Fyzikální aspekty zátěží životního prostředí

1. Fyzikální aspekty zátěží životního prostředí 8 Význam ozónu v atmosféře

2. 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 .

3. 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.

4. 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.

5. 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

6. 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.

7. Struktura atmosféry Troposféra • 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.

8. Ozonosféra a stratosférický ozón Ozonosféra • 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.

9. 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

10. 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.

11. 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.

12. 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).

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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).

23. 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

24. Rozpad ozónu Opačným procesem je rozpad molekuly ozónu. Při rozpadu molekuly ozónu dochází k jeho fotodisociacinebo 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