Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Средние сезонные вертикальные столбы тропосферного озона в единицах Добсона за период с 1979 по 2000 год. С июня по август фотохимическое образование озона вызывает очень высокие концентрации над восточным побережьем США и Китая.

Озон (О 3 ) представляет собой след газа в тропосфере , со средней концентрацией 20-30 частей на миллиард по объему (ppbv), с близким к 100 ppbv в загрязненных районах. [1] [2] Озон также является важным компонентом стратосферы , где существует озоновый слой, расположенный на высоте от 10 до 50 километров над поверхностью земли. [3] тропосфере самый низкий слой из земной атмосферы «ы. Он простирается от земли до переменной высоты примерно 14 километров над уровнем моря . Озон наименее сконцентрирован в приземном слое (илипланетарный пограничный слой ) тропосферы. Озон на уровне земли или тропосферы создается в результате химических реакций между оксидами азота ( газы NOx ) и летучими органическими соединениями (ЛОС). Комбинация этих химикатов в присутствии солнечного света образует озон. Его концентрация увеличивается с увеличением высоты над уровнем моря, с максимальной концентрацией в тропопаузе . [4] Около 90% всего озона в атмосфере находится в стратосфере, а 10% - в тропосфере. [5] Хотя тропосферный озон менее концентрирован, чем стратосферный озон, он вызывает озабоченность из-за его воздействия на здоровье . [6] Озон в тропосфере считаетсяпарниковый газ и может способствовать глобальному потеплению . [4] [6]

Фотохимические и химические реакции с участием озона управляют многими химическими процессами, происходящими в тропосфере днем ​​и ночью. При аномально высоких концентрациях (крупнейшим источником являются выбросы от сжигания ископаемого топлива) он является загрязняющим веществом и одним из компонентов смога . [7] [6] Его уровни значительно выросли после промышленной революции, поскольку газы NOx и летучие органические соединения являются одними из побочных продуктов сгорания. [8] Чем больше тепла и солнечного света в летние месяцы, тем больше образуется озона, поэтому регионы часто испытывают более высокие уровни загрязнения в летние месяцы. [9]Озон на уровне земли, хотя и одна и та же молекула, может быть вредным для нашего здоровья, в отличие от стратосферного озона, который защищает Землю от избыточного УФ-излучения. [8]

Фотолиз озона происходит при длинах волн ниже примерно 310–320 нанометров . [10] [11] Эта реакция инициирует цепочку химических реакций, которые удаляют окись углерода , метан и другие углеводороды из атмосферы путем окисления . Следовательно, концентрация тропосферного озона влияет на то, как долго эти соединения остаются в воздухе. Если окисление окиси углерода или метана происходит в присутствии окиси азота (NO), в этой цепочке реакций в систему добавляется чистый продукт озона. [2] [6]

Измерение [ править ]

Содержание озона в атмосфере можно измерить с помощью технологий дистанционного зондирования или мониторинга на месте . Поскольку озон поглощает свет в УФ-спектре , наиболее распространенным способом измерения озона является измерение того, какая часть этого светового спектра поглощается атмосферой. [12] [13] Поскольку в стратосфере концентрация озона выше, чем в тропосфере, важно, чтобы инструменты дистанционного зондирования могли определять высоту вместе с измерениями концентрации. Инструмент TOMS-EP на борту спутника NASA является примером спутника для измерения озонового слоя [14], а TESявляется примером спутника для измерения озона, который предназначен специально для тропосферы. [15] Лидар - это распространенный наземный метод дистанционного зондирования для измерения озона. TOLnet - это сеть лидаров для наблюдения за озоном в Соединенных Штатах. [16]

Озонозонды - это форма измерений на месте или локальных измерений. Озонозонд - это прибор для измерения содержания озона, прикрепленный к метеорологическому шару, так что прибор может непосредственно измерять концентрацию озона на различных высотах вдоль восходящего пути воздушного шара. Информация, собранная с помощью инструмента, прикрепленного к шару, передается обратно с помощью технологии радиозонда . [12] NOAA работало над созданием глобальной сети измерений тропосферного озона с использованием озонозондов. [17]

Озон также измеряется сетями экологического мониторинга качества воздуха . В этих сетях локальные мониторы озона, основанные на свойствах озона поглощать УФ-излучение, используются для измерения уровней ppb в окружающем воздухе.

