Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku Białej

Wydział Nauk o Materiałach i Środowisku

Kierunek Ochrona Środowiska

Rok III, semestr IV

Ozon w stratosferze i troposferze. Wysokość ozonosfery w atmosferze, wpływ nadmiaru ozonu w troposferze i niedoboru w stratosferze na człowieka i środowisko.

Tlen w atmosferze występuje głównie w postaci dwuatomowych cząsteczek (O₂). Stanowi on 20,95% atmosfery ziemskiej. W pewnych warunkach, m.in. pod wpływem wyładowań elektrycznych (burze) lub promieniowania ultrafioletowego wysyłanego przez Słońce, może następować rozpad tych cząsteczek na pojedyncze atomy. Atomowy tlen jest bardzo aktywny i łączy się natychmiast z tlenem cząsteczkowym, tworząc nietrwałe trójatomowe cząsteczki tlenu (O₃) czyli ozonem. Ozon rozkłada się powoli w temperaturze 15˚C – w wyższej temperaturze jego rozkład na tlen dwuatomowy następuje dużo szybciej.

Ozon reaguje z wieloma związkami organicznymi oraz nieorganicznymi, w stanie gazowym, jak i ciekłym, gdyż jest rozpuszczalny w wodzie, roztworach alkalicznych i olejach nienasyconych. Ze względu na swoje właściwości jest używany do bielenia mąki, papieru, dezynfekcji wody i powietrza.

Koncentracja ozonu następuje głównie w dwóch warstwach:

• przy powierzchni Ziemi w troposferze

• na wysokości 20-45 km od powierzchni Ziemi w tzw. ozonosferze, która jest częścią stratosfery

Ozonosfera charakteryzuję się tym, że pochłania promieniowanie słoneczne w nadfioletowej i podczerwonej części widma. Dlatego temperatura powietrza ozonosfery wzrasta wraz z wysokością, aż do granicy stratosfery górnej z warstwą następną – mezosferą.

Wymiana ozonu między troposferą a stratosferą jest bardzo ograniczona.

Znajdująca się w stratosferze warstwa ozonu spełnia rolę ochronną dla roślin, zwierząt i ludzi, chroniąc przed szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym UV, wysyłanym przez Słońce. Powoduje ona również stabilizację klimatu. Nie wszystkie pasma promieniowania są zatrzymywane przez warstwę ozonową. Pasmo o największej długości fali UV-A praktycznie dociera do powierzchni Ziemi bez przeszkód. Pasmo o najmniejszej długości fali UV-C jest praktycznie całkowicie pochłaniane, co jest gwarancją bezpieczeństwa dla życia. Pasmo o średniej długości UV-B jest stosunkowo mniej szkodliwe, ale i pochłaniane w warstwie ozonowej z mniejsza intensywnością.

Nadmiar ozonu w troposferze

Ozon jest wtórnym zanieczyszczeniem powietrza i jego szkodliwość polega na znacznie większej agresywności wobec środowiska niż zanieczyszczeń pierwotnych, z których powstaje. Głównymi źródłami powstawania ozonu są tlenki azotu (N_xO_y) oraz wodory (C_xH_y).

Najprostszy schemat powstawania ozonu to rozpad pod wpływem promieniowania słonecznego dwutlenku azotu (NO₂) na tlenek azotu (NO) i tlen atomowy (O), który reagując z tlenem cząsteczkowym (O₂) w powietrzu tworzy ozon (O₃).

Głównymi źródłami ozonu są transport i przemysł. Dużemu natężeniu ruchu samochodowego w miastach, szczególnie w dni słoneczne, może towarzyszyć powstawanie stężeń ozonu przekraczających poziom uznawany za bezpieczny (0,08 ppm). Kierunki wiatrów i ukształtowanie terenu mogą powodować, że duże stężenia ozonu występują daleko od miejsca emisji zanieczyszczeń pierwotnych po czasie koniecznym do przebiegu reakcji między składnikami.

Oddziaływanie ozonu na elementy środowiska

Reakcje organizmu ludzkiego na podwyższone stężenie ozonu mogą być różne w zależności od wieku i zdolności adaptacyjnych. Wrażliwe na oddziaływanie ozonu są szczególnie dzieci i osoby starsze oraz ludzie z chorobami układu oddechowego lub układu krążenia. Intensywny wysiłek fizyczny potęguje skutki działania ozonu. Stąd w niektórych krajach (np. Niemczech i Wielkiej Brytanii) wprowadzono systemy ostrzegania przed wzrostem stężenia ozonu – alerty ozonowe.

Ozon należy do najbardziej aktywnych i toksycznych gazów. Jest cięższy od powietrza. W niskich stężeniach działa drażniąco na oczy i drogi oddechowe, wywołując kaszel. Senność, ból głowy, znużenie, spadek ciśnienia tętniczego krwi. Przy wyższych stężeniach występują objawy złego samopoczucia, nasilają się bóle głowy, zmęczenie, wyczerpanie, objawy apatii. Jeszcze większe stężenia mogą powodować obrzęk płuc.

