Vě(d)ci mezi nebem a zemí: Překvapivá role polárních stratosférických mraků v úbytku ozónu

V lednu zemřel Paul Crutzen z trojice laureátů Nobelovy ceny za objasňování úbytku ozónové vrstvy. Setkával jsem se s ním při pobytu v Mainzu na Ústavu Maxe Plancka pro chemii na začátku 90-tek, kam jsem se snažil vyjet po 10 let.

V lednu zemřel Paul Crutzen z trojice laureátů Nobelovy ceny za objasňování úbytku ozónové vrstvy. Setkával jsem se s ním při svém pobytu v Mainzu neboli Mohuči na Ústavu Maxe Plancka pro chemii na začátku devadesátek. Přes nějakých 10 let jsem se snažil vyjet na Humboldtovo stipendium, ale doba tomu nepřála. Tedy hlavně tomu nepřál můj OUD (Osobní UDavač). A tak jsem do Mainzu mohl vyrazit až zkraje r. 1990. V Praze jsem měl podmínky pro prácí takové, jaké jsem měl, a tak jsem měl v zásobě řadu rozpracovaných problémů, které dokončím, až se jednou dostanu na výkonný počítač. Byly to problémy ze dvou zdánlivě odlehlých oblastí - sloučeniny významné v atmosférách Země a planet, a uhlíkaté agregáty (významné v mezihvězdném prostoru, třeba v okolí uhlíkatých hvězd). Z mého pohledu je ale integrovalo, že v obou případech mohlo jít o směsi izomerů. Uhlíkaté agregáty studoval již za války Otto Hahn, jinak i ředitel Ústavu císaře Viléma pro chemii, což je historický předchůdce ústavu v Mainzu, a Paul Crutzen tam pak šéfoval atmosférické chemii. Paul byl Holanďan a jako většina Holanďanů byl relaxovaný a liberální, měl dar jednat s každým jako se sobě rovným. V mých očích ztělesňoval myšlenku ruského nobelisty P. L. Kapicy: Skutečně velký učenec snad ani nemůže být špatný člověk. Totéž v mých očích platilo třeba i o Harry Krotovi (1939-2016, jeden z Nobelistů v r. 1996 za fullereny, úředně Harold), který vlastně pokračoval v tom, co začal už Otto Hahn, až to nakonec vedlo k fullerenům. Na německých akademických institucích naopak normálně existuje Ordnung, což je krycí jméno pro subordinaci. Dobře to ilustruje historka, kterou jsem slyšel od jednoho Číňana, který přijel na stáž na jeden německý univerzitní ústav organické chemie. Laboratoř byla v přízemí, Herr Professor seděl v patře. U přiležitosti Číňanova příjezdu jednou, jedinkrát zašel do laboratoře v přízemí. A spolupracovníci z laboratoře pak Číňana informovali, že to bylo historicky poprvé, co pamatují, že Herr Professor do laboratoře vstoupil. Paul nám nadhodil několik molekul, co považoval za atmosféricky zajímavé jako třeba dimér ozónu, neb ozónová vrstva byla jeho hlavním objektem zájmu. Vedle toho došlo i na sloučeniny významné pro skleníkový jev, což tehdy spíš teprve nastupovalo:

[více na: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1029/2007JD009148 ], a taky na atmosféru Halleyovy komety. U ní šlo o to rozhodnout, zda co se vidělo v hmotových spektrech je dimér vody nebo molekula C3 – obě mají prakticky stejnou hmotu. A ovšem též došlo na větší uhlíkaté agregáty, tehdy čerstvě pojmenované jako fullereny, a do té doby nevídanou možnost zajet na konferenci v Kostnici:

[více na: https://link.springer.com/article/10.1007/BF02911847 ].

Leč zpět k ozónu, ozónovému plášti, ozónové díře. Ozón je rozptýlen v atmosféře poněkud výše, než kde létají trysková dopravní letadla, v poměrně širokém pruhu ve stratosféře s maximem někde kolem výšky 25 km. Pokud bychom veškerý ozón sebrali a snesli na zemský povrch, stlačili na 1 atm a ohřáli na bod mrazu (ohřáli, neb ve stratosféře je tak -50°C nebo i míň) tak dostaneme vrstvu tenkou 3 mm. Pokud se spiknou všechny nepříznivé vlivy, bude ta vrstva jenom 1mm. S tímto průhledným modrým voňavým filmem stojí a padá prakticky všechen pozemský život. Tato vrstva filtruje ultrafialovou složku slunečního záření na úroveň, kterou naše kůže snese. S každým procentem, o které se ozónová vrstva zeslabí, se předpokládá zvýšení výskytu rakoviny kůže o 2-4%. Sledovat změny v koncentraci ozónu je zcela mimo možnosti našich smyslů. Kdybychom se opírali jenom o ně, tak bychom blížící se katastrofu zaznamenali až ve chvíli, kdy už by bylo na všechno pozdě. Za to, že se tak nestalo, vděčí lidstvo jen a pouze existenci periodicky zatracovaného a omezovaného základního výzkumu. A náhodě, která do určité míry rozhoduje, kam se zaměří pozornost badatelů.