Общий атмосферный озон (иногда его можно увидеть в сводках погоды) измеряется в столбце от поверхности до верха атмосферы, и в нем преобладают высокие концентрации стратосферного озона. Типичные единицы измерения для этой цели включают единицу Добсона и миллимоли на квадратный метр (ммоль / м2).

Формирование [ править ]

Большая часть образования тропосферного озона происходит, когда оксиды азота (NOx), монооксид углерода (CO) и летучие органические соединения (ЛОС) вступают в реакцию в атмосфере в присутствии солнечного света, особенно в УФ-спектре. NOx, CO и ЛОС считаются прекурсорами озона. [7] [6] Выхлопные газы автомобилей, промышленные выбросы и химические растворители являются основными антропогенными источниками этих прекурсоров озона. [6]Хотя предшественники озона часто происходят из городских районов, ветры могут переносить NOx на сотни километров, вызывая образование озона и в менее населенных регионах. Метан, ЛОС, концентрация которого в атмосфере резко возросла за последнее столетие, способствует образованию озона, но в глобальном масштабе, а не в локальных или региональных эпизодах фотохимического смога. В ситуациях, когда исключение метана из группы веществ ЛОС неочевидно, часто используется термин Неметановые ЛОС (НМЛОС).

Химические реакции, участвующие в образовании тропосферного озона, представляют собой серию сложных циклов, в которых оксид углерода и летучие органические соединения окисляются до водяного пара и диоксида углерода. Здесь реакции, участвующие в этом процессе, проиллюстрированы с помощью CO, но аналогичные реакции происходят и с VOC. Окисление начинается с реакции СО с гидроксильным радикалом ( • ОН). [11] Образовавшийся при этом промежуточный радикал быстро реагирует с кислородом с образованием пероксирадикала НО.
2•

Схема цепной реакции, которая происходит при окислении CO с образованием O 3 : [2] [11]

Реакция начинается с окисления СО гидроксильным радикалом ( • ОН). Радикальный аддукт (• HOCO) нестабилен и быстро реагирует с кислородом с образованием пероксирадикала , HO 2 • :

• OH + CO → • HOCO
• HOCO + O 2 → HO 2 • + CO 2

Затем пероксирадикалы вступают в реакцию с NO с образованием NO 2 , который фотолизируется УФ-излучением с образованием атомарного кислорода в основном состоянии , который затем вступает в реакцию с молекулярным кислородом с образованием озона. [1]

HO 2 • + NO → • OH + NO 2
NO 2 + hν → NO + O ( 3 P), λ <400 нм
О ( 3 П) + О 2 → О 3
Обратите внимание, что именно эти три реакции образуют молекулу озона и будут происходить одинаково в случае окисления CO или ЛОС.

Итоговая реакция в этом случае такова:

CO + 2 O
2→ CO
2+ O
3

Количество озона, образующегося в результате этих реакций в окружающем воздухе, можно оценить с помощью модифицированного соотношения Лейтона . Ограничением этих взаимосвязанных циклов образования озона является реакция • OH с NO 2 с образованием азотной кислоты при высоких уровнях NOx . Если вместо этого монооксид азота (NO) присутствует в атмосфере на очень низких уровнях (примерно менее 10 частей на миллион), пероксирадикалы (HO 2 •), образующиеся в результате окисления, вместо этого будут реагировать сами с собой с образованием пероксидов , а не с образованием озона. [1]

Воздействие на здоровье [ править ]

Смотрите также: Озон § Влияние на здоровье

Воздействие на здоровье зависит от прекурсоров озона, которые представляют собой группу загрязнителей, в основном образующихся при сжигании ископаемого топлива. Приземный озон создается оксидами азота, реагирующими с органическими соединениями в присутствии солнечного света. [18] Существует множество искусственных источников этих органических соединений, включая автомобильные и промышленные выбросы, а также несколько других источников. [18] Реакция с ультрафиолетовыми (УФ) лучами дневного света и этими прекурсорами приводит к загрязнению приземным слоем озона (тропосферный озон). Известно, что озон в концентрациях, обычных для городского воздуха, оказывает следующее воздействие на здоровье:

  • Раздражение дыхательной системы , вызывающее кашель, раздражение горла и / или неприятное ощущение в груди. Озон влияет на людей с респираторными заболеваниями, такими как астма, хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) и рак легких, а также на тех, кто много времени проводит на открытом воздухе. [19]
  • Снижение функции легких , затрудняющее глубокое и энергичное дыхание. Дыхание может стать более частым и неглубоким, чем обычно, а способность человека заниматься активной деятельностью может быть ограничена. Озон заставляет мышцы дыхательных путей сжиматься, что приводит к задержке воздуха в альвеолах, что приводит к хрипам и одышке. [19]
  • Обострение астмы . Когда уровень озона высок, у большего числа людей с астмой возникают приступы, требующие внимания врача или приема лекарств. Одна из причин, по которой это происходит, заключается в том, что озон делает людей более чувствительными к аллергенам , которые, в свою очередь, вызывают приступы астмы.
  • Повышенная восприимчивость к респираторным инфекциям .
  • Воспаление и повреждение оболочки легких. В течение нескольких дней поврежденные клетки отшелушиваются и заменяются подобно шелушению кожи после солнечного ожога. Исследования на животных показывают, что если этот тип воспаления повторяется в течение длительного периода времени (месяцы, годы, всю жизнь), ткань легких может стать необратимой, что приведет к необратимой потере функции легких и снижению качества жизни.
  • Более свежие данные показывают, что озон также может оказывать вредное воздействие через воспалительный процесс, приводя к сердечным заболеваниям, диабету 2 типа и другим нарушениям обмена веществ. [20]

В 1990-х годах было замечено, что приземный озон может ускорить смерть на несколько дней у предрасположенных и уязвимых групп населения. [21] Статистическое исследование 95 крупных городских сообществ в США обнаружило значительную связь между уровнем озона и преждевременной смертью. По оценкам исследования, сокращение концентрации озона в городах на треть может спасти примерно 4000 жизней в год (Bell et al., 2004). Тропосферный озон вызывает около 22 000 преждевременных смертей в год в 25 странах Европейского Союза. (ВОЗ, 2008 г.)

Проблемные области [ править ]

Агентство по охране окружающей среды США разработало индекс качества воздуха , чтобы помочь объяснить уровни загрязнения воздуха для широкой публики. Средние мольные доли озона за 8 часов от 76 до 95 нмоль / моль описаны как «нездоровые для чувствительных групп», от 96 до 115 нмоль / моль как «нездоровые» и от 116 до 404 нмоль / моль как «очень нездоровый » [1] . EPA определило более 300 округов США, сгруппированных вокруг наиболее густонаселенных районов (особенно в Калифорнии и на северо-востоке), как не соблюдающих Национальные стандарты качества окружающего воздуха .

Северный фронт штата Колорадо не соответствует федеральным стандартам качества воздуха. Агентство по охране окружающей среды США включило Форт-Коллинз в зону недостижения озона в ноябре 2007 года. [22] Это означает, что экологическое законодательство США считает, что качество воздуха хуже, чем Национальные стандарты качества окружающего воздуха, которые определены в документе «Чистый воздух». Поправки к Закону о воздухе. [23] В 2018 году Ассоциация легких заняла 19-е место в округе Лаример по количеству дней с высоким содержанием озона. [24] Форт-Коллинз также занял 24-е место по количеству дней с высоким содержанием озона из 228 мегаполисов, 52-е место по 24-часовому загрязнению частицами из 217 городских районов и 156-е место по ежегодному загрязнению частицами из 203 городских районов. [24]

При мониторинге качества воздуха округ Боулдер, CO классифицируется Агентством по охране окружающей среды как часть группы из девяти округов, в которую входят городская зона Денвера и регион North Front Range. В этой зоне из девяти графств с 2004 года зарегистрированы уровни озона, превышающие стандарты EPA по озону. [25] В рамках Соглашения о ранних действиях были предприняты попытки довести качество воздуха в этом районе до стандартов EPA. Однако с 2004 года загрязнение озоном в округе Боулдер регулярно не соответствовало федеральным стандартам, установленным Агентством по охране окружающей среды. [26] Округ Боулдер продолжает попытки уменьшить часть загрязнения озоном с помощью программ, которые побуждают людей меньше водить машину и прекращать деятельность, загрязняющую озон в жаркую погоду. [27]

Изменение климата [ править ]

