שכבת האוזון : שכבת המגן האטמוספרית

שכבת האוֹזוֹן והאטמוספרה כמסננת

מי מכם לא שמע על ה"חור" בשכבת האוזון? ביטוי זה הפך זה מכבר לחלק מהשפה המדוברת ונשמע לרוב בכלי התקשורת. אך האם באמת ברור לכם מהו אותו חור מסוכן, דרכו חודרת אל פני הארץ קרינה על-סגולה קטלנית והיכן הוא נמצא? האם הוא קיים גם מעל ארצנו?

"החור" נוצר מעל יבשת אנטארקטיקה, בתוך שכבת האוֹזוֹן, הנמצאת באטמוספרה בין הגבהים 20 ל-40 ק"מ מעל פני הקרקע. באזור זה נמצא ריכוז גבוה יחסית של הגז אוֹזוֹן.
לתמונת החור בשכבת האוזון

למעשה שכבת האוֹזוֹן איננה שכבה אחידה ורציפה, כמו שכבת סלעים, אלא תחום גבהים באטמוספרה שהאוֹזוֹן נמצא בו, ואשר עובר שינויים גדולים מיום ליום וממקום למקום. תחום זה שהאוֹזוֹן נמצא בו נכלל בתוך שכבה הנקראת "הסְטְרָטוֹסְפֶרָה".
לתמונת מיקום שכבת האוזון

תצפיות מלמדות שקרינת השמש המגיעה לפסגת האטמוספרה משתנה כאשר היא עוברת בשכבת האוֹזוֹן: חלק ממנה נבלע בשכבה זאת ואינו מגיע אל הקרקע. חלק זה הוא הקרינה העל-סגולה, הידועה באנרגיה הגבוהה שלה וביכולתה להסב נזקים ליצורים חיים. אם כן, האטמוספרה פועלת כמסננת יעילה ומועילה - המולקולות של האוֹזוֹן בולעות היטב את הקרינה העל-סגולה המזיקה שמגיעה מהשמש, וכך הן מגינות על קיום החיים בכדור הארץ.

אוויר, חמצן ויצירת אוֹזוֹן

האוֹזוֹן הוא גז חסר צבע ובעל ריח חריף. הוא מורכב משלושה אטומים של חמצן, והנוסחה הכימית שלו היא O3. זהו הוא גז פעיל ביותר מבחינה כימית, ובמגע עם חומרים בסביבתו הוא מגיב במהירות רבה.

המולקולה של החמצן באוויר, החיונית לנשימה של כל היצורים החיים, מורכבת משני אטומים בלבד, ובכך היא שונה מן המולקולה של האוֹזוֹן. השם "אוֹזוֹן" מקורו בשפה היוונית, ופירושו "בעל ריח רע". השם מבטא את ריחו החריף של הגז.

כמות האוֹזוֹן באוויר זעירה: מתוך מיליון מולקולות של אוויר, יש פחות מ-10 מולקולות של אוֹזוֹן! כמות זאת אינה אחידה. היא משתנה בגבהים שונים מעל הקרקע: כמעט אפס סמוך לפני האדמה, ועד לכמה אלפי מולקולות בלב שכבת האוֹזוֹן, ומלב השכבה הכמות יורדת עד אפס ככל שהגובה רב יותר.

אולם, כפי שנראה בהמשך, לכמות הזעירה של האוֹזוֹן יש חשיבות מכרעת לקיומם של החיים על פני כדור הארץ. יש המשווים את האוֹזוֹן, המועט והנדיר, למין תבלין מיוחד - קמצוץ ממנו הופך את התבשיל לנהדר, ובלעדיו - הכול תפל וחסר טעם!

יצירה, הרס ושיווי משקל

האוֹזוֹן נוצר ונהרס בתגובה מעגלית ובשיווי משקל בין שני התהליכים: בכל רגע ורגע מולקולות של אוֹזוֹן מתפרקות, אך אל דאגה - אחרות נוצרות במקומן! שיווי משקל זה שומר על קיומה של שכבת האוֹזוֹן, למזלנו, והוא תוצאה של תהליכים טבעיים.
לתמונת יצירה והרס של אוזון

איך זה קורה?

כאשר הקרינה העל-סגולה של השמש פוגעת בחמצן שבאוויר, המולקולות שלו מתפרקות לשני אטומים של חמצן. כל אחד מהאטומים הללו יכול כעת לפגוש במולקולה חדשה של חמצן, להתלכד עמה ולהפוך למולקולה של אוזון.

