Lapisan ozon
Lapisan ozon adalah lapisan di atmosfer pada ketinggian 20−35 km di atas permukaan Bumi yang mengandung molekul-molekul ozon . Konsentrasi ozon di lapisan ini mencapai 10 ppm dan terbentuk akibat pengaruh sinar ultraviolet Matahari terhadap molekul-molekul oksigen. Peristiwa ini telah terjadi sejak berjuta-juta tahun yang lalu, tetapi campuran molekul-molekul nitrogen yang muncul di atmosfer menjaga konsentrasi ozon relatif stabil.
Lapisan ozon ditemukan pada tahun 1913 oleh fisikawan Prancis Charles Fabry dan Henri Buisson. Pengukuran sinar matahari menunjukkan bahwa radiasi yang dikirim keluar dari permukaannya dan mencapai tanah di Bumi biasanya sesuai dengan spektrum benda hitam dengan suhu di kisaran 5'500-6'000 K (5'277 sampai 5'727 °C), kecuali bahwa tidak ada radiasi di bawah panjang gelombang sekitar 310 nm pada akhir spektrum ultraviolet. Disimpulkan bahwa radiasi yang hilang diserap oleh sesuatu di atmosfer. Akhirnya spektrum radiasi yang hilang hanya cocok untuk satu kimiawi, ozon. Sifat-sifatnya dieksplorasi secara rinci oleh ahli meteorologi Inggris G. M. B. Dobson, yang mengembangkan spektrofotometer sederhana (yang dapat digunakan untuk mengukur ozon stratosfer dari tanah. Antara 1928 dan 1958, Dobson mendirikan jaringan stasiun pemantauan ozon di seluruh dunia, yang terus beroperasi sampai hari ini. "Satuan Dobson", ukuran yang mudah digunakan dari bagian teratas ozon, dinamai untuk menghormatinya.
Lapisan ozon menyerap 97 sampai 99 persen frekuensi menengah sinar ultraviolet Matahari (panjang gelombang dari sekitar 200 nm hingga 315 nm), yang sebaliknya berpotensi merusak kehidupan yang terpapar di dekat permukaan.
Majelis Umum Perserikatan Bangsa-Bangsa telah menunjuk 16 September sebagai Hari Internasional untuk Pelestarian Lapisan Ozon.
Mekanisme fotokimia yang memunculkan lapisan ozon ditemukan oleh fisikawan Inggris Sydney Chapman pada tahun 1930. Ozon di stratosfer bumi diciptakan oleh sinar ultraviolet yang mengenai molekul oksigen yang mengandung dua atom oksigen (O), membelah mereka menjadi atom oksigen individu (oksigen atomikn); Oksigen atomik kemudian digabungkan dengan O yang tidak terputus untuk menghasilkan ozon, O. Molekul ozon tidak stabil (walaupun, di stratosfer, berumur panjang) dan ketika sinar ultraviolet menyentuh ozon, ia terbagi menjadi molekul O dan atom oksigen individual, sebuah proses berlanjut yang disebut Siklus ozon-oksigen.
Secara kimia, proses ini bisa digambarkan sebagai berikut:
Sekitar 90 persen ozon di atmosfer terkandung dalam stratosfer. Konsentrasi ozon paling besar antara sekitar 20−40 km, di mana mereka berkisar dari sekitar 2 sampai 8 bagian per juta. Jika semua ozon dikompresi ke tekanan udara di permukaan laut, lapisan ozon akan menjadi hanya setebal .
Meskipun konsentrasi ozon di lapisan ozon sangat kecil, ia sangat penting untuk kehidupan karena menyerap radiasi ultraviolet (UV) yang berbahaya secara biologis, yang berasal dari matahari. UV sangat pendek atau UV vakum (10–100 nm) disaring keluar oleh nitrogen. Radiasi UV yang mampu menembus nitrogen dibagi menjadi tiga kategori, berdasarkan panjang gelombangnya; Ia disebut sebagai UV-A (400–315 nm), UV-B (315–280 nm), dan UV-C (280–100 nm).
UV-C, yang sangat berbahaya bagi semua makhluk hidup, sepenuhnya disaring dengan kombinasi dioksigen (< 200 nm) dan ozon (> sekitar 200 nm) pada ketinggian sekitar . Radiasi UV-B bisa berbahaya bagi kulit dan merupakan penyebab utama terbakarnya kulit oleh sinar matahari (); Paparan berlebihan juga bisa menyebabkan katarak, penekanan sistem kekebalan tubuh, dan kerusakan genetik, sehingga menimbulkan masalah seperti kanker kulit. Lapisan ozon (yang menyerap dari sekitar 200 nm hingga 310 nm dengan penyerapan maksimal sekitar 250 nm) sangat efektif dalam menyaring UV-B; Untuk radiasi dengan panjang gelombang 290 nm, intensitas di puncak atmosfer adalah 350 juta kali lebih kuat daripada di permukaan bumi. Meskipun demikian, beberapa UV-B, terutama pada panjang gelombang terpanjang, mencapai permukaan, dan penting untuk produksi vitamin D kulit.
Ozon transparan untuk kebanyakan UV-A, sehingga sebagian besar radiasi UV panjang gelombang ini mencapai permukaan, dan ini merupakan sebagian besar UV yang sampai ke Bumi. Jenis radiasi UV ini secara signifikan kurang berbahaya bagi DNA, walaupun mungkin berpotensi menyebabkan kerusakan fisik, penuaan dini pada kulit, kerusakan genetik tidak langsung, dan kanker kulit.
Ketebalan lapisan ozon—yaitu jumlah ozon dalam kolom di atas kepala—bervariasi oleh faktor besar di seluruh dunia, yang pada umumnya lebih kecil di dekat khatulistiwa dan lebih besar ke arah kutub. Ketebalan ini juga bervariasi dengan musim, pada umumnya lebih tebal selama musim semi dan lebih tipis selama musim gugur. Alasan terhadap lintang dan ketergantungan musim ini sulit untuk dijelaskan, yang melibatkan pola sirkulasi atmosfer serta intensitas matahari.
Karena ozon stratosfer diproduksi oleh radiasi UV matahari, orang mungkin berharap untuk menemukan tingkat ozon tertinggi di daerah tropis dan yang paling rendah di daerah kutub. Argumen yang sama akan membuat seseorang memperkirakan tingkat ozon tertinggi di musim panas dan terendah di musim dingin. Perilaku yang diamati sangat berbeda: sebagian besar ozon ditemukan di lintang tengah ke atas belahan utara dan selatan, dan tingkat tertinggi ditemukan di musim semi, bukan musim panas, dan terendah di musim gugur, bukan musim dingin Di belahan bumi utara. Selama musim dingin, lapisan ozon benar-benar meningkat secara mendalam. Teka-teki ini dijelaskan oleh pola angin stratosfer yang berlaku, yang dikenal sebagai sirkulasi Brewer-Dobson. Sementara sebagian besar ozon memang tercipta di daerah tropis, sirkulasi stratosfer kemudian mengangkutnya ke kutub dan ke bawah menuju stratosfer bawah lintang tinggi. Namun, karena fenomena lubang ozon, jumlah kolom ozon terendah yang ditemukan di seluruh dunia berada di atas Antartika pada musim semi selatan bulan September dan Oktober dan pada tingkat yang lebih rendah di atas Arktik di musim semi utara dari bulan Maret, April, dan Mei.
Lapisan ozon lebih tinggi di dataran tinggi di daerah tropis, dan berada di ketinggian di bawah daerah tropis, terutama di daerah kutub. Variasi ketinggian ozon ini berasal dari sirkulasi lambat yang mengangkat udara miskin ozon keluar dari troposfer ke stratosfer. Karena udara ini perlahan naik di daerah tropis, ozon diproduksi saat matahari di atas memfotolisis molekul oksigen. Karena tingkat sirkulasi yang lambat ini mengalir dan mengalir ke garis lintang tengah, ia membawa udara kaya ozon dari stratosfer tengah tropis ke stratosfer bawah dan lintang atas yang tinggi. Konsentrasi ozon tinggi pada lintang tinggi disebabkan oleh akumulasi ozon di dataran rendah.