Dnes ale existuje přesvědčení, že už rozumíme všem základním aspektům tohoto problému. Za objasnění fundamentálních otázek kolem bilance atmosférického ozónu byla Nobelova cena za chemii v r. 1995 udělena Paulu Crutzenovi (1933–2021) z Ústavu Maxe Plancka pro chemii v Mainzu, Mario Molinovi (1943-2020) z Massachusettské techniky, a Sherwoodu Rowlandovi (1927-2012) z Kalifornské univerzity v Irvinu.

Jak už řečeno, Paul Crutzen byl původem Holanďan, a meteorologii studoval ve Stockholmu, kde také již v r. 1970 upozornil, že kysličníky dusíku umožňují sestavit cyklus, ve kterém dochází k rozkladu ozónu. Tehdy to ovšem byla dost akademická otázka. Navíc si čtenář asi povšiml, že zatím není řeč o notoricky známém chlóru; na ten dojde později. I v atmosféře (nebo právě v atmosféře s jejími mocnými cirkulacemi) vše se vším souvisí. Matka příroda má jeden kanál, kterým ozón připravuje, a tři kanály, kterými ho odbourává. Ty zbývající dva pracují buď s aktivními částicemi odvozenými od vody, nebo s atomy chlóru. Dokud do toho člověk nešťoural, tak se produkce a rozpad vykompenzovaly v poměrně stabilní rovnováze. Pak ale průmyslová činnost začala posilovat ten poslední, chlorový rozpadový kanál.

Ti druzí dva laureáti z roku 1995 zveřejnili své varování pak v r. 1974. Mario Molina a Sherwood Rowland tehdy předpověděli, že ten kanál pracující s chlórem může být posílen v důsledku rozkladu průmyslově využívaných (a posléze volně vypouštěných) chlorovaných uhlovodíků (vedle chlóru mohou obsahovat též fluór nebo i brom, brom je podobně aktivní jako chlór). Tyto sloučeniny sloužily ledaskde - ve sprejích, v chladících zářízeních, při výrobě plastových pěn, při čištění mikroelektronických komponent, v hasicích přístrojích, atd. Výzkumy ukázaly, že k jejich rozkladu může docházet účinkem ultrafialového záření ve vyšších vrstvách atmosféry, a to do té míry, že po několika desetiletích se to projeví citelným zeslabením ozónového pláště (tehdejší odhad byl o 7 až 13%). Byl v tom kus ironie, protože tyto sloučeniny se rutinně považovaly za stabilní, ale stabilní byly při zemském povrchu, kde je právě chránila ozónová vrstva. S jejich postupným výstupem do stratosféry byla jejich stabilita ztracena. Toto studium vzbudilo pozornost, bylo však zpočátku podceněno průmyslovou sférou. Ovšem - zastavit rozjetou výrobu znamenalo investice do výzkumu náhrad, a pak investice do jejich výroby. Avšak Molina a Rowland, stejně jako Crutzen, věděli dobře, co jejich předpovědi znamenají, a popularizovali je prostřednictvím akademických kanálů. Toto úsilí postupně přinášelo ovoce, a nakonec vedlo až k podpisu Montrealského protokolu.

Už jsme zmínili, že svou (pozitivní) roli sehrála náhoda. Mario Molina čerstvě ukončil PhD a přišel do Rowlandovy laboratoře. V té době to byla laboratoř čistě radiochemická, podporovaná Americkou komisí pro atomovou energii. Sherwood Rowland si z čiré zvídavosti položil otázku, jaký je osud fluorochlorouhlovodíků v atmosféře. Ta neměla s radiochemií moc společného, a Atomová komise se mohla docela dobře ohradit, že takové plýtvání svými prostředky podporovat nebude. Mohla se záštitít svou zakládací listinou, kde je černé na bílem, čím se obírat má, a čím ne. Naštěstí to neudělala. A naštěstí Mario Molina se nerozhodl pro některý z běžících radiochemických problémů, nýbrž dál přednost projektu úplně novému. Tyto kroky je oba po dvaceti letech, stejně jako Crutzena, přivedly do Stockholmu.

