Régebben sokszor hallhattuk: „felmegyünk a hegyekbe, ahol ózondús a levegő.” Vagyishogy: ott fent tiszta, egészséges a környezet. Újabban leginkább az ózonréteg „elvékonyodásáról”, az „ózonlyukról” értesülhetünk, amihez a veszélyérzetet, a fenyegetettséget társítjuk.

Mi is az ózon? Hogyan jön létre? Milyen hatása van egészségünkre és környezetünkre?

Anton Laurent Lavoisier kísérletei alapján már az 1780-as években megállapították a levegő összetételét, és csak 1840-ben fedezte fel Cristian Friedrich Schönbein az oxigénnek ezt a sajátos illatú módosulatát. Megfigyelte, hogy elektromos kisüléskor egy jellegzetes gáz jön létre, amit ózonnak nevezett. A felfedezett gáz elnevezését a görög ozein szótól kölcsönözte, amelynek jelentése ’szagolni’. Már abban az időben megállapították, hogy kis koncentrációban színtelen, és belélegezve frissítően hat az emberre. Ha a levegőben nagyobb töménységben található, akkor kékes színű, és huzamosabb belélegzése irritálja a légzőszerveket. Azt is megfigyelték, hogy agresszíven oxidáló. Abban az időben mesterséges úton még nem tudták előállítani.

Az ózon a Föld felszínétől a felsőbb légrétegekig jelen van. A légtérnek 10–7 térfogatrészét foglalja el.

A levegőben levő stabil oxigénmolekula két atomból áll. Az ózonmolekula pedig három oxigénatom összekapcsolódása. Az erős oxidáló hatása is ezzel magyarázható, mivel könnyen bomlik el stabil O2 molekulára és atomos oxigénre. O3-mal jelöljük, és ma már tudjuk, hogy az ózonmolekula erősen mérgező, vízben jól oldódó, instabil elem, amely három nap felezési idővel bomlik el.

Annak ellenére, hogy az ózon a légkörben levő gázok egymilliomod részénél is kisebb mennyiségben van jelen, jelentőségét bizonyítja, hogy szeptember 16-át az ózon világnapjának nevezték el, és hogy a légköri ózonkutatások eredményei elismeréseként az 1995-ös kémiai Nobel-díjat megosztva Paul Crutzen, Sherwood Rowland és Mario Molina kapta.

Az ózon a légkör két részében, a sztratoszférában és a troposzférában is kimutatható. A sztratoszférában, a Földtől 15–35 km magasságban található a dús ózonréteg, és fontos szerepet tölt be a földi élet védelme szempontjából, mert elnyeli a káros ultraibolya sugarak jelentős részét. A Föld közvetlen közelében, a bioszférában, fotoszintézis következtében oxigén termelődik, és az felemelkedik a magasabb légkörbe. 1,5–2 milliárd évvel ezelőtt a kékalgák elterjedésével az oxigénszegény földi légkör fokozatosan feltöltődik oxigénnel, és ekkor kialakul a légkör mai összetétele.

A Napból 180 és 1900 nm hullámhosszú elektromágneses sugarak érkeznek a Föld légterébe. A 220–320 nm hullámhosszú ibolyántúli sugarainak (UV) hatására az O2 molekula gerjesztődik, majd felbomlik, két egyatomos oxigén szabadgyököt hozva létre, amelyek egyesülnek a kétatomos oxigénmolekulákkal. Az így létrejött háromatomos oxigénmolekula az ózon. A folyamatban megjelenő fölös energiát a semleges nitrogénmolekulák (N2) veszik fel, ezek biztosítják az energiamérleg egyensúlyát. Az ózon elbomlik két- és egyatomos oxigénné. Mivel a napsugarak folyamatosan érkeznek a légkörbe, ez a kémiai reakció folyamatos. Az ózon keletkezése és elbomlása egyensúlyi folyamat, egyidejűleg megy végbe, ezért természetes körülmények között az ózon mennyisége a légkörben állandó.

