Лекция 2. Озон в атмосфере

Учебные вопросы:

1. Экологические особенности атмосферного озона.

2. Пространственно- временная изменчивость распределения озона в земной атмосфере

3. Физические и химические свойства газообразного озона.

4. Механизмы образования и разрушения озона в стратосфере и тропосфере

Озо́н (от др.-греч. ὄζω — пахну) — состоящая из трёхатомных молекул O3 аллотропная модификация кислорода. Впервые озон был обнаружен в 1785 г. голландским физиком Мишелем ван Марумом по характерному запаху и окислительным свойствам, которые приобретал воздух после пропускания через него электрических искр. Однако как новое вещество он описан не был, ван Марум считал, что в этом эксперименте образуется особая «электрическая материя».

Термин озон предложен немецким химиком Xенриком Шёнбейном в 1840 г. и вошёл в словари в конце XIX века. Многие источники именно ему отдают приоритет открытия озона в 1839 г.

Экологические особенности атмосферного озона

Общая масса озона в атмосфере Земли 4·10⁹ т, т.е. 0,64·10^-6 от массы всей атмосферы, средняя стационарная концентрация 1 мг/м³. Несмотря на это именно благодаря этому веществу современная биосфера имеет свой нынешний состав и структуру. Именно благодаря ему на Земле существуют наземные формы жизни, населяющие ее материки и острова, в том числе и такой вид как человек -разумный.

Вызвано это тем, что в стратосфере озон образует слой, защищающий все наземные формы жизни от воздействия смертельного для них жёсткого ультрафиолетового излучения. Происходит это благодаря способности озона поглощать ультрафиолетовую радиацию с длинами волн в диапазоне от 200 до 320 нм (полоса Гартли- Хиггинса). Еще более короткие волны эффективно поглощаются кислородом, являющимся одним из основных компонентов земной атмосферы.

При менее интенсивном поглощении упомянутые составляющие УФ-излучения, вызывают рост заболеваемости населения раком кожи (относительно малоопасного базально-клеточного и смертельно опасной агрессивной меланомы), саркомой, повреждением сетчатки глаз и возникновением катаракты.

Негативным образом поглощаемые озоном коротковолновые составляющие УФ - радиации влияют на животных, а также на фотосинтезирующих растениях, в том числе сельскохозяйственные культуры и фитопланктон - ключевой компонент многих пищевых цепей на нашей планете.

Распределение в атмосфере озона также оказывает влияние на климат, поскольку это вещество обладает свойствами парникового газа. Озон существенно (всего лишь в 4 раза слабее чем СО2) влияет на термический режим приземного слоя атмосферы планеты.

В случае удвоения концентрации в атмосфере CO₂ вероятно увеличение средней температуры приземного слоя земной атмосферы на 3–4°С, а в случае такого же изменения средней концентрации озона это увеличение составит около 1° С.

Вызвано это те, что в спектре поглощения озона присутствуют мощные линии с максимумами, соответствующими 5мкм (полоса Шапюи) и 9 мкм, вследствие чего озон поглощает составляющие спектра теплового излучения, которые не поглощаются водяным паром, диоксидом углерода и другими парниковыми газами.

На рисунке 1 приведен иллюстрирующий это спектр поглощения воздухом электромагнитных волн в диапазоне от 0.3 до 15 мкм.

O₃ O₃

Рисунок 1. Спектр поглощения воздухом солнечной радиации в диапазоне от 0.3 до 15 мкм .

Важной характеристикой экологических особенностей озона является и то, что это вещество токсично (оно относится к 1 классу опасности). Вследствие этого тропосферный и в особенности смоговый (приземный) озон являются опасными загрязнителями воздуха, который может угрожать здоровью людей и животных, а также повреждать растения.

Малые концентрации озона в воздухе создают ощущение свежести, однако вдыхание воздуха с концентрацией озона 0,002-0,02 мг/л вызывает раздражение дыхательных. путей, кашель, рвоту, головокружение, усталость. В присутствии оксидов азота токсичность озона увеличивается в 20 раз.

Наиболее опасное воздействие на организм человека проявляется в следующем:

1. Оказывается прямое раздражение и повреждение тканей органов дыхания.

2. Способствует развитию атеросклероза, воздействуя на холестерин в крови человека, с образованием в ней нерастворимых форм.

3. Повреждает клеточные и внутриклеточные мембраны, приводит к образованию во внутриклеточных средах, в том числе и в ядрах, свободных радикалов, что повреждает хромосомы и вызывает мутации.

Влияние на растения. Озон в клетках растений вызывает диффузию хлорофилла, разрушая мембраны хлоропластов; уменьшается проводимость устьиц, что уменьшает продукцию и ослабляет газообмен с атмосферой. Поэтому увеличение содержания в воздухе озона приводит к повреждениям листьев, снижению их фотосинтетического потенциала. Ежегодно в странах Евросоюза снижение урожая зерновых культур и винограда за счет влияния приземного озона приводит к ущербу 2 млрд. евро.

Влияние на почвы. В результате увеличения концентрации приземного озона в период, прошедший после начала промышленной революции, снизилась способность почвенной биоты поглощать СО₂ , что является одной из причин увеличения концентраций этого вещества в воздухе, наблюдавшегося в XX веке.

По мнению Ситча (Sitch и др. 2007), с учетом этого косвенного воздействия на климат увеличения концентрации тропосферного озона, его вклад в потепление, необходимо увеличить почти вдвое. Снижение загрязнения нижней тропосферы озоном могло бы компенсировать прирост концентрации в воздухе СО₂, произошедшее за 2 последних десятилетия (Wallack и Ramanathan, 2009).

Нормативы по озону:

максимальная разовая предельно допустимая концентрация

(ПДК м.р.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,16 мг/м³

среднесуточная предельно допустимая концентрация

(ПДК с.с.) в атмосферном воздухе населённых мест 0,03 мг/м³

предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м³

При этом, порог человеческого обоняния приближённо равен 0,01 мг/м³.[11]

Летальная Доза для мыши 0,046 мг/л ( 2 ч), 3 мг/л ( 5 мин).