Predtím však všichni tři laureáti sehráli substanciální úlohu při vysvětlení zapeklitého problému ozónové díry. V průběhu osmdesátých let opakovaná měření totiž prokázala existenci nového jevu. Nikoliv jenom oslabení ozónové vrstvy, ale její tak pronikavou redukci, že se začalo hovořit o ozónové díře. Tento jev tehdejší modely ještě nedokázaly ani dost málo vysvětlit. Dnes je už vysvětlení známo. Pod ozónovou dírou se rozumí náhlý pokles koncentrace ozónu až na 1/3 v oblasti nad Antarktidou, periodicky se opakující vždy v říjnu, tedy ku konci tamní polární noci. Predevším bylo třeba zodpovědět otázku, proč se ta díra (zatím) objevuje jen nad takovou pustinou jako je oblast kolem jižního pólu (ale o rozloze asi tak Severní Ameriky), a proč si k tomu volí výlučně říjen každého roku. Zjevně byl pominut nějaký kanál pro rozklad ozónu, který se za daných podmínek stává důležitým. Pro pochopení tohoto nového faktoru je nejprve třeba zmínit tzv. rezervoárové sloučeniny. Po rozpadu chlorovaných uhlovodíků totiž chlór nezbytně nebloudí atmosférou jako volný atom. Část chlóru je uložena v poměrně stabilních sloučeninách, kde je vpostatě neaktivní. Nejvýznamnějším reprezentantem je molekula ClONO2, nitrát chlóru. Zde se stýká chlorový a dusíkový cyklus. Leč rozklad této molekuly může být mnohonásobně urychlen kontaktem s vhodnými aktivujícími povrchy. Jde o příklad katalýzy, která je dnes celkem běžným pojmem zásluhou automobilových katalyzátorů. Nebylo však dvakrát jasné, kde by se mohl vzít takový katalyzátor v atmosféře.

Dnes už víme, že takovýto aktivní povrch nabízí ledové částice v tzv. polárních stratosférických mracích. Jejich vznik předpokládá dostatečně nízkou teplotu, a té je dosaženo až ke konci jižní polární zimy (v oblasti severního pólu je led v kontaktu s oceánem a ne pevninou, a proto k dostatečně hlubokému podchlazení zpravidla nedochází). Význačnou složkou těchto mraků je kyselina dusičná, takže povrchy jsou kyselé. Tato kyselá katalýza způsobí vehementní rozklad oné rezervoárové sloučeniny ClONO2, ve které obsaženy chlór by jinak měl být mimo hru. Zásluhou stratosférických mraků však trvale stabilní není, a s koncem polární zimy se poměry zvrtnou až do dočasné ozónové díry. Ale tou dobou již stratosféru nad Antarktidou začíná zahřívat Slunce, stratosférické mraky se vypaří , a ozónová díra se zacelí .

Sloučeniny chlóru však nejsou jediným nebezpečím pro ozón. Jiné ohrožení ozónové vrstvy představuje letecký provoz ve stratosféře. Ten je zatím velmi omezený, ale věci by se mohly změnit. Letecké motory do stratosféry zavádějí vodní páru a kysličníky dusíku, tedy komponenty stratosférických mraků, a též participanty druhých dvou kanálu  pro rozklad ozónu. Samozřejmě též kysličník uhličitý, ale ten není v tomto ohledu podstatný. Zatím se létá hlavně pod stratosférou. Ale výpočty Paula Crutzena a spolupracovníků ukázaly, že masivnější letecký provoz ve výškách kolem 20 km by umožnil tvorbu stratosférických mraků i na severu. Letecký průmysl by se proto měl snažit   optimalizovat režim budoucí generace motorů vzhledem k produkci kysličníků dusíku. Změněné ekonomické relace totiž činí tento typ dopravy opět aktuální. (Vedle toho mimochodem existuje i experimentální projekt letounu poháněného čistě solárními články.) Regule Nobelovy ceny připouštějí ocenit nejvýše trojici. Nicméně je třeba zmínit též Harolda Johnstona (1920-2012), který už v r. 1971 formuloval tento problém ohrožení ozónové vrstvy leteckým provozem ve stratosféře.

Vysvětlení mechanismu oslabování ozónového pláště a vzniku ozónové díry jsou výsledkem základního výzkumu. Jenom výzkumná sféra mohla přinést varování o závažném narůstajícím problému ve stratosféře. Svým způsobem to jasně odpovídá na otázku, k čemu je ten základní výzkum vlastně dobrý. V daném případě mohlo být v sázce samo přežití lidstva.

Foto u perexu: Polární stratosférický mrak.

VII. díl seriálu: 666@Sky - Je naprosto nezbytné, aby nebe bylo blankytné
[blankyt:666THz]
VIII. díl seriálu: https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=771909
VI. díl seriálu: https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=763460

This work is licensed under CC BY-NC-ND 4.0