve UV-C gibi zararlı ışınları tutar. Ozon tabakasının bu işlevi hayati açıdan çok önemlidir çünkü UV-B ve UV-C ışınları ölümcüldür. ⓘ
Kaynaklar
Ozon tabakasının oluşumuna yol açan fotokimyasal mekanizmalar 1930 yılında İngiliz fizikçi Sydney Chapman tarafından keşfedilmiştir. Dünya'nın stratosferindeki ozon, iki oksijen atomu (O2) içeren sıradan oksijen moleküllerine çarpan ultraviyole ışığın onları tek tek oksijen atomlarına (atomik oksijen) bölmesiyle oluşur; atomik oksijen daha sonra kırılmamış O2 ile birleşerek ozon, O3, oluşturur. Ozon molekülü kararsızdır (stratosferde uzun ömürlü olmasına rağmen) ve ultraviyole ışık ozona çarptığında bir O2 molekülüne ve tek bir oksijen atomuna ayrılır, bu süreç ozon-oksijen döngüsü olarak adlandırılır. Kimyasal olarak bu şu şekilde tanımlanabilir:
Atmosferdeki ozonun yaklaşık yüzde 90'ı stratosferde bulunur. Ozon konsantrasyonları yaklaşık 20 ila 40 kilometre (66.000 ila 131.000 ft) arasında en yüksek seviyededir ve burada milyonda yaklaşık 2 ila 8 parça arasında değişir. Eğer ozonun tamamı deniz seviyesindeki havanın basıncına sıkıştırılsaydı, sadece 3 milimetre (1⁄8 inç) kalınlığında olurdu. ⓘ
Ultraviyole ışık
Ozon tabakasındaki ozon konsantrasyonu çok küçük olmasına rağmen, Güneş'ten gelen biyolojik olarak zararlı ultraviyole (UV) radyasyonu emdiği için yaşam için hayati önem taşır. Son derece kısa veya vakumlu UV (10-100 nm) nitrojen tarafından perdelenir. Nitrojene nüfuz edebilen UV radyasyonu, dalga boyuna göre üç kategoriye ayrılır; bunlar UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) ve UV-C (280-100 nm) olarak adlandırılır. ⓘ
Tüm canlılar için çok zararlı olan UV-C, yaklaşık 35 kilometre (115.000 ft) yükseklikte dioksijen (< 200 nm) ve ozon (> yaklaşık 200 nm) kombinasyonu tarafından tamamen perdelenir. UV-B radyasyonu cilt için zararlı olabilir ve güneş yanığının ana nedenidir; aşırı maruziyet ayrıca katarakta, bağışıklık sisteminin baskılanmasına ve genetik hasara neden olarak cilt kanseri gibi sorunlara yol açabilir. Ozon tabakası (yaklaşık 250 nm'de maksimum emilim ile yaklaşık 200 nm'den 310 nm'ye kadar emilim yapar) UV-B'yi perdelemede çok etkilidir; 290 nm dalga boyuna sahip radyasyon için atmosferin tepesindeki yoğunluk Dünya yüzeyindekinden 350 milyon kat daha güçlüdür. Bununla birlikte, özellikle en uzun dalga boylarında bir miktar UV-B yüzeye ulaşır ve memelilerde cildin D vitamini üretimi için önemlidir. ⓘ
Ozon çoğu UV-A'ya karşı şeffaftır, bu nedenle bu uzun dalga boylu UV radyasyonunun çoğu yüzeye ulaşır ve Dünya'ya ulaşan UV'nin çoğunu oluşturur. Bu tür UV radyasyonu DNA için önemli ölçüde daha az zararlıdır, ancak yine de potansiyel olarak fiziksel hasara, cildin erken yaşlanmasına, dolaylı genetik hasara ve cilt kanserine neden olabilir. ⓘ
Stratosferdeki dağılımı