Az ózonréteg vastagságát először 1929-ben G. M. B. Dobson angol atmoszférakutató egy saját maga készítette fotospektrométerrel határozta meg, amely a Földre érkezett sugarak hullámhosszának mérésén és az elnyelt sugarak nagyságának meghatározásán alapszik. Ma a teljes ózonréteg vastagságának meghatározására a Brewer-spektrométert használják, és a mesterséges műholdakon működő műszerekkel állandó méréseket végeznek. Az ózonréteg vastagságának mértékegysége a dobson, jelölése DU (Dobson Unit). Egy dobson egyenlő a milliméter századrészével, és annak az ózonrétegnek a vastagságát fejezi ki, amelyet akkor kapnánk, ha a légkör egy oszlopából (normál légköri viszonyok mellett, azaz 760 Hgmm nyomáson és 20 ^oC-on) a tengerszinten összenyomnánk az ózonréteget.

A sztratoszférában képződött ózonréteg „elnyeli” az ibolyántúli sugarak legnagyobb részét, megakadályozva ezzel, hogy azok eljussanak az alsóbb rétegekig, a Föld felszínére érjenek. Már 1881-ben optikai mérések alapján Walter N. Hartley kimutatta, hogy a Napból érkező elektromágneses sugarak rövid hullámhosszú sugarai azért nem érkeznek a Földre, mert azokat az ózonréteg „elnyeli”.

Az ibolyántúli sugárzás káros biológiai hatása ismert. Irritálhatja a bőrt, égési sebeket okozhat, megbonthatja a sejtek osztódásáért felelős fehérjemolekulákat, ezért rákkeltő lehet, és a bőrben melanoma, karcinóma alakulhat ki.

A sztratoszféra ózonrétege 90 százalékban elnyeli a Napból érkező ibolyántúli sugarakat, és ezzel játssza a védő szerepét. Erre utal az ózonpajzs elnevezés is, amit gyakran használunk az ózonréteg elnevezés helyett. Az ózon tehát létfontosságú gáz a sztratoszférában, és nemcsak az életvédő hatásáért fontos, hanem lényeges szerepe van a Föld éghajlatának alakításában is. Természetes egyensúly esetében a keletkező és elbomló ózon azonos mennyiségű és eloszlása egyenletes kellene hogy legyen.

Megállapították azonban, hogy a sztratoszférában az ózon eloszlása nem egyenletes. Mivel a napsugarak hatására jön létre, számítások szerint az Egyenlítőnél kellene a legvastagabb legyen, de a mérések eredményei mást mutatnak. Az Egyenlítőtől a sarkok felé haladva az ózonréteg vastagsága nő. A jelenséget a sztratoszféra légáramlásaival lehet magyarázni, és így mint nyomjelző elem szerepet játszik a légköri dinamika tanulmányozásában, a légköri áramlások követésében.

Az ózonréteg vastagsága 290–380 dobson értékek között változik az időjárás és a légköri viszonyok függvényében. A naptevékenység függvényében az ózon koncentrációja szezonálisan változik. A nagyobb napfoltok, kitörések következtében a Föld felé irányuló ibolyántúli sugárzás intenzitása átmenetileg egy nagyságrenddel is nőhet. A napi és évszakos változást igazolja, hogy az ózon egy része éjszaka vagy a sarkvidéki sugárzásszegény téli évszakban hőenergia leadása mellett visszabomlik oxigénmolekulává, így csökken a vastagsága. A poláris örvényben az ózonmennyiség augusztus végén és szeptember elején csökken, októberre stabilizálódik, majd novemberben megint nő. Az előrejelzések szerint a rendkívüli hideg miatt az Északi-sarkvidék feletti ózon fogyatkozására is számítani kell.

