stringtranslate.com

Приземный озон

Среднесезонные вертикальные столбы тропосферного озона в единицах Добсона за период с 1979 по 2000 год. В июне-августе фотохимическое производство озона вызывает очень высокие концентрации над восточным побережьем США и Китая.

Приземный озон ( O 3 ), также известный как приземный озон и тропосферный озон , представляет собой примесный газ в тропосфере (самый нижний уровень атмосферы Земли ) со средней концентрацией 20–30 частей на миллиард по объему. (ppbv), причем в загрязненных районах около 100 ppbv. [1] [2] Озон также является важной составляющей стратосферы , где существует озоновый слой (от 2 до 8 частей озона на миллион), который расположен на высоте от 10 до 50 километров над поверхностью Земли. [3] Тропосфера простирается от земли до переменной высоты примерно 14 километров над уровнем моря . Озон наименее сконцентрирован в приземном слое (или планетарном пограничном слое ) тропосферы. Приземный или тропосферный озон создается в результате химических реакций между газами NOx (оксидами азота, образующимися при горении) и летучими органическими соединениями (ЛОС). Сочетание этих химических веществ в присутствии солнечного света образует озон. Его концентрация увеличивается с увеличением высоты над уровнем моря, с максимальной концентрацией в тропопаузе . [4] Около 90% общего количества озона в атмосфере находится в стратосфере, а 10% — в тропосфере. [5] Хотя тропосферный озон менее сконцентрирован, чем стратосферный озон, он вызывает беспокойство из-за его воздействия на здоровье. [6] Озон в тропосфере считается парниковым газом и может способствовать глобальному потеплению . [4] [6]

Фотохимические и химические реакции с участием озона вызывают многие химические процессы, происходящие в тропосфере днем ​​и ночью. При аномально высоких концентрациях (крупнейшим источником являются выбросы от сжигания ископаемого топлива ) он является загрязнителем и компонентом смога . [7] [6] Его уровни значительно возросли после промышленной революции, поскольку газы NOx и летучие органические соединения являются одними из побочных продуктов сгорания. [8] Из-за большего количества тепла и солнечного света в летние месяцы образуется больше озона, поэтому в летние месяцы в регионах часто наблюдается более высокий уровень загрязнения. [9] Несмотря на одну и ту же молекулу, приземный озон может быть вредным для здоровья человека, 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 посредством окисления . Следовательно, концентрация тропосферного озона влияет на то, как долго эти соединения остаются в воздухе. Если окисление оксида углерода или метана происходит в присутствии оксида азота (NO), в эту цепочку реакций в систему добавляется чистый продукт озона. [2] [6]

Измерение

Озон в атмосфере можно измерить с помощью технологии дистанционного зондирования или технологии 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 имели возможность определять высоту наряду с измерениями концентрации. Спектрометр -земной зонд для полного картирования озона (TOMS-EP) на борту спутника НАСА является примером спутника для измерения озонового слоя [14] , а спектрометр тропосферной эмиссии (TES) является примером спутника для измерения озона, который специально предназначен для измерения озона. для тропосферы. [15] ЛИДАР — это распространенный наземный метод дистанционного зондирования, в котором для измерения озона используется лазер . Сеть лидаров тропосферного озона (TOLNet) — это сеть лидаров для наблюдения за озоном на территории Соединенных Штатов. [16]

Озонозонды представляют собой разновидность приборов для измерения озона на месте или локальных измерений. Озонозонд прикреплен к метеорологическому шару, так что прибор может напрямую измерять концентрацию озона на различных высотах вдоль восходящего пути шара. Информация, собранная с прибора, прикрепленного к воздушному шару, передается обратно с помощью радиозондовой технологии. [12] НОАА работало над созданием глобальной сети измерений тропосферного озона с использованием озонозондов. [17]

Озон также измеряется в сетях мониторинга качества воздуха . В этих сетях для измерения уровней содержания частей на миллиард в окружающем воздухе используются локальные мониторы озона , основанные на свойствах поглощения озоном УФ-излучения.

Общий атмосферный озон (иногда видимый в сводках погоды) измеряется в столбце от поверхности до верхних слоев атмосферы, и в нем преобладают высокие концентрации стратосферного озона. Типичные единицы измерения для этой цели включают единицу Добсона и миллимоль на квадратный метр (ммоль/м 2 ).

Формирование

Большая часть образования тропосферного озона происходит, когда оксиды азота (NOx), окись углерода (CO) и летучие органические соединения (ЛОС) реагируют в атмосфере в присутствии солнечного света, особенно УФ-спектра. NOx, CO и ЛОС считаются предшественниками озона. [7] [6] Выхлопы автомобилей, промышленные выбросы и химические растворители являются основными антропогенными источниками этих предшественников озона. [6] Хотя предшественники озона часто возникают в городских районах, ветры могут переносить NOx на сотни километров, вызывая образование озона и в менее населенных регионах. Метан, летучие органические соединения, концентрация которого в атмосфере значительно возросла за последнее столетие, способствует образованию озона, но в глобальном масштабе, а не в виде локальных или региональных эпизодов фотохимического смога. В ситуациях, когда исключение метана из группы летучих органических соединений не является очевидным, часто используется термин «неметановые летучие органические соединения» (НМЛОС).

Химические реакции, участвующие в образовании тропосферного озона, представляют собой серию сложных циклов, в которых окись углерода и летучие органические соединения окисляются до водяного пара и углекислого газа. Реакции, участвующие в этом процессе, проиллюстрированы здесь на примере CO, но аналогичные реакции происходят и с ЛОС. Окисление начинается с реакции СО с гидроксильным радикалом ( • ОН). [11] Образующийся при этом промежуточный радикал быстро реагирует с кислородом с образованием пероксирадикала HO.
2•

Схема цепной реакции, происходящей 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 пероксидного радикала HO 2 • :

•ОН + СО → •НОСО
•HOCO + O 2 → HO 2 • + CO 2

Затем пероксирадикалы вступают в реакцию с NO с образованием NO 2 , который фотолизуется под действием УФ-А-излучения с образованием атомарного кислорода в основном состоