Fyzikální aspekty zátěží životního prostředí 8 Význam ozónu v atmosféře

Ozón Molekula ozónu představuje jednu z molekul prvku kyslíku. Skládá se ze tří atomů kyslíku. Kyslík se vyskytuje normálně jako dvouatomová molekula, která je mnohem méně reaktivní, než méně stabilní molekula ozónu .

Rozložení ozónu v atmosféře Ozón byl poprvé objeven v přízemních vrstvách atmosféry roku 1873. Později bylo zjištěno, že se vyskytuje i ve vyšších vrstvách atmosféry. Pravidelná měření koncentrace ozónu se začala provádět v první polovině minulého století. V roce 1934 byly použity balóny které umožnily prozkoumat i výškové rozložení ozónu, V současné době se k výzkumu distribuce ozónu používají sondážní rakety a metody dálkového průzkumu Země.

Faktory a procesy ovlivňující rozložení ozónu v atmosféře Rozložení ozónu v atmosféře ovlivňuje složitý komplex jevů: složení atmosféry, radiační faktory, fotochemické a chemické reakce, dynamické procesy v atmosféře.

Výškový profil rozložení ozónu Na obrázku je příklad výškového profilu ozónu pro různé zeměpisné šířky. Na svislé ose je výška v km, na vodorovné parciální tlak ozónu v nb (1nb = 10-4Pa). km

Charakteristika vertikálního rozložení Nejvíce ozónu vzniká ve výškách 35-45 km nad rovníkem. V důsledku proudění je jeho nejvyšší koncentrace ve středních zeměpisných šířkách (600-700). Směrem k pólům dochází opět k poklesu. Vertikální rozdělení není rovnoměrné, asi 90 % ozónu je ve vysokých vrstvách atmosféry, tzv. stratosférický ozón. Zbytek připadá na přízemní vrstvy, tzv. troposférický ozón.

Struktura atmosféry Troposféra Stratosféra přízemní vrstva atmosféry – 0 až 17 km, obsahuje velké množství vodních par, je to oblast fyzikálních jevů označovaných jako počasí. Stratosféra vrstva atmosféry nad troposférou. dolní hranice se pohybuje od 7 do 17 km v závislosti na zeměpisné šířce, roční době a povětrnostní situaci, horní hranice sahá do výšky 45 –50 km.

Ozonosféra a stratosférický ozón Oblast stratosféry (15 –50 km), kde se tvoří ozón vlivem fotochemických procesů. Největší obsah ozonu je mezi 20 – 25 km. Jedná se o tzv. stratosférický ozón.

Vznik stratosférického ozónu Ozón vzniká štěpením stabilních dvouatomových molekul kyslíku složkou C UV záření za vzniku radikálů (volných atomů) kyslíku. Vzniklé radikály kyslíku se slučují s dalšími molekulami kyslíku za vzniku ozónu. Probíhající reakce popisují rovnice O2 +UV  O + O O + O2  O2

Absorpční schopnosti ozónu Nejdůležitější vlastností ozónu je jeho absorpce UV záření především v oblasti 200 až 300 nm, tzv. Hartleyův absorpční pás (s maximem na vlnové délce 254 nm). Několik absorpčních čar rovněž existuje i v infračervené části spektra. Na zemský povrch tak dopadá sluneční záření o vlnových délkách větších než 290 nm.

Ultrafialové záření UV záření – složka elektromagnetického záření o vlnových délkách kratších než má viditelné světlo, tj. méně než 380 nm. Rozlišujeme složku A – 320 – 380 nm, B – 280 – 320 nm, C – 180 – 280 nm.

Propustnost atmosféry v UV oblasti Složku (A) atmosféra propouští. Složku (B) jen částečně. Pro složku C je atmosféra zcela nepropustná. Složka C je absorbována převážně v horních vrstvách atmosféry (ozonosféra).

Účinky UV záření Energie fotonů UV záření roste s klesající vlnovou délkou. Účinek složky A se u lidí projevuje pigmentací pokožky a přispívá k tvorbě vitamínu D a A. Zbývající dvě složky mají na živé organismy negativní účinky.

Vztah mezi ozónem a UV zářením Protože biologický účinek UV radiace o vlnové délce 290 nm je asi 10 000 krát větší než poškození radiací o vlnové délce 320 nm, je nutné věnovat každému úbytku stratosférického ozónu zvýšenou pozornost. Vztah mezi poklesem ozónu a nárůstem B složky UV záření je komplikovaný, protože B složky UV záření není pohlcováno pouze ozónem, ale i atmosférickými aerosoly, oblaky a prachem. Znečištěná atmosféra v městských aglomeracích má např. za následek zeslabení ultrafialového záření dopadajícího na zemský povrch o 5 - 30% ve srovnání s okolím.