Josef C. Farman, miközben légköri kutatásokat végzett, azt tapasztalta, hogy az Antarktisz feletti ózonréteg vékonyabb, mint az eddigi mérési eredmények. Az 1970-es évek elejétől kezdve az ózonréteg vastagságának csökkenése folyamatos volt, és 1980-ban az eredeti vastagság felét tudták mérni. Azt a helyet, ahol az elvékonyodás mértéke elérte az 50 százalékot, „ózonlyuknak” nevezték. A valóságban nem keletkezett „lyuk”, csak az ózonmolekulák nagyméretű ritkulása. 1986-ban a Susan Solomon légköri kutató által szervezett antarktiszi expedíció arra a következtetésre jutott, hogy az ózonréteg elvékonyodása a sztratoszféra alsó határán történik. Többféle elmélet született a jelenség értelmezésére és annak magyarázatára, hogy miért a sarkvidékek, illetve az Antarktisz felett következett be a legdrasztikusabb csökkenés.  A két sarkvidék közötti különbség a nagy eltérést mutató légmozgásban van. Az An-tarktisz felett nyár elejéig tartó légörvény csapdában tartja az oda áramlott levegőt.

A tudomány mai ismereteinek alapján azt a magyarázatot fogadták el az ózonréteg vastagságának csökkenésére, amelyet Mario Molina és Sherwood Rowland 1974-ben dolgozott ki. Az ő elméletük szerint az ózonréteg keletkezésének és elbomlásának természetes egyensúlyát a klór-, flór-, bróm-, szén- és hidrogénvegyületek, azaz a halogénezett szénhidrogének okozzák. Ezeket a kémiailag stabil gázokat 1924-ben Thomas Midley szintetizálta.  Mivel ezek a gázok nagyon olcsón előállíthatók, és nagy nyomás alatt cseppfolyósíthatók, a harmincas évektől kezdve széles ipari felhasználásnak örvendtek. Hűtő- és fagyasztószekrényekben, tűzoltó-készülékekben, légkondicionáló berendezésekben és oldószerekben, festékanyagokban alkalmazták, majd 1940-től freon névvel a könnyűiparban, különböző porlasztókban és szórókban, hajtógázként terjedt el a használata. Az emberi tevékenység következtében a légtérbe került gázok 10–15 év alatt diffundálnak, és feljutnak a felsőbb légrétegig. A halogénszén kémiai kötése nagyon erős, így hosszú ideig maradnak a légtérben, ahol felhalmozódnak. Egy sor légkörkémiai katalitikus folyamat játszódik le, aminek következtében leszakadnak a halogének, és ezek – különösen a klór-szabadgyökök – elbontják az ózonmolekulákat. Például egyetlen klóratom több tízezer ózonmolekulát képes egy bonyolult zárt ciklusos vegyi reakciósor eredményeként elbontani. Az évtizedeken keresztül használt freonok nagyobb ütemben károsították az ózonréteget, mint ahogyan ez képes volt megújulni.

Az ózont romboló szénhidrogének három csoportba oszthatók: „kemény” freonok, „lágy” freonok és halonok. A kemény freonok közül a legismertebbek a CFC-11, CFC-12, CFC-113, CFC-114, CFC-115, ahol a számok az illető vegyület ózoncsökkentő potenciálját jelzik. A lágy freonok a szén-tetraklorid és metilkloroform. A halonokat (1211 és 1301) elsősorban tűzoltó berendezéseknél használták. Ezeknek a vegyületeknek az ózonromboló hatása tízszer nagyobb, mint a kemény freonoké. 1 kg halon 50 tonna ózonmolekulát semmisít meg. Az ózonkárosító anyagok termelése 15 évvel ezelőtt érte el a csúcsot évi kb. 1,4 millió tonna halogénezett szénhidrogén előállításával.

Később tapasztalták, hogy más vegyületek is, mint például a dinitrogén-oxid okozhatják a sztratoszferikus ózon mennyiségének csökkenését.

