Odkrycie warstwy ozonowej

Historię odkrycia warstwy ozonowej rozpoczynają badania prowadzone przez francuskiego fizyka Marie Alfreda Cornú prowadzone w 1878 roku. Zauważył on, że spektrum promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi jest „obcięte” przy długościach fal poniżej 300 nm, w stosunku do „idealnego” spektrum jakie, teoretycznie, powinno emitować Słońce. W związku z tym postawił hipotezę, że promieniowanie to jest blokowane przez jakąś substancję znajdującą się w powietrzu atmosferycznym.

Hipoteza Cornú została potwierdzona w wyniku prac badawczych prowadzonych przez Waltera Noela Hartleya w latach 1981 – 1890 (wykorzystywał on w swoich badaniach odkryte właśnie metody fotograficzne, naświetlając płyty kolodionowe różnymi rodzajami promieniowania), który odkrył, że substancją odpowiedzialną za to zjawisko jest ozon. Była to jedyna substancja, która ze spektrum promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne w temperaturze 5000 – 6000 K (a taka jest właśnie charakterystyka promieniowania słonecznego docierającego do górnej granicy atmosfery) „wycinała” fragment odpowiadający promieniowaniu UV.

Kolejnym krokiem w badaniach atmosfery, pozornie niezależnym, jednak bardzo istotnym z punktu widzenia późniejszych odkryć, było zidentyfikowanie warstwy atmosferycznej nazwanej stratosferą. W 1902 roku Leon Teisserenc de Bort i Richard Assmann niezależnie odkryli, że temperatura atmosfery zaczyna rosnąć powyżej 10 km od powierzchni Ziemi. Tym samym została odkryta pierwsza oznaka inwersji temperatury, która jest cechą charakterystyczną stratosfery.

Co ciekawe, pierwotnie de Bort obawiał się, że obserwowany wzrost temperatury powstaje w wyniku ogrzewania instrumentów pomiarowych przez promienie słoneczne. Aby to zweryfikować przeprowadził ponad 200 eksperymentów z oprzyrządowanymi balonami wodorowymi, z których znaczna część odbywała się w nocy, w celu wyeliminowania ogrzewania radiacyjnego. Wyniki tych obserwacji potwierdziły pierwotne spostrzeżenia o istnieniu warstwy inwersyjnej.

Kilka lat później, w oparciu o swoje badania de Bort nazwał warstwę między około 10 km a 50 km „stratosferą”, a warstwę poniżej – „troposferą”. Ze względu na obecność inwersji termicznej w stratosferze niemal nie występują turbulencje, a powietrze ma tendencję do układania się w warstwy – stąd właśnie nazwa – stratosfera (po łacinie stratum – warstwa). Nazwa „troposfera” pochodzi od greckiego terminu tropos – zwrot, obrót, który w tym przypadku jest odniesieniem do dużej dynamiki ruchu powietrza, obserwowanej w tej części atmosfery.

Warto też odnotować, iż de Bort i Assmann potwierdzili za pomocą pomiarów instrumentalnych to, że istnieje różnica między promieniowaniem słonecznym mierzonym w górnej atmosferze a tym, które dochodzi do jej niższych warstw. Wywnioskowali na tej podstawie, że to właśnie w tym obszarze atmosfery część promieniowania musi być pochłaniana.

Opisane powyżej odkrycie oznaczało, że w stratosferze musi zachodzić proces, którego skutkiem jest zwiększenie energii cząsteczek powietrza, a tym samym wzrost jego temperatury. Odpowiedzialny za to jest właśnie ozon, pochłaniający promieniowanie UV.

Warstwę ozonową odkryli w 1913 roku francuscy fizycy Charles Fabry i Henri Buisson – pionierzy współczesnych badań spektroskopowych. Z pomocą spektroskopu potwierdzili wcześniejsze hipotezy naukowe, dotyczące roli ozonu w pochłanianiu promieniowania UV, udało im się również oszacować ilość ozonu, który znajduje się w atmosferze. Wyliczyli przy tym, że jeśliby wyodrębnić cały ozon atmosferyczny i sprowadzić go do tak zwanych warunków normalnych (ciśnienie jednej atmosfery, czyli 1013 hPa i temperatura 0 °C) grubość tworzonej przez niego warstwy wyniosłaby zaledwie 3 mm.

Oszacowanie to stało się podstawą dla określenia głównej jednostki stosowanej w badaniach ozonu atmosferycznego – czyli tak zwanej jednostki Dobsona (Dobson Unit – DU). Przyjęto że 1 DU oznacza ilość ozonu, który w warunkach normalnych dałby warstwę o grubości 0,01 mm. Nazwa jednostki – Dobson – pochodzi od nazwiska brytyjskiego uczonego, Gordona M.B. Dobsona, który jako pierwszy prowadził systematyczne pomiary ozonu atmosferycznego.

Źródła:

Stedman D. (1987) Ozone. In: Climatology. Encyclopedia of Earth Science. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/0-387-30749-4_131

John P. Burrows, Ulrich Platt, Peter Borrell, 2011. The Remote Sensing of TroposphericComposition from Space. Physics of Earth and Space Environments. https://beckassets.blob.core.windows.net/product/readingsample/836428/9783642147906_excerpt_001.pdf

Ilustracja tytułowa: Rozkład widmowy promieniowania słonecznego, autor: Robert A. Rohde w ramach projektu Global Warming Art, licencja: GFDL, źródło: Wikimedia Commons, obrazek dostępny tutaj.