Ozon tabakasının kalınlığı dünya çapında değişiklik gösterir ve genellikle ekvatora yakın yerlerde daha ince, kutuplara yakın yerlerde ise daha kalındır. Kalınlık, belirli bir alan üzerindeki bir sütunda ne kadar ozon bulunduğunu ifade eder ve mevsimden mevsime değişir. Bu değişimlerin nedenleri atmosferik sirkülasyon modelleri ve güneş yoğunluğuna bağlıdır. ⓘ
Ozonun çoğunluğu tropik bölgelerde üretilir ve stratosferik rüzgar modelleri tarafından kutuplara doğru taşınır. Kuzey yarımkürede Brewer-Dobson sirkülasyonu olarak bilinen bu modeller ozon tabakasını ilkbaharda en kalın, sonbaharda ise en ince hale getirir. Ozon, tropik bölgelerde güneşin UV radyasyonu tarafından üretildiğinde, bunu ozon bakımından fakir havayı troposferden stratosfere kaldıran ve güneşin oksijen moleküllerini fotolize ederek ozona dönüştürdüğü sirkülasyon yapar. Daha sonra ozon bakımından zengin hava daha yüksek enlemlere taşınır ve atmosferin alt katmanlarına düşer. ⓘ
Araştırmalar, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki ozon seviyelerinin Nisan ve Mayıs ayları gibi bahar aylarında en yüksek, Ekim ayında ise en düşük seviyede olduğunu ortaya koymuştur. Toplam ozon miktarı tropik bölgelerden yüksek enlemlere doğru artarken, konsantrasyonlar yüksek kuzey enlemlerinde yüksek güney enlemlerine göre daha fazladır; yüksek kuzey enlemlerindeki ilkbahar ozon sütunları zaman zaman 600 DU'yu aşar ve ortalama 450 DU iken, Antarktika'da antropojenik ozon tükenmesinden önce 400 DU olağan bir maksimum oluşturuyordu. Bu fark doğal olarak, kuzey yarımküredeki daha zayıf kutup girdabı ve daha güçlü Brewer-Dobson sirkülasyonu nedeniyle, bu yarımküredeki büyük sıradağlar ve kara ile okyanus sıcaklıkları arasındaki daha büyük zıtlıklar nedeniyle meydana gelmiştir. Yüksek kuzey ve güney enlemleri arasındaki fark, ozon deliği fenomeni nedeniyle 1970'lerden bu yana artmıştır. En yüksek ozon miktarları Mart ve Nisan aylarındaki bahar aylarında Kuzey Kutbu üzerinde bulunurken, Antarktika Eylül ve Ekim aylarındaki yaz aylarında en düşük ozon miktarlarına sahiptir, ⓘ
Tükenme
Ozon tabakası nitrik oksit (NO), azot oksit (N2O), hidroksil (OH), atomik klor (Cl) ve atomik brom (Br) dahil olmak üzere serbest radikal katalizörleri tarafından tüketilebilir. Tüm bu türler için doğal kaynaklar bulunmakla birlikte, klor ve brom konsantrasyonları son yıllarda insan yapımı organohalojen bileşiklerin, özellikle de kloroflorokarbonların (CFC'ler) ve bromoflorokarbonların büyük miktarlarda salınması nedeniyle belirgin bir şekilde artmıştır. Bu son derece kararlı bileşikler, ultraviyole ışığın etkisiyle Cl ve Br radikallerinin serbest kaldığı stratosfere kadar yükselme yeteneğine sahiptir. Her bir radikal daha sonra 100.000'den fazla ozon molekülünü parçalayabilecek bir zincirleme reaksiyonu başlatmak ve katalize etmek için serbest kalır. 2009 yılı itibariyle azot oksit, insan faaliyetleri yoluyla salınan en büyük ozon tabakasını incelten madde (ODS) olmuştur. ⓘ