A legalacsonyabb ózonkoncentrációt, amely csak negyedrésze az eredeti ózonvastagságnak, 1993. október 12-én mérték. Akkor az Antarktisz feletti „ózonlyuk” kiterjedése 29 millió km² volt. A 2004-ben mért értékek az ózonréteg lassú regenerálódására utalnak.

„Ózonlyukat” fedeztek fel Közép-Európa térsége felett is. 2005-ben cseh szakemberek jelezték a felettük levő ózonréteg elvékonyodásának veszélyét, amiről a lakosságot nemcsak tájékoztatták, hanem óvintézkedéseket is javasoltak. Az Európai Űrhivatal 2005. június végére magas ultraibolya sugárzást jósolt Berlin, Frankfurt és Bécs környékére is.

Az Európai Bizottság támogatásával a légköri ózonréteg folytonos elvékonyodásának okait és várható következményeit műholdak segítségével kutatják a tudósok. A műholdról készített speciális felvételek szerint tekintélyes méretű „ózonlyukat” hoztunk létre. Mapscore annak a programnak a neve, amely az ózonréteg méretváltozásának jövőbeli dinamikáját vizsgálja, és vállalja az európai lakosság egészségügyi kockázatának felbecsülését is.

Míg a sztratoszférában az ózon szerepe pozitív, hiszen részben kiszűri a Nap káros ultraibolya sugarait, addig a Föld közelében mérgező gáznak számít, ami elsősorban rendkívül erős oxidáló hatásának tulajdonítható.

A Föld felszínétől mért 8–12 km távolságig terjedő troposzférában, azaz a légkör legalsó rétegében is kimutatták az ózon létezését. Ebben a légrétegben, ahol az élőlények legnagyobb része található, az ózon mint veszélyes gáz jelen van, belégzése komoly egészségkárosodást okozhat.

A Föld felszínére érkező napsugarak hullámhossztartománya széles. Ezeknek a sugaraknak a hatására a levegőben levő nitrogén-dioxidból és oxigénből nitrogén-monoxid és ózon keletkezik. Így a talajközeli ózon mennyisége évi 1–2 százalékkal növekszik.

Napjainkra a légkör alsó rétegében az ózonkoncentráció már a kétszeresére nőtt a száz évvel ezelőttinek.

Az ózon egyik fő alkotórésze a nagyvárosi szmognak. A fotokémiai szmog a napfény és a gépjárművek kipufogógázában található N_xO_y és az illékony szerves vegyületek közrejátszásával lezajló fotokémiai reakciók során keletkezik.

Dick Derwent brit légkörkémikus előrejelzése szerint a legfőbb gondot a városi szmogból származó ózon jelenti majd, amely nagy valószínűséggel állandóvá és szinte globálissá válik. Több kutató megfogalmazta, hogy a földfelszínközeli ózon jelenlétének és a sztratoszferikus ózonréteg elvékonyodásának következményei hasonló módon súlyosak lehetnek.

A légtérbe került csekély mennyiségű ózon jó hatással van a légúti rendszerünk tisztán tartásában, a gyulladásos állapot megelőzésében, hatékony-gyors megszüntetésében (influenza, torokgyulladás stb.).

Az ózon nagyobb koncentrációban irritálja a szemet, a nyálkahártyákat, köhögésre ingerel, csökkenti az oxigénfelvételt, és erős fejfájást vált ki. Hosszú ideig magas ózontartalmú levegőn való tartózkodás légcsőhurutot (bronchitis), fulladást, tüdővizenyőt okozhat, és sok embernél asztmát vált ki. Ezt igazolják azok az epidemiológiai adatok, amelyek feldolgozásából azt a következtetést lehet levonni, hogy azok körében, akik magas ózonkoncentrációjú környezetben élnek, és szabadtéri sportot űznek, nagyobb az asztmás tünetek, a légúti megbetegedések hányada. Szintén a statisztikai felmérésekre alapozva kimutatták, hogy vannak örökletes alapon ózonérzékeny és ózonrezisztens egyének. Ahhoz, hogy megelőzzük a troposzférában levő ózon okozta károsodásokat, megállapítottak egy maximálisan megengedhető koncentrációt, amelyet riadóküszöbnek neveznek, és amelynek értéke 240 ìg/m². Ha a földfelszín közelében mért ózonkoncentráció meghaladja ezt az értéket, akkor nagy valószínűséggel az ott élő emberek egészségére és környezetére negatívan hat.