Sirkulasi Brewer-Dobson bergerak sangat lambat. Waktu yang diperlukan untuk mengangkat paket udara sebesar 1 km di stratosfer tropis yang lebih rendah adalah sekitar 2 bulan (18 m per hari). Namun, transportasi menuju kutub horizontal di stratosfer bawah jauh lebih cepat dan mencapai sekitar 100 km per hari di belahan bumi utara sementara hanya setengahnya di belahan bumi bagian selatan. (~51 km per hari). Meskipun ozon di stratosfer tropis rendah diproduksi pada tingkat yang sangat lambat, sirkulasi pengangkatannya sangat lambat sehingga ozon dapat terbentuk hingga tingkat yang relatif tinggi pada saat mencapai .
Jumlah ozon di atas daratan Amerika Serikat (25° LU sampai 49° LU) tertinggi di musim semi utara (April dan Mei). Jumlah ozon ini jatuh sepanjang musim panas ke jumlah terendah pada bulan Oktober, dan kemudian naik kembali sepanjang musim dingin. Sekali lagi, pengangkutan ozon oleh angin terutama bertanggung jawab atas perubahan musiman dari pola ozon lintang yang lebih tinggi ini.
Jumlah kolom ozon total umumnya meningkat saat kita bergerak dari daerah tropis ke lintang yang lebih tinggi di kedua belahan Bumi. Namun, jumlah kolom keseluruhan lebih besar di belahan bumi utara yang memiliki garis lintang tinggi daripada di garis lintang selatan yang tinggi. Sebagai tambahan, sementara jumlah ozon kolom tertinggi di Kutub Utara terjadi di musim semi utara (Maret-April), sebaliknya terjadi di Antartika, di mana jumlah kolom ozon terendah terjadi di musim semi selatan (September-Oktober).
Lapisan ozon dapat dirusak dengan katalis radikal bebas, termasuk nitrat oksida (NO), dinitrogen oksida (NO), hidroksil (OH), atom klorin (Cl), dan atom bromin (Br). Meskipun ada sumber alami untuk semua spesi ini, konsentrasi klorin dan bromin meningkat tajam dalam beberapa dekade terakhir karena pelepasan sejumlah besar senyawa buatan organohalogen, terutama klorofluorokarbon (CFC) dan bromofluorokarbon. Senyawa yang sangat stabil ini mampu bertahan naik ke stratosfer, di mana Cl dan Br radikal terbebaskan oleh aksi sinar ultraviolet. Setiap radikal kemudian bebas untuk memulai dan mengkatalisis reaksi berantai yang mampu menghancurkan lebih dari 100,000 molekul ozon. Pada tahun 2009, dinitrogen oksida adalah bahan perusak ozon (; ODS) terbesar yang dipancarkan melalui aktivitas manusia.
Pemecahan ozon di stratosfer menyebabkan berkurangnya penyerapan radiasi ultraviolet. Akibatnya, radiasi ultraviolet yang tidak terserap dan berbahaya mampu mencapai permukaan bumi dengan intensitas yang lebih tinggi. Tingkat ozon telah turun rata-rata di seluruh dunia sekitar 4 persen sejak akhir 1970-an. Untuk sekitar 5 persen permukaan bumi, di sekitar kutub utara dan selatan, penurunan musiman yang jauh lebih besar telah terlihat, dan digambarkan sebagai "lubang ozon". Penemuan penipisan ozon tahunan di atas Antartika pertama kali diumumkan oleh Joe Farman, Brian Gardiner dan Jonathan Shanklin, dalam sebuah makalah yang terbit di "Nature" Pada tanggal 16 Mei 1985.
Ozon adalah gas beracun sehingga bila berada dekat permukaan tanah akan berbahaya bila terhisap dan dapat merusak paru-paru. Sebaliknya, lapisan ozon di atmosfer melindungi kehidupan di Bumi karena ia melindunginya dari radiasi sinar ultraviolet yang dapat menyebabkan kanker. Oleh karena itu, para ilmuwan sangat khawatir ketika mereka menemukan bahwa bahan kimia klorofluorokarbon (CFC) yang biasa digunakan sebagai media pendingin dan gas pendorong spray aerosol, memberikan ancaman terhadap lapisan ini. Bila dilepas ke atmosfer, zat yang mengandung klorin ini akan dipecah oleh sinar Matahari yang menyebabkan klorin dapat bereaksi dan menghancurkan molekul-molekul ozon. Setiap satu molekul CFC mampu menghancurkan hingga 100.000 molekul ozon. Oleh karena itu, penggunaan CFC dalam aerosol dilarang di Amerika Serikat dan negara-negara lain di dunia. Bahan-bahan kimia lain seperti bromin halokarbon, dan juga nitrogen oksida dari pupuk, juga dapat menyerang lapisan ozon.
Menipisnya lapisan ozon dalam atmosfer bagian atas diperkirakan menjadi penyebab meningkatnya penyakit kanker kulit dan katarak pada manusia, merusak tanaman pangan tertentu, memengaruhi plankton yang akan berakibat pada rantai makanan di laut, dan meningkatnya karbon dioksida (lihat pemanasan global) akibat berkurangnya tanaman dan plankton. Sebaliknya, terlalu banyak ozon di bagian bawah atmosfer membantu terjadinya kabut campur asap, yang berkaitan dengan iritasi saluran pernapasan dan penyakit pernapasan akut bagi mereka yang menderita masalah kardiopulmoner.
Pada awal tahun 1980-an, para peneliti yang bekerja di Antartika mendeteksi hilangnya ozon secara periodik di atas benua tersebut. Keadaan yang dinamakan lubang ozon (suatu area ozon tipis pada lapisan ozon) ini, terbentuk saat musim semi di Antartika dan berlanjut selama beberapa bulan sebelum menebal kembali. Studi-studi yang dilakukan dengan balon pada ketinggian tinggi dan satelit-satelit cuaca menunjukkan bahwa persentase ozon secara keseluruhan di Antartika sebenarnya terus menurun. Penerbangan-penerbangan yang dilakukan untuk meneliti hal ini juga memberikan hasil yang sama.
Pada tahun 1987, ditandatangani Protokol Montreal, suatu perjanjian untuk perlindungan terhadap lapisan ozon. Protokol ini kemudian diratifikasi oleh 36 negara termasuk Amerika Serikat. Pelarangan total terhadap penggunaan CFC sejak 1990 diusulkan oleh Komunitas Eropa (sekarang Uni Eropa) pada tahun 1989, yang juga disetujui oleh Presiden AS George Bush. Pada Desember 1995, lebih dari 100 negara setuju untuk secara bertahap menghentikan produksi pestisida metil bromida di negara-negara maju. Bahan ini diperkirakan dapat menyebabkan pengurangan lapisan ozon hingga 15 persen pada tahun 2000. CFC tidak diproduksi lagi di negara maju pada akhir tahun 1995 dan dihentikan secara bertahap di negara berkembang hingga tahun 2010. Hidroklorofluorokarbon atau HCFC, yang lebih sedikit menyebabkan kerusakan lapisan ozon bila dibandingkan CFC, digunakan sementara sebagai pengganti CFC, hingga 2020 pada negara maju dan 2016 di negara berkembang.
Untuk memonitor berkurangnya ozon secara global, pada tahun 1991, "National Aeronautics and Space Administration" (NASA) meluncurkan Satelit Peneliti Atmosfer. Satelit dengan berat 7 ton ini mengorbit pada ketinggian 600 km (372 mil) untuk mengukur variasi ozon pada berbagai ketinggian dan menyediakan gambaran jelas pertama tentang kimiawi atmosfer di atas.