האוזון נהרס בעת שהוא מבצע את פעולת ההגנה שלו: הוא בולע את הקרינה העל-סגולה המסוכנת מהשמש, ומתפרק בחזרה למרכיביו: אטום בודד ומולקולה של חמצן.

לכאורה, האוֹזוֹן נהרס - אבל, כאמור, אין צורך לדאוג!

אטום החמצן הבודד שנוצר, מגיב במהירות הבזק ונקשר למולקולה אחרת של חמצן. כך נוצרות מולקולות חדשות של אוֹזוֹן המוכנות "למלא את תפקידן" ולעצור קרינה על-סגולה נוספת...

תגובה מעגלית זאת המתרחשת סמויה מהעין גבוה מעלינו שומרת עלינו מפגיעתה הרעה של הקרינה העל-סגולה. ברור שאם נפגע בשיווי המשקל ונפר אותו על ידי הרס של יותר אוֹזוֹן ממה שנוצר בתהליכים הטבעיים נגרום לעצמנו סכנה גדולה. ואכן, תהליכים אלה הופרעו בשנים האחרונות על ידי גזים שונים שנפלטו לאטמוספרה - גזים מעשי ידי האדם.

החור בשכבת האוֹזוֹן

במשך מיליארדי שנים(!) התקיימה כמות כמעט קבועה של אוֹזוֹן בסטרטוספרה, ושום דבר לא קרה... עד שבשנים האחרונות, בעידן הטכנולוגי והמתועש, התערבותו של המין האנושי השפיעה בצורה דרמטית על המצב...

תחילת הסיפור בשנים 1970-1974. באותה התקופה סברו החוקרים שהסכנה היחידה לשכבת האוֹזוֹן היא הטיסות של מטוסים בגובה רב (למשל מטוס הקונקורד, העובר את המרחק מניו-יורק ללונדון בגובה של 20 ק"מ תוך 3 שעות בלבד). הם סברו שהמטוסים, המתקרבים לבסיס של שכבת האוֹזוֹן, פולטים ממנועיהם גזים שונים, ושגזים אלה מפרקים את האוֹזוֹן. לכן קמה התנגדות עזה לפיתוח נרחב של מטוסים אלה.

עד מהרה התברר שהנזק העיקרי לשכבת האוֹזוֹן מגיע ממקום אחר...

בשנת 1980 דיווחה תחנת המדידה המטאורולוגית הבריטית, אשר נמצאת במפרץ האלי באנטארקטיקה, על ירידה חדה בריכוז האוֹזוֹן בסטרטוספרה. החוקרים מדדו את הריכוז באמצעות בלונים, ומצאו שבחודשים ספטמבר-אוקטובר-נובמבר, הידלדלה שכבת האוֹזוֹן מעל אנטארקטיקה. הריכוזים שנמדדו היו קטנים ב-40% לעומת הערך הרגיל! חששם של החוקרים התאמת, ותמונות לוויין שצולמו מעל הקוטב הדרומי הוכיחו ששכבת האוֹזוֹן אכן נהרסת.

כך נולד הביטוי "החור באוֹזוֹן" המוכר לכולנו מאמצעי התקשורת. המשמעות של ה"חור" הזה באוֹזוֹן היא שכמות האוֹזוֹן פחתה בצורה חדה מאוד, וכך כמות גדולה של קרינה על-סגולה מסוכנת חודרת אל הקרקע.

כיצד מודדים את ריכוז האוֹזוֹן?

ככל שיש יותר אוֹזוֹן בסטרטוספרה כך פוחתת כמות הקרינה העל-סגולה המגיעה לקרקע. לכן, כדי לדעת האם אנו מוגנים, או שמא הידלדלה שכבת ההגנה שמעלינו ויש "חור" בשכבת האוֹזוֹן, עלינו לדעת כמה אוֹזוֹן יש בסטרטוספרה. כיצד עושים זאת?

אפשר לחשוב על מספר דרכים למדוד את ריכוז האוֹזוֹן באוויר: למשל, לספור את המולקולות שלו... אבל זה לא כל כך מעשי. השיטה שמשתמשים בה מודדת את מידת יכולתו של האוֹזוֹן לבלוע קרינה על-סגולה.

העיקרון פשוט: עוצמת הקרינה העל-סגולה, שמגיעה מן השמש אל פסגת האטמוספרה, ידועה לנו. כדי לדעת מהי כמות הקרינה העל-סגולה ששכבת האוזון בלעה, צריך לבדוק מהי הכמות שמגיעה אל פני הקרקע. ואכן, עושים זאת באמצעות חיישן מיוחד. כאשר החיישן מותקן על לוויין, אפשר למדוד מהחלל את עוצמת הקרינה על פני הקרקע בשטח נרחב מאוד. "החלק שנעלם" - כלומר, כמות הקרינה העל-סגולה שנבלעה על ידי האוֹזוֹן כאשר היא עברה באטמוספרה, מתורגם לכמות (ערך מספרי שמייצג את כמות האוֹזוֹן).

בשיטה אחרת מודדים את ריכוז האוזון באמצעות בלוני מחקר ענקיים, היכולים לרחף לגובה רב. על גבי הבלונים מרכיבים את החיישן המיוחד למדידת ריכוז האוֹזוֹן וגם משדר, המעביר אל הקרקע את תוצאות המדידה.

שינויים טבעיים בריכוזי האוֹזוֹן

הריכוזים של האוֹזוֹן בשכבת האוֹזוֹן באטמוספרה אינם שווים בכל מקום ומקום וגם אינם קבועים! ההיווצרות של האוֹזוֹן תלויה בקרינת השמש, ולכן בעונות השנה השונות ובקווי רוחב שונים נוצרים הבדלים טבעיים בעובי של שכבת האוֹזוֹן.

באזור קו המשווה שכבת האוֹזוֹן היא דקה ביותר, והריכוז שם נשאר קבוע כמעט כל השנה (ערכו כ-260 דובסון). דבר זה מפתיע, כי בקו המשווה קרינת השמש היא מרבית, והיינו מצפים לשכבה עבה יותר. אם כך מדוע הריכוזים הגבוהים ביותר של האוֹזוֹן אינם מתקבלים באזור זה, אלא דווקא באזורים הממוזגים (קווי-הרוחב 35-55)?

לעובדה זאת יש הסבר מעניין: אמנם רוב האוֹזוֹן אכן נוצר בסביבת קו המשווה, אך הוא אינו נשאר שם. הרוחות והזרימה האטמוספרית מסיעות אותו למקומות אחרים, צפוניים (או דרומיים) יותר. וכך, ככל שאנו מתרחקים מקו המשווה, נוצרים הבדלים בעובי שכבת האוֹזוֹן בין עונה לעונה, ממש כמו ההבדלים בתנאי מזג האוויר ובטמפרטורה.

נזק מסוג אחר נגרם לשכבת האוֹזוֹן בשל התפרצויות געשיות גדולות בכדור הארץ, המעיפות כמות עצומה של גזים ואפר געשי למרומי האטמוספרה. הגזים הנפלטים מהרי הגעש, מכילים כמויות גדולות של גפרית, והם מפרקים את האוֹזוֹן ומפחיתים בצורה קשה את ריכוזו בסטרטוספרה.

עוד גורם טבעי לשינוי של ריכוז האוֹזוֹן הוא מחזור הפעילות של השמש. ידוע לנו שהשמש "פעילה" או "שקטה" במחזור של 11 שנים - זהו מחזור כתמי השמש. ואכן, בשנים שהשמש "פעילה" בהן, היא פולטת יותר קרינה על-סגולה. במצב זה יש עלייה בריכוז האוֹזוֹן באוויר. בשנים שהשמש "שקטה" בהן - הריכוז יורד מעט. בסך הכול, השינויים האלה הם קטנטנים ומגיעים רק ל-2 עד 4 אחוזים מהערך הרגיל.

המדידות והמחקרים מראים ששינויים טבעיים אלה הם כמעט מאוזנים לחלוטין, וששיווי המשקל בין היצירה וההרס של האוֹזוֹן בטבע נשמר כמעט במלואו.

הגנה על הגוף מפני קרינה על-סגולה

חלק קטן מהקרינה העל-סגולה בכל זאת מגיע אלינו והוא זה שגורם לנו להשתזף, לצבעים לדהות ולעיתונים להצהיב...

ומי לא שמע על "מקדמי ההגנה" של משחות השיזוף למיניהן, האמורות להגן על העור מפני הנזקים של קרינת השמש? ומי לא ראה את המדבקות על גבי העדשות של משקפי השמש הכהות "הגנת UV"? כל אלה מלמדים על כך שבקרינה העל-סגולה יש סכנה רבה העלולה לגרום לסרטן העור.

ניסיונות מעבדה ותצפיות לימדו את מדענים שאילו הייתה מגיעה יותר קרינה על-סגולה לקרקע, היה הדבר גורם ליותר מחלות עור, ליותר עיוורון וליותר פגיעות בחומר התורשתי של בני האדם, וכן פוגע קשות בצמחים ובבעלי חיים שונים.

