מגן של מולקולות נדירות
רוב החמצן שבאוויר הוא שני אטומים שמחוברים יחד, O₂. גבוה מעל מזג האוויר, בסטרטוספירה, חלק קטן ממנו בא בשלשות: אוזון, O₃. אף פעם אין ממנו הרבה. גם במקום שבו הוא צפוף ביותר, בגובה של כ־20 עד 25 km, רק כמה מולקולות מכל מיליון הן אוזון. אילו יכולתם להוריד את כל האוזון שמעל ראשכם אל הקרקע ולדחוס אותו ללחץ של פני הים, הוא היה יוצר שכבה בעובי של כ־3 mm בלבד.
מדענים מודדים אוזון בדיוק כך. יחידת דובסון (DU) אחת היא מאית המילימטר מהשכבה הדחוסה הזאת, ולכן עמודה טיפוסית של 300 DU היא 3 mm. המעטפת הזוהרת בסצנה מייצגת אותה: גבוהה ובהירה יותר במקום שיש מעליו יותר אוזון, נמוכה וחיוורת יותר במקום שיש פחות. היא הדקה ביותר מעל האזור הטרופי, כ־260 DU, והעבה ביותר מעל קווי רוחב גבוהים באביב שלהם, שם רוחות גבוהות בסטרטוספירה צוברות אוזון שנוצר מעל קו המשווה.
נסו: בחרו דצמבר תחת חודש והסתכלו סביב כדור הארץ. המעטפת נמוכה ביותר מעל קו המשווה ותופחת לכיוון קווי הרוחב הגבוהים, עם צווארון עבה סביב אנטארקטיקה.
מה האוזון עוצר
באור השמש יש אור אולטרה־סגול, שאורכי הגל שלו קצרים מהסגול שהעין רואה. הקצר שבהם, UV-C, יכול לפרק את המולקולות שמהן בנויים תאים חיים. חמצן רגיל עוצר את הקצר ביותר ממנו גבוה למעלה, ובדרך הוא יוצר אוזון: פוטון של UV-C מפרק מולקולת O₂ לשני אטומי חמצן, וכל אטום מצטרף למולקולת O₂ אחרת ויוצר O₃.
אחר כך האוזון בולע אור אולטרה־סגול בתחום רחב יותר: את כל שאר ה־UV-C ואת רוב ה־UV-B, האור שגורם לכוויות שמש, לסרטן העור ולירוד, ופוגע ביבולים ובפלנקטון. בכל פעם שזה קורה המולקולה מתפרקת ל־O₂ ולאטום חמצן משוחרר, והשניים מתחברים שוב עד מהרה. שום דבר לא מתבזבז; האנרגיה של האור נשארת כחום, וזה מה שמחמם את הסטרטוספירה. ה־UV-A, שאורך הגל שלו ארוך יותר, עובר דרך האוזון כמעט בלי פגע.
נסו: בחרו מולקולות תחת התקרבות למולקולות. חבילת אוויר מעל אנטארקטיקה נפתחת ליד כדור הארץ. פוטונים סגולים מגיעים מכיוון השמש; מולקולת אוזון שהם פוגעים בה מתפרקת בהבזק כתום של חום, ונבנית מחדש עד מהרה.
מכיוון שהמגן דק כל כך, גם מעט אוזון משנה הרבה. כל אחוז אחד פחות של אוזון מעביר בערך 1.2% יותר קרינה אולטרה־סגולה שגורמת לכוויות.
כלור, זרז
בסביבות 1930 המציאו כימאים את הפחמנים הכלורו־פלואוריים, ה־CFC: מולקולות של פחמן, כלור ופלואור שאינן בוערות, אינן רעילות וכמעט אינן מגיבות עם שום דבר. הן הפכו לגז שבמקררים ובמזגנים, לדחף שבתרסיסים ולבועות שבקצף. מכיוון שהן אדישות כל כך, הן לא נשטפות בגשם ולא מתפרקות באוויר התחתון. במשך שנים הן מטפסות אל הסטרטוספירה, ושם קרינה אולטרה־סגולה קשה מפרקת אותן סוף־סוף ומשחררת את הכלור שבהן.