A szakemberek szerint jelenleg az átlagos ózonkoncentráció 30–50 százalékkal meghaladja azt a szintet, amelyet a növények károsodás nélkül elviselnek. A talajközeli ózon nagyban okolható az erdőpusztulásokért és a mezőgazdasági növények terméshozamának csökkenéséért. A növekvő ultraibolya sugárzás növényi és állati mutációkat hozhat létre, melyeknek előre nem látható következményei lehetnek. A felszínközeli ózonnak a növényekre gyakorolt hatásai között kell említeni a vízciklus lehetséges módosulását, ami hozzájárulhat mind az áradások, mind az aszályok veszélyéhez. Bebizonyosodott, hogy az ózon bizonyos koncentráció felett elhervasztja a növényeket.

Ugyanakkor hasznosítani lehet a növények ózonérzékenységét. A troposzféra ózonkoncentrációjának egyik méréstechnikája az ózon növényekre gyakorolt hatásán alapszik. A dohánynövény erősen érzékeny a levegőben levő ózonra. Az ózon a növény leveleit foltokban megbarnítja, a foltosodás nagysága pedig arányos a levegő ózonterhelésével, így alkalmas az ózon koncentrációjának meghatározására.

Az élettelen környezetre gyakorolt hatásai között megemlíthetjük a gumi mállasztását (öregedését), a festékek és egyéb anyagok roncsolását. Ezek a folyamatok az ózon erős oxidáló hatásának következményei.

Fénymásolás során a képátvitelhez szükséges magas elektromos feszültség hatására is képződik ózon. A fénymásolók ózonkibocsátása függ a gép korától, a fénymásolás gyakoriságától, a helyiség szellőztetésétől és méretétől, ahol a készüléket működtetik. Ma már a modern fénymásolókat ózonszűrőkkel látják el, és gyakori szellőztetéssel csökkenthető a belső tér ózonkoncentrációja.

Ennek a környezetünkben fontos szerepet játszó elemnek a meteorológiában játszott szerepe is kettős lehet. Ennek tisztázása napjaink légköri kutatásának témája. Ez a kettősség a felhőképződésben nyilvánul meg, amely közvetve hozzájárulhat az üvegházhatáshoz.

A brit Rutherford és Appleton laboratóriumban felfedezték, hogy az ózon elpusztítja a levegőben levő szilárd részecskékre adszorbeált szerves molekulákat, ami által lelassul a vízcseppek képződése, a felhők és az eső kialakulása. A kutatók szerint a szilárd részecske méretének megváltozása döntő tényező lehet új felhők kialakulásánál, ami által befolyásolja a Föld napsugárzás-visszaverő képességét.

Láttuk, hogy az ózon – annak függvényében, hogy a légkör magasabb rétegeiben van vagy a Föld felszínének közelében – egyszerre hasznos és káros.

Ezt a háromatomos oxigénmolekulát hasznosítani is lehet. A technika fejlődése lehetővé tette, hogy az ózont iparilag is előállítsák. Erre a célra fejlesztették ki az ozonizátort. A mesterséges úton előállított ózont víz és levegő fertőtlenítésére, csírátlanítására, fehérítésre és különböző fémek oxidációjához használják. Felhasználást nyert az orvostudomány egyes területein is, sérüléseket gyógyítanak ózonnal, mert elősegíti a hámosodást, a pikkelysömör tünetmentesítésénél, herpeszek, bakteriális, gombás és vírusos megbetegedések kezelésénél igen hatásosan alkalmazzák.

A vízben oldott ózon bőrünk önmegújító folyamatát felgyorsítja, anyagcsere-folyamatait tökéletesebbé teszi, segíti a bőr alatti zsírok lebontását, ami által bőrünk rugalmasabb, feszesebb, fiatalosabb lesz.

A sztratoszféra ózonrétegének elvékonyodása okozta negatív hatások elleni védekezés a fokozatos napozás és a napozás időpontjának kiválasztása. Ennek folytán a hám megfelelő sejtrétege 3–5-szörösére megvastagodik, és elzárja az utat a mélyebb rétegeket károsító ibolyántúli sugárzás elől. A napozás korlátozása, különösen délben és vízparton szintén véd a ráktól. Mára már napvédő krémeket állítanak elő, amelyek elnyelik a káros ibolyántúli sugarakat.

Az ózon alkalmazása a tudományok különböző területein ellenőrzött koncentrációban történik. A légköri ózonkoncentrációt nehéz előre jelezni, mert erősen függ az időjárási viszonyoktól, adott időben a helyi körülményektől és a levegő vegyi összetételétől.

Mit tehetünk annak érdekében, hogy megállítsuk a sztratoszferikus ózon mennyiségének csökkenését, és megakadályozzuk a troposzférában koncentrációjának növekedését?

Az ózonréteg védelmét szolgáló nemzetközi összefogás többévi előkészítés után a húsz éve, 1985-ben, Bécsben megkötött egyezmény formájában öltött testet, amelyet 1987-ben az ózonkárosító anyagok korlátozásáról Montrealban aláírt jegyzőkönyv követett. 1987. szeptember 16-án 46 ország írta alá a sztratoszferikus ózonréteg védelmét szolgáló montreali jegyzőkönyvet, és ez a szám mára már több mint 189. Az egyezmény értelmében a csatlakozó országok vállalták, hogy megszüntetik a magas légköri ózont lebontó klórozott vegyületek gyártását, kereskedelmét, használatát. Ezek az országok vállalták az ózonkárosító anyagok felhasználásának radikális csökkentését. Jelentősen visszaszorult a halonok felhasználása; ennek mennyisége 2004-ben 147 tonna volt, szemben az 1999-ben regisztrált 1371 tonnával. A laboratóriumi célú felhasználás is számottevően csökkent.

A környezetvédelem sikeres akcióinak egyike a freontartalmú hajtógázok globális betiltása. Minden remény megvan arra, hogy néhány évtizeden belül helyreáll a természetes egyensúly. Ezt célozzák az ENSZ Európai Gazdasági Bizottsága égisze alatt kötött, a nitrogén-oxidok és az illóanyagok (VOC) kibocsátására vonatkozó nemzetközi egyezmények. A fejlett országok, különösen az Európai Unió tagállamai csak korlátozott mennyiségben engedélyezik az ózont károsító anyagok felhasználását.

Ez az első olyan globális környezetvédelmi megállapodás, amely igazán sikeresnek mondható.

Alabamai kutatók folyamatos mérések alapján arra a megállapításra jutottak, hogy az utóbbi években látványosan lelassult az ózonréteg vékonyodása, ami elsősorban az ózonrétegre káros anyagok kibocsátása mennyiségcsökkenésének köszönhető. Amennyiben az elmúlt évek tendenciája tovább folytatódik, néhány év múlva megállhat az ózonréteg vékonyodása, majd fokozatosan elkezdődhet a regenerálódás, és elképzelhető, hogy ötven év múlva újra teljes épségében védi a Földet a védőpajzsként működő ózonréteg.

A sztratoszféra felső rétegében levő ózonréteg gyorsan javulhat, mivel az a Napból érkező sugaraktól és az oxigénmennyiségtől függ, de a közelünkben levő ózonkoncentrációt csak az ember által alkalmazott, szennyezőktől mentes technológiák csökkenthetik.