באזור מיוחד כמו אנטארקטיקה, כל שרשרת המזון עלולה להינזק. הפלנקטון רגיש מאוד לכל שינוי, והוא עלול להיפגע, ובעקבותיו יינזק כל מי שניזון מממנו - דגים, עופות ויונקים אחרים. במערכת אקולוגית רגישה, כמו באנטארקטיקה, לפגיעה באוֹזוֹן יש משמעות עצומה.

תעלומה ופתרונה וסיכוי לעתיד

שנים של מאמצי מחקר הוקדשו לפתרון תעלומת החור באוֹזוֹן, ושאלות רבות הטרידו את החוקרים: מדוע החור נוצר מעל הקוטב הדרומי? האם הוא מתפשט למקומות אחרים? מה גורם להיווצרותו? ומה קורה מעל הקוטב הצפוני?

מאמצי המחקר נשאו פרי: הסתבר שחומרים כימיים הנקראים "פריאונים" ("CFC"), הם המשמידים את האוֹזוֹן. חומרים אלה מכילים את היסודות כלור ופלואור, והם הומצאו בשנת 1928 עבור תעשיית המקררים. כיום הם נמצאים במיליוני מקררים ומזגני אוויר. החומרים האלה יציבים מאוד ואינם מגיבים בכלל עם סביבתם. הם בטיחותיים ולא רעילים, ולכן הם נפוצים מאוד בשימושים רבים.

כאשר נקב נוצר במקרר או במזגן אנו רגילים לתאר את התקלה במשפט: "הגז ברח...", ואכן זה בדיוק מה שקורה! פריאונים נפלטים אל האוויר ואט אט הם מטפסים אל הסטרטוספרה. התהליך אורך שנים, הם נישאים ומוסעים ברוחות ובמערבולות ומצטברים לכמויות ניכרות.
באזורים מסוימים בסטרטוספרה נמצאו ריכוזים גבוהים של הפריאונים, אך בייחוד גדול הריכוז מעל הקוטב הדרומי.

מדוע זה קורה?

באזור הקוטב הדרומי הטמפרטורות נמוכות מאוד, ובגובה 20-30 ק"מ מעל הקרקע מופיעים ענני קרח מיוחדים, שאינם נמצאים כמעט במקום אחר בכדור הארץ. על גבי גבישי הקרח בעננים אלה מתרחשות תגובות כימיות הגורמות לפירוק המולקולות האדישות והיציבות של הפריאונים. כאשר הפריאונים מתפרקים, משתחררים לאוויר היסודות כלור ופלואור - שני "זוללי אוֹזוֹן" מובהקים, המשמידים במהירות את שכבת האוֹזוֹן.

מה אפשר לעשות כדי למנוע את הנזק?

מדינות העולם נרתמו לפתרון הבעיה וסיכמו ביניהן על הפסקת הייצור והפליטה לאוויר של הפריאונים המזיקים. נחתמו אמנות בינלאומיות ונחקקו חוקים שאוסרים שימוש במוצרים המכילים את התרכובות האלה. מוצרים חויבו לשאת תווית "ידידותי לאוֹזוֹן" כדי לסמל שהם אינם מכילים פריאונים מסוכנים. הקונים ברשתות השיווק הוכיחו שהם מבינים את חומרת המצב, ונמנעו מלקנות מוצרים שאינם מכילים סימון זה.

אך למרות צעדים אלה, שכבת האוֹזוֹן עדיין סובלת מכמויות הפריאונים שכבר השתחררו לאוויר, והריכוזים בה מצטמצמים מאוד, עד כדי היעלמות מוחלטת לתקופות קצרות.

מלבד זאת, הסכנה אינה אורבת רק לחיים באזורים הקרובים לקוטב הדרומי. תצלומים מלוויינים הראו שהחור באוזון מתפשט גם לעבר אוסטרליה, ניו זילנד וצ'ילה. סכנת הקרינה העל-סגולה לתושבי אזורים אלה הופכת להיות מוחשית ביותר. אולם הבעיה אינה רק של תושבי החצי הדרומי של כדור הארץ - בשנים האחרונות נתגלו ריכוזים מדאיגים של פריאונים גם באזור הקוטב הצפוני.

מה העתיד צופן לנו?

גם אם נקפיד לשמור על התקנות הבינלאומיות הנזק לאוֹזוֹן עתיד להימשך עד אמצע המאה ה-21. אך יש תקווה - אם נעשה זאת תתאושש שכבת האוֹזוֹן לקראת שנת 2050, והיא תשוב לגודלה הרגיל ולהגנה המלאה שהיא מספקת...