Stratosferdeki ozonun parçalanması, ultraviyole radyasyonun emiliminin azalmasına neden olur. Sonuç olarak, emilmeyen ve tehlikeli ultraviyole radyasyon Dünya yüzeyine daha yüksek bir yoğunlukta ulaşabilmektedir. Ozon seviyeleri 1970'lerin sonlarından bu yana dünya genelinde ortalama yüzde 4 oranında düşmüştür. Dünya yüzeyinin yaklaşık yüzde 5'inde, kuzey ve güney kutupları çevresinde, çok daha büyük mevsimsel düşüşler görülmüştür ve bunlar "ozon delikleri" olarak tanımlanmaktadır. Bilinmelidir ki "ozon delikleri" aslında ozon tabakasında ozonun daha ince olduğu bölgelerdir. Ozonun en ince olduğu kısımlar Dünya'nın ekseninin kutup noktalarındadır. Antarktika üzerindeki ozon tabakasının her yıl inceldiğinin keşfi ilk olarak Joe Farman, Brian Gardiner ve Jonathan Shanklin tarafından 16 Mayıs 1985 tarihinde Nature dergisinde yayınlanan bir makaleyle duyurulmuştur. ⓘ
Düzenleme girişimleri, Amerika Birleşik Devletleri Çevre Koruma Ajansı tarafından uygulanan Temiz Hava Yasası ile sınırlı olmamakla birlikte, bu yasayı da içermektedir. Temiz Hava Yasası, ozon kirliliğinin altı kriter kirleticiden biri olduğu Ulusal Ortam Hava Kalitesi Standartları (NAAQS) zorunluluğunu getirmiştir. Bu düzenlemenin etkili olduğu kanıtlanmıştır çünkü ilçeler, şehirler ve kabile bölgeleri bu standartlara uymak zorundadır ve EPA ayrıca her bölgeye kirleticileri düzenlemesi için yardım sağlamaktadır. Genel nüfusu ozon tabakasının incelmesi ve kirleticilerin varlığı ve düzenlenmesi konusunda eğitmek için bilginin etkili bir şekilde sunulmasının da önemli olduğu kanıtlanmıştır. Sheldon Ungar tarafından, ozon tabakasının incelmesi, iklim değişikliği ve çeşitli ilgili konular hakkındaki bilgilerin nasıl araştırıldığı ve incelendiği bilimsel bir makale yazılmıştır. Ozon vakası, meslekten olmayan kişilere "popüler kültürden türetilen kolay anlaşılır köprü kurucu metaforlarla" iletilmiş ve "günlük hayatla ilgili acil risklerle" ilişkilendirilmiştir. Tartışmada kullanılan spesifik metaforlar (ozon kalkanı, ozon deliği) oldukça faydalı olmuş ve küresel iklim değişikliğine kıyasla ozon vakası çok daha "sıcak bir konu" ve yakın bir risk olarak görülmüştür. Uzman olmayan kişiler ozon tabakasının incelmesi ve cilt kanseri riskleri konusunda ihtiyatlıydı. ⓘ
"Kötü" ozon olumsuz sağlık risklerine neden olabilir solunum etkileri (nefes almada zorluk) ve astım, KOAH ve amfizem gibi solunum yolu hastalıklarının ağırlaştırıcısı olduğu kanıtlanmıştır. Bu nedenle birçok ülke "iyi" ozonu iyileştirmek ve kentsel veya yerleşim alanlarında "kötü" ozonun artmasını önlemek için düzenlemeler getirmiştir. Ozonun korunması ("iyi" ozonun korunması) açısından Avrupa Birliği, hangi ürünlerin belirli alanlarda satın alınmasına, dağıtılmasına veya kullanılmasına izin verileceği konusunda katı kurallara sahiptir. Etkin bir düzenleme ile ozonun zaman içinde iyileşmesi beklenmektedir.