При таянии морского льда выделяется молекулярный хлор , который реагирует с УФ-излучением с образованием радикалов хлора. Поскольку радикалы хлора обладают высокой реакционной способностью, они могут ускорить разложение метана и тропосферного озона и окисление ртути до более токсичных форм. [28] Производство озона увеличивается во время волн тепла, потому что растения поглощают меньше озона. Подсчитано, что сокращение поглощения озона растениями могло быть причиной гибели 460 человек в Великобритании жарким летом 2006 года. [29] Аналогичное исследование для оценки совместного воздействия озона и тепла во время волн тепла в Европе в 2003 году. , пришли к выводу, что они кажутся аддитивными. [30]

См. Также [ править ]

  • Атмосферная химия
  • Критерии загрязнения воздуха
  • Национальные стандарты качества окружающего воздуха (США)
  • Озон
  • Фотохимический смог
  • Тропосфера
  • События разрушения тропосферного озона

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Уорнек, Питер (1999). Химия естественной атмосферы . Академическая пресса. ISBN 9780080529066.
  2. ^ a b c «8.2 Тропосферный озон» . elte.prompt.hu . Проверено 12 ноября 2018 .
  3. ^ Веб-мастер Департамента окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства (Defra) @ defra gsi gov uk. «Что такое стратосферный озон? - Дефра, Великобритания» . uk-air.defra.gov.uk . Проверено 26 октября 2019 .
  4. ^ a b «Наблюдение за озоном НАСА: факты об озоне» . ozonewatch.gsfc.nasa.gov . Проверено 12 ноября 2018 .
  5. Перейти ↑ Fahey, David W. (2011). Двадцать вопросов и ответы о озоновом слое 2010 обновления: научная оценка истощения озонового слоя 2010 года . Хегглин, Микаэла И., США. Национальное управление океанических и атмосферных исследований, США. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде, Всемирная метеорологическая организация, Европейская комиссия. Женева, Швейцария: Всемирная метеорологическая организация. ISBN 978-9966-7319-4-4. OCLC  770711102 .
  6. ^ a b c d e f "Озон в тропосфере | Центр научного образования UCAR" . scied.ucar.edu . Проверено 12 ноября 2018 .
  7. ^ a b «Тропосферный озон | Коалиция за климат и чистый воздух» . ccacoalition.org . Проверено 12 ноября 2018 .
  8. ^ a b Агентство по охране окружающей среды США, OAR (2015-05-29). «Основы приземного озона» . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 26 октября 2019 .
  9. ^ "Образование + обучение | Университетская корпорация атмосферных исследований" . www.ucar.edu . Проверено 26 октября 2019 .
  10. ^ Танигучи, Нори; Такахаши, Кенши; Мацуми, Ютака (2000). «Фотодиссоциация O3 около 309 нм». Журнал физической химии . 104 (39): 8936–8944. Bibcode : 2000JPCA..104.8936T . DOI : 10.1021 / jp001706i . ISSN 1089-5639 . 
  11. ^ a b c Ривз, Клэр Э .; Penkett, Stuart A .; Богитт, Стефан; Закон, Кэти С .; Эванс, Мэтью Дж .; Бэнди, Брайан Дж .; Монахи, Пол С .; Эдвардс, Гэвин Д .; Филлипс, Гэвин (2002-12-11). «Возможность фотохимического образования озона в тропосфере над Северной Атлантикой, по данным наблюдений с самолетов во время ACSOE» . Журнал геофизических исследований: атмосферы . 107 (D23): ACH 14–1 – ACH 14–14. Bibcode : 2002JGRD..107.4707R . DOI : 10.1029 / 2002jd002415 . ISSN 0148-0227 . 
  12. ^ a b "Как измеряется озон в атмосфере?" (PDF) . ERSL NOAA .
  13. ^ «Измерение озона из космоса» . Проверено 12 ноября 2018 .
  14. ^ НАСА. «Спектрометр-спектрометр-земля-картографирование общего озона» .
  15. ^ НАСА. «ТЕС» . tes.jpl.nasa.gov . Проверено 12 ноября 2018 .
  16. ^ LaRC, Али Акнан (2005-06-22). «Интегрированный центр данных НАСА по химии тропосферы» . www-air.larc.nasa.gov . Проверено 12 ноября 2018 .
  17. ^ Лаборатория Министерства торговли США, NOAA, Исследование системы Земли. «Отдел глобального мониторинга ESRL - Группа по озону и водяному пару» . www.esrl.noaa.gov . Проверено 12 ноября 2018 .