אטום כלור חופשי הוא זרז להרס אוזון. הוא שולף אטום אחד ממולקולת אוזון, ומשאיר O₂ וחד־תחמוצת הכלור, ClO. אחר כך ה־ClO מאבד שוב את אטום החמצן שלו, בסטרטוספירה הפתוחה לאטום חמצן משוחרר, ואטום הכלור חופשי שוב, בלי שינוי. כל לולאה הופכת אוזון ואטומי חמצן ל־O₂ רגיל. אטום כלור אחד יכול לעבור את הלולאה אלפים רבים של פעמים לפני שהוא נקשר במולקולה לא מזיקה, כמו מימן כלורי.
ב־1974 הבינו מריו מולינה ושרווד רולנד שה־CFC יובילו כלור אל שכבת האוזון בדרך הזאת וידללו אותה לאט. על כך חלקו ב־1995 פרס נובל עם פאול קרוצן, שהראה שגם תחמוצות חנקן יכולות לעשות את אותו הדבר.
למה חור, ולמה מעל אנטארקטיקה
ההלם האמיתי הגיע ב־1985, כשג׳ו פרמן, בריאן גרדינר וג׳ונתן שנקלין מהסקר האנטארקטי הבריטי דיווחו שהאוזון מעל התחנה שלהם בהאלי יורד בכל אוקטובר כבר שנים, בשליש. זה היה מהר הרבה יותר ממה שמישהו חזה. לוויינים הראו עד מהרה שהדלדול מכסה את כל היבשת. הוא נקרא חור האוזון, והיום הוא מוגדר ככל המקומות שבהם העמודה יורדת מתחת ל־220 DU.
הסיבה היא החורף האנטארקטי. בלילה הקוטבי טבעת של רוחות מערביות חזקות, המערבולת הקוטבית, סוגרת את האוויר שמעל היבשת משאר העולם, והוא מתקרר יותר מכל מקום אחר באטמוספירה, מתחת ל־−78 °C. אז נוצרים בסטרטוספירה עננים דקים של קרח ושל חומצה חנקתית קפואה: עננים סטרטוספיריים קוטביים, שזוהרים בצבעי אם הפנינה בדמדומים. על פני החלקיקים שלהם הצורות הלא מזיקות של הכלור מגיבות זו עם זו והופכות לגז כלור, Cl₂.
בחושך ה־Cl₂ פשוט ממתין. כשהשמש חוזרת בסוף אוגוסט ובספטמבר, האור שלה מפרק את ה־Cl₂ לאטומי כלור, ומכיוון שכל כך הרבה ממנו משתחרר בבת אחת, השרשרת רצה מהר. כאן יש מעט מדי אטומי חמצן משוחררים, ולכן שתי מולקולות ClO מתחברות ל־ClOOCl, ואור השמש מפרק אותה שוב לשני אטומי כלור ול־O₂. בתוך שבועות ספורים כמעט כל האוזון שבין כ־14 ל־21 km נעלם. בנובמבר או בדצמבר המערבולת מתפרקת, אוויר עשיר באוזון מקווי רוחב נמוכים יותר זורם פנימה, והחור נסגר עד האביב הבא.
נסו: עברו בחודש מיוני עד דצמבר. ביוני הקוטב שרוי בחושך מתחת לעננים בצבעי פנינה, ועדיין לא קורה דבר. בספטמבר ובאוקטובר המעטפת שוקעת בתוך הקו הענברי, והקו בתרשים צונח; בדצמבר הוא נעלם. בחרו מולקולות תחת התקרבות למולקולות ביוני, ואחר כך באוקטובר, כדי לראות את הכלור ממתין ליד הקרח ואחר כך עובד.
גם לאזור הארקטי יש מערבולת, אבל היא חמה יותר ולעתים קרובות יותר מופרעת ברוחות מהדרום, ולכן היא רק לעתים רחוקות מתקררת מספיק לזמן מספיק. ברוב השנים אובדן האוזון שם קטן בהרבה; רק באביבים קרים במיוחד, כמו ב־2011 וב־2020, הוא התקרב לחור אנטארקטי.