Stav ozonosféry a život Pohlcováním ultrafialového záření Slunce působí ozón na teplotní strukturu stratosféry a následně na dynamické procesy, které zde probíhají a chrání život na Zemi. Narušení ozónosféry se proto může projevit změnami regionálního a globálního klimatu a může mít přímé biologické následky. Právě proto mohou mít lidské zásahy na koncentraci ozónu velmi vážné důsledky.

Troposférický ozón I v troposféře vzniká ozón fotochemickými procesy. Do reakce ale vstupují jiné výchozí molekuly (prekurzory), mezi něž patří zejména produkty spalování fosilních paliv, ale také další nečistoty v ovzduší. Lokální význam má vznik ozónu v důsledku elektrických výbojů při bouřkách. Tento přízemní ozón se nazývá troposférický ozón.

Troposférický ozón a stav ovzduší Působením UV záření o vlnových délkách kratších než 315 nm dochází k fotodisociaci ozonu, při níž vzniká molekula a volný atom kyslíku, ten následnou reakcí s vodní parou přechází v hydroxylový radikál (OH). Význam tohoto radikálu spočívá v tom že se zapojuje do reakcí, které odbourávají některé nežádoucí látky z atmosféry (např. metan, oxid uhelnatý, oxidy dusíku). Množství vzniklého OH radikálu přitom závisí na aktuální koncentraci ozónu a vodních par.

Intenzita UV záření na zemském povrchu Pokles intenzity UV záření v okolí prahových hodnot 290 - 295 nm je velmi prudký díky velké absorpcí ozónu pro vlnové délky < 300 nm. Intenzita složky B UV záření na zemském povrchu závisí významně na stavu ozónosféry.

Účinky troposférického ozónu Troposférický ozón pohlcuje UV záření ale tento efekt je vzhledem k asi desetkrát menšímu množství troposférického ozónu v porovnání s ozónem stratosférickým méně významný. Naopak se mohou projevit negativní účinky troposférického ozónu. Ozón sám může způsobovat ve vyšších koncentracích podrážděni sliznic (pálení v očích, v nose a v krku) nebo dýchací obtíže.

Vzájemná vazba mezi stratosférickým a troposférickým ozónem Snížení koncentrace stratosférického ozónu, znamená snížení absorpčních schopností ozonosféry. Do troposféry se dostává více záření B složky UV záření, což vyvolá intenzivnější fotodisociaci ozónu a vyšší produkci radikálu O a následně i hydroxylových radikálů, což znamená efektivnější odbourávání škodlivin v přízemních vrstvách atmosféry. Reakce škodlivin s hydroxylovými radikály vedou ale k zvýšení produkce ozónu, což znamená že snížení koncentrace stratosférického ozónu zvyšuje koncentraci ozónu troposférického.

Vývoj vztahu troposférického a stratosférického ozónu Do poloviny 90. let, se skutečně s dlouhodobým ubýváním stratosférického ozonu pozoroval růst koncentrací troposférického ozónu. V současné době se střední koncentrace (variabilita s roční periodou) ozónu v troposféře i atmosféře stabilizovaly.

Dynamika vzniku a zániku ozónu Ozón současně vzniká a zaniká. Vzniká především ve vyšších vrstvách atmosféry (tropická stratosféra), kde je více UV záření, naopak v nižších vrstvách, pod 30 km, převažuje rozpad ozónu. Detailní popis rozhodujících procesů není stále uzavřen a představuje často poměrně složitý problém (existence mnoha následných reakcí v aerosolech – kapičkách látek rozprášených v atmosféře).

Procesy ovlivňující rovnováhu stratosférického ozónu Ozón vzniká fotodisiciací molekuly kyslíku a následným spojením atomárního kyslíku s molekulou kyslíku za vzniku molekuly ozónu O2 +UV  O + O O + O2  O3

Rozpad ozónu O3 + elmag. z.  O2 + O O3 + O  2 O2 Opačným procesem je rozpad molekuly ozónu. Při rozpadu molekuly ozónu dochází k jeho fotodisociaci nebo k přeměně ozónu na molekulu kyslíku V rovnici uvedené elektromagnetické záření je záření s vlnovými délkami menšími než 1200 nm. Fotodisociaci ozónu na rozdíl od fotodisociace kyslíku může tedy vyvolat nejen UV záření ale i viditelné a infračervené záření. O3 + elmag. z.  O2 + O O3 + O  2 O2