Başarılı düzenleme girişimlerini desteklemek için, ozon vakası "popüler kültürden türetilen kolay anlaşılır köprü kurucu metaforlarla" meslekten olmayan kişilere aktarılmış ve "günlük hayatla ilgili acil risklerle" ilişkilendirilmiştir. Tartışmada kullanılan spesifik metaforlar (ozon kalkanı, ozon deliği) oldukça faydalı olmuş ve küresel iklim değişikliğine kıyasla ozon vakası çok daha "sıcak bir konu" ve yakın bir risk olarak görülmüştür. Sıradan insanlar ozon tabakasının incelmesi ve cilt kanseri riskleri konusunda temkinliydi. ⓘ
1978 yılında Amerika Birleşik Devletleri, Kanada ve Norveç ozon tabakasına zarar veren CFC içeren aerosol spreyleri yasakladı. Avrupa Topluluğu da benzer bir öneriyi reddetmiştir. ABD'de kloroflorokarbonlar, 1985 yılında Antarktika'daki ozon deliğinin keşfedilmesine kadar soğutma ve endüstriyel temizlik gibi diğer uygulamalarda kullanılmaya devam etti. Uluslararası bir anlaşmanın (Montreal Protokolü) müzakere edilmesinden sonra, CFC üretimi uzun vadeli azaltma taahhütleri ile 1986 seviyelerinde sınırlandırıldı. Bu, gelişmekte olan ülkeler için (protokolün 5. Maddesinde tanımlanan) on yıllık bir aşamaya izin verdi. O zamandan bu yana, anlaşma 1995'ten sonra gelişmiş ülkelerde ve daha sonra gelişmekte olan ülkelerde CFC üretimini yasaklayacak şekilde değiştirildi. Bugün, dünyadaki 197 ülkenin tamamı anlaşmayı imzalamıştır. 1 Ocak 1996'dan itibaren ABD gibi gelişmiş ülkelerde sadece geri dönüştürülmüş ve stoklanmış CFC'ler kullanılabildi. Üretimin aşamalı olarak durdurulması, tüm ODS kullanımları için ikame kimyasallar ve teknolojiler bulunmasını sağlamaya yönelik çabalar sayesinde mümkün olmuştur. ⓘ
2 Ağustos 2003 tarihinde bilim adamları, ozon tabakasını incelten maddelerin uluslararası düzeyde düzenlenmesi nedeniyle ozon tabakasının küresel düzeyde incelmesinin yavaşlıyor olabileceğini açıkladılar. Amerikan Jeofizik Birliği tarafından düzenlenen bir çalışmada, üç uydu ve üç yer istasyonu, üst atmosferdeki ozon tabakasının incelme hızının geçtiğimiz on yıl içinde önemli ölçüde yavaşladığını doğruladı. Yasaklamayan ülkeler tarafından kullanılan ODS'ler ve halihazırda stratosferde bulunan gazlar nedeniyle bazı bozulmaların devam etmesi beklenebilir. CFC'ler de dahil olmak üzere bazı ODS'ler 50 ila 100 yıl arasında değişen çok uzun atmosferik ömürlere sahiptir. Ozon tabakasının 21. yüzyılın ortalarına doğru 1980 seviyelerine geri döneceği tahmin edilmektedir. 2016'da "iyileşmeye" doğru kademeli bir eğilim rapor edilmiştir. ⓘ
C-H bağları içeren bileşikler (hidrokloroflorokarbonlar veya HCFC'ler gibi) belirli uygulamalarda CFC'lerin yerini almak üzere tasarlanmıştır. Bu ikame bileşikler daha reaktiftir ve atmosferde ozon tabakasını etkileyebilecekleri stratosfere ulaşacak kadar uzun süre hayatta kalma olasılıkları daha düşüktür. CFC'lerden daha az zararlı olmalarına rağmen HCFC'ler ozon tabakası üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olabilir, bu nedenle bunlar da aşamalı olarak kullanımdan kaldırılmaktadır. Bunların yerini hidroflorokarbonlar (HFC'ler) ve stratosferik ozonu hiç tahrip etmeyen diğer bileşikler almaktadır. ⓘ
CFC'lerin atmosferde biriken kalıntı etkileri, atmosfer ve okyanus arasında bir konsantrasyon gradyanına yol açmaktadır. Bu organohalojen bileşik okyanusun yüzey sularında çözünebilir ve zamana bağlı bir izleyici olarak hareket edebilir. Bu izleyici, bilim insanlarının biyolojik, fiziksel ve kimyasal yolları izleyerek okyanus dolaşımını incelemelerine yardımcı olur ⓘ
Ozon deliği, ozon tabakasındaki incelmedir. Bu ozon tabakası gittikçe inceliyor anlamındadır. Bunun sebebi insanların havaya saldığı kimyasallardır. Bu kimyasal maddeler günlük insan yaşamında kullanılır ve ozon tabakasına zarar verirler. ⓘ
Ozon tabakasına zarar veren kimyasal maddeler şunlardır:
- Kloroflorokarbonlar (CFC’ler), genel olarak klima sistemlerinde, buzdolaplarında, köpük üretiminde (örneğin yataklar için), parfüm ve deodorantlarda kullanılır.