  18. ^ a b «Хорошо, хорошо, высоко, плохо, рядом - Что такое озон?» . cfpub.epa.gov . Проверено 26 октября 2019 .
  19. ^ a b Агентство по охране окружающей среды США, OAR (05.06.2015). «Влияние загрязнения озоном на здоровье» . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 26 октября 2019 .
  20. ^ Адар, Сара Дубовски (2012-09-25). «Воздействие озона в детстве» . Тираж . 126 (13): 1570–1572. DOI : 10.1161 / cycleaha.112.133207 . ISSN 0009-7322 . PMID 23008468 .  
  21. ^ Шлинк, Уве; Гербарт, Ольф; Рихтер, Матиас; Дорлинг, Стивен; Нуннари, Джузеппе; Коули, Гэвин; Пеликан, Эмиль (апрель 2006 г.). «Статистические модели для оценки воздействия на здоровье и прогнозирования приземного озона». Экологическое моделирование и программное обеспечение . 21 (4): 547–558. DOI : 10.1016 / j.envsoft.2004.12.002 . ISSN 1364-8152 . 
  22. ^ «Часто задаваемые вопросы об озоне || Качество воздуха» . www.fcgov.com . Проверено 26 октября 2019 .
  23. ^ US EPA, ОАР (2014-04-10). «Таблица NAAQS» . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 26 октября 2019 .
  24. ^ а б "Форт-Коллинз, Колорадо" . Американская ассоциация легких . Проверено 26 октября 2019 .
  25. ^ «Озон» . Округ Боулдер . Проверено 26 октября 2019 .
  26. ^ "Простые шаги | Простые шаги. Лучше воздух" . simplestepsbetterair.org . Проверено 26 октября 2019 .
  27. ^ «Озон» . Округ Боулдер . 2020 . Проверено 22 января 2020 .
  28. ^ Цзинь Ляо; и другие. (Январь 2014). «Высокий уровень молекулярного хлора в атмосфере Арктики». Природа Геонауки . 7 (2): 91–94. Bibcode : 2014NatGe ... 7 ... 91L . DOI : 10.1038 / ngeo2046 .
  29. ^ «Дело не только в жаре - это озон: исследование выявляет скрытые опасности» . Йоркский университет . Проверено 14 января 2014 года .
  30. ^ Kosatsky Т. (июль 2005). «Волны жары в Европе 2003 г.» . Евронаблюдение . 10 (7): 3–4. DOI : 10,2807 / esm.10.07.00552-ен . PMID 29208081 . 
  • Аманн, Маркус (2008). Риски для здоровья, связанные с озоном в результате трансграничного загрязнения воздуха на большие расстояния . Европейское региональное бюро ВОЗ. ISBN 978-92-890-4289-5.
  • Белл, ML; McDermott, A .; Zeger, SL; Самет, JM; Доминичи, Ф. (2004). «Озон и краткосрочная смертность в 95 городах США, 1987–2000» . JAMA: Журнал Американской медицинской ассоциации . 292 (19): 2372–8. DOI : 10,1001 / jama.292.19.2372 . PMC  3546819 . PMID  15547165 .
  • Сайнфелд, Джон Х .; Пандис, Спирос Н. (2016). Химия и физика атмосферы: от загрязнения воздуха до изменения климата (3-е изд.). Вайли. ISBN 978-1-119-22116-6.
  • Уэйн, Ричард П (2000). Химия атмосферы (3-е изд.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850375-0.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Купер, штат Орегон; Пэрриш, DD; и другие. (2014). «Глобальное распределение и тенденции тропосферного озона: обзор, основанный на наблюдениях» . Elementa: Наука антропоцена . 2 : 29. DOI : 10,12952 / journal.elementa.000029 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Карта озона Европейского агентства по окружающей среде в режиме реального времени (ozoneweb)
  • Информация об озоне Агентства по охране окружающей среды США
  • Живая карта озона Агентства по охране окружающей среды США
  • Информация о регулировании озона Агентства по охране окружающей среды США
  • Университетская корпорация атмосферных исследований загрязнения озона
  • Спектрометр для картирования общего озона (спутниковый мониторинг)
  • Отчеты ЕРБ ВОЗ: аспекты загрязнения воздуха для здоровья (2002 г.) (PDF) и " Ответ на последующие вопросы CAFE (2003 г.) (PDF)"
  • Страница ресурсов по озону НАСА
  • [2] Общеканадские стандарты для твердых частиц (PM2,5) и озона (PDF)