כמה כלור צריך
לפני ה־CFC, הכלור הטבעי בסטרטוספירה, בעיקר מכלורומתאן שהים וצמחים בוערים פולטים, היה כ־0.6 חלקים למיליארד (ppb). זה מעט מדי כדי לפתוח חור, גם כשהעננים משחררים אותו. גזים מעשה ידי אדם הביאו אותו לכ־2.5 ppb עד 1980, בדיוק כשהחור התחיל להופיע, ולשיא של כ־3.7 ppb בסוף שנות ה־90.
נסו: בחרו לפני ה־CFC, אחר כך 1980, ואחר כך השיא, סוף שנות ה־90 תחת כלור בסטרטוספירה, כשהחודש על אוקטובר. החור מעמיק מכלום, והשורות שמתחת לתרשים מראות שהקרינה האולטרה־סגולה השורפת מתחתיו עולה לפי כמה מרמתה הטבעית.
החור לא יכול לגדול הרבה מעבר לשולי המערבולת, ולכן מעבר לנקודה מסוימת עוד כלור בעיקר מעמיק אותו. במקומות אחרים האובדן איטי, אבל הוא מצטבר: בשיא, האוזון שבין 60° דרום ל־60° צפון היה דק בכמה אחוזים מבעבר.
התיקון
ב־1987 הסכים העולם על פרוטוקול מונטריאול להוצאת ה־CFC משימוש, ומאוחר יותר הוא הוחמר ואסר כמעט כל גז שמוביל כלור או ברום אל הסטרטוספירה. זו הייתה האמנה הראשונה של האו״ם שאושררה בידי כל מדינות העולם. הכלור הפסיק לעלות בסוף שנות ה־90 ויורד לאט, כי ה־CFC נשארים באוויר עשרות שנים. החור האנטארקטי צפוי להצטמק בחזרה לגודלו ב־1980 בסביבות שנות ה־60 של המאה הזאת, והאוזון במקומות אחרים להתאושש מוקדם יותר.
נסו: בחרו בלי איסור (מה אילו). זו הערכה גסה של המקום שאליו הכלור היה מגיע אילו לא נעשה דבר: החור מעמיק מאוד, והאוזון בכל שאר העולם מתדלדל פי כמה ממה שאי פעם התדלדל.
לתיקון הייתה תועלת נוספת. ה־CFC הם גם גזי חממה חזקים, ולכן האיסור האט גם את שינוי האקלים. חלק מהתחליפים שלהם, ה־HFC, אינם מכילים כלור ואינם פוגעים באוזון, אבל לוכדים חום בעוצמה; תיקון שהוסכם ב־2016 בקיגלי מצמצם גם אותם.
מה המודל הזה משמיט
- מזג אוויר ושנים. האוזון בא ממודל חלק שהותאם לממוצעים מדודים: כל אוקטובר נראה אותו דבר. חורים אמיתיים שונים משנה לשנה לפי הרוחות והקור, והחור נודד ונמתח מחוץ לקוטב.
- ברום. הלונים ממטפים ומתיל ברומי מחקלאות נושאים ברום, שהורס אוזון בעוצמה רבה הרבה יותר מהכלור לכל אטום. מדענים מצרפים אותו לנתון של כלור אפקטיבי; הכלור בסצנה אינו כולל אותו.
- גובה. המעטפת מראה את כל האוזון שמעל כל מקום, לא איך הוא מתפזר לגובה. בתוך החור, הסטרטוספירה התחתונה, בגובה 14 עד 21 km, היא זו שמתרוקנת.
- חבילת האוויר. המולקולות מצוירות ככדורים, במספרים גדולים בהרבה מחלקן האמיתי: באוויר אמיתי יש כ־100,000 מולקולות חמצן לכל מולקולת אוזון. השרשרת מצוירת צעד אחר צעד ומואטת, ומולקולות החמצן שהאולטרה־סגול הקצר ביותר מפרק, ומהן נוצר אוזון חדש, לא נכללות.
- הקרקע. הזוהר הסגול מראה איפה מגיעה יותר קרינה אולטרה־סגולה, לא כמה. עננים, גובה השמש ושלג, שמחזיר קרינה אולטרה־סגולה, כולם משנים את מה שמגיע לאדם שעומד על הקרקע.