- Halonlar, yangın söndürme cihazlarında kullanılır.
- Metil bromid, tarımda böcek ilacı olarak kullanılır. ⓘ
Modern cihazlar ozon tabakasındaki incelmeyi belirleyebilmektedir. Ölçümler Güney Kutbu'ndaki (Antarktika) incelmenin Kuzey Kutbu'na göre daha büyük olduğunu göstermiştir. Ozon tabakasındaki bu incelme bir şey yapılmazsa daha da büyüyecektir. Ozon tabakasında incelme küresel bir problemdir. Ozon tabakasındaki incelme problemine herkesin duyarlı olması ve zararlı kimyasalları artık daha fazla kullanmamasıyla ozon tabakasının iyileştirilmesi mümkün olabilecektir. ⓘ
Astronomi için çıkarımlar
Atmosferdeki ozon, enerjik ultraviyole radyasyonun çoğunun Dünya yüzeyine ulaşmasını engellediğinden, bu dalga boylarındaki astronomik verilerin atmosferin ve ozon tabakasının üzerinde yörüngede bulunan uydulardan toplanması gerekir. Genç sıcak yıldızlardan gelen ışığın çoğu morötesi dalga boyundadır ve bu nedenle bu dalga boylarının incelenmesi galaksilerin kökenlerinin araştırılması için önemlidir. Galaksi Evrim Kaşifi, GALEX, 28 Nisan 2003'te fırlatılan ve 2012'nin başlarına kadar çalışan yörüngedeki bir morötesi uzay teleskopudur. ⓘ
Cygnus Loop nebulasının bu GALEX görüntüsü, ozon tabakası nebulanın yaydığı mor ötesi radyasyonu engellediği için Dünya yüzeyinden çekilmiş olamaz. ⓘ
Açıklama
Ozon (O3) üç adet oksijen atomundan oluşan şeffaf bir gazdır. Ozon tabakası ozon gazından oluşan ve atmosferin yukarı seviyelerinde başka bir deyişle yer yüzeyinden 50–85 km yüksekte bulunan bir tabakadır. Bu tabakanın temel rolü ultraviyole (UV) ışınlar olarak adlandırılan Güneş'in zararlı ışınlarına karşı canlıları korumasıdır. Ozon tabakası yeryüzüne doğru gelen bu zararlı ışınlara karşı bir filtre gibi davranır. ⓘ
Ozon tabakasındaki incelmenin sonuçları
Ozon deliğinin ana sonucu yeryüzüne daha fazla UV ışınının (özellikle çok tehlikeli olan UV-C) ulaşmasıdır. UV ışınları güneş yanıklarına, deri kanserine sebep olabilir, gözlere zarar verebilir (katarakt) ve insanlarda bağışıklık sisteminin zayıflamasına neden olabilir. Bilindiği gibi bağışıklık sistemi hastalıklara karşı koymamızı sağlayan bir sistemdir. Bu sistem zayıfladığı zaman hastalıklarla savaşma yeteneğimiz de zayıflamış olacaktır. ⓘ
UV ışınları sadece sağlığımızı etkilemekle kalmaz çevre üzerine de olumsuz etki yapabilir. Tarımsal üretimi azaltabilir, ayrıca deniz besin zincirini bozarak balık nüfusunu etkiler. ⓘ
Antarktika üzerindeki ozon deliğinin kapladığı alan, ABD’nin yüzölçümünden daha büyüktür ve buranın tekrar doldurulması için on milyonlarca ton ozon gerekir. Bu miktarda ozonun nakliyesinin maliyeti bile astronomik olur. ⓘ