Oddziaływanie wyższych stężeń ozonu na rośliny jest również negatywne. Atakuje on przez aparaty szparkowe liści, uszkadzając błony komórkowe, chloroplasty i mitochondria. To zakłóca procesy fotosyntezy i utrudnia oddychanie roślin, co powoduje powstawanie plam na liściach, żółknięcie i opadanie. Z roślin uprawnych szczególnie wrażliwe na działanie ozonu są: szpinak, ziemniaki, pomidory, rośliny strączkowe i tytoń. Specjalna odmiana tytoniu (nicotiana tabacum), reagując na zanieczyszczenie powietrza powstawaniem białych lub brązowych plam, jest wykorzystywana jako prosty i tani wskaźnik biologiczny zanieczyszczenia.

W Europie Zachodniej, Ameryce Północnej, również w Polsce, uszkodzenia lasów – po za bezpośrednimi skutkami kwaśnych deszczy – przypisuje się oddziaływaniu ozonu. Pośrednim skutkiem osłabienia roślin jest ich zwiększona wrażliwość na szkodniki i choroby roślin oraz wpływy zmian atmosferycznych (susze, przymrozki).

Ozon, jako substancja chemicznie aktywna, uszkadza wiele materiałów naturalnych i wytwarzanych przez człowieka. Powoduje blaknięcie farb, pękanie gumy i niektórych materiałów izolacyjnych. Uczestniczy w powstawaniu kwaśnych deszczy niszczących ubrania, zabytki, powodujących korozję metali (30% uszkodzeń wytworzonych materiałów).

Zapobieganie wzrostowi stężeń ozonu w troposferze:

• metodą zmniejszenia emisji tlenków azotu i węglowodorów w spalinach jest stosowanie nowoczesnych silników wyposażonych w katalizatory, które zmniejszają zawartość szkodliwych składników w spalinach o 90%

• jeździć do pracy i w czasie wolnym środkami komunikacji zbiorowej (oszczędność paliw i zmniejszenie emisji)

• wyłączać silnik w czasie oczekiwania na wolny przejazd

• przestrzegać ograniczeń i dozwolonych prędkości

• dokonywać regularnych przeglądów sprawności silnika

• pokonywać krótkie dystanse pieszo lub rowerem.

• emisję tlenków azotu jest związana ze spalaniem przede wszystkim paliw węglowych i z działalnością przemysłową. Tę emisję ogranicza się przez likwidację domowych kuchni węglowych i małych kotłowni lokalnych na rzecz sieci gazowniczej

Niedobór ozonu w stratosferze

Dziura ozonowa powstaje wskutek niszczenia warstwy ozonowej przez freony (chłodziarki, aerozolowe kosmetyki), halony (czynniki gaśnicze) i inne gazy.

Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego freony ulegają fotolizie, w wyniku czego uwalniane zostają atomy chloru. Chlor wchodzi w reakcję z ozonem, tworząc równie aktywny tlenek chloru (ClO) oraz zwykły tlen (O₂). Następnie reakcja dwóch cząsteczek tlenku chloru prowadzi do powstania cząsteczki dwutlenku chloru (ClO₂) oraz uwolnienia kolejnego atomu chloru, który rozbija następne cząsteczki ozonu. Oprócz tego dwutlenek chloru może ulegać rozpadowi na atom chloru oraz dwuatomową cząsteczkę tlenu. Reakcje przebiegają aż do całkowitego wyczerpania się cząsteczek ozonu lub do momentu usunięcia chloru wskutek innych reakcji chemicznych.

Barierą dla niebezpiecznego dla organizmów żywych promieniowania UV-C jest odpowiednio duża liczba cząstek tlenu i ozonu w stratosferze (ozonosferze), gwarantująca dostateczną liczbę cykli reakcji powstawania i rozkładu ozonu. Przedostająca się do powierzchni Ziemi ilość promieniowania UV-C jest jednak ostrzeżeniem przed konsekwencjami, jakie powoduje uszkodzenie warstwy ozonowej. Promieniowanie to, uszkadzając genetyczny materiał DNA, jest główną przyczyną raka skóry. W ciągu ostatniego dwudziestolecia zaobserwowano podwojenie liczby zachorowań na nowotwór złośliwy skóry (czerniak).

Oprócz tego promieniowanie UV-C powoduje obniżanie odporności organizmu przeciwko infekcjom. Jest przyczyną katarakty i innych uszkodzeń oczu.

Promieniowanie ultrafioletowe jest również szkodliwe dla roślin uprawnych i drzew.

Promieniowanie UV przenika czyste wody mórz i oceanów do głębokości 20 m, wpływając szkodliwie na drobną florę i faunę, które są istotnymi ogniwami pokarmowymi zwierząt morskich.

Docierające do powierzchni Ziemi promieniowanie wykazuje niszczące działanie na elewacje budynków, farby, polimery i inne tworzywa, powoduje również wzrost ilości szkodliwego dla zdrowia ozonu w warstwie przyziemnej troposfery.

Niszczenie warstwy ozonowej i spowodowany tym wzrost promieniowania ultrafioletowego docierającego do powierzchni Ziemi stanowi zagrożenie, którego nie można bagatelizować.

BIBLIOGRAFIA

Stanisław K. Wiąckowski, Irena Wiąckowska, Globalne zagrożenia środowiska, WSP, Kielce

Lucyna Falkowska, Krzysztof Korzeniewski, Chemia atmosfery, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, 1995

Ewa Grochowicz, Jan Korytkowski, Ochrona powietrza, WSP, Warszawa, 1996