Lapisan ozon
Lapisan ozon adalah lapisan di atmosfer pada ketinggian 2035 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 2040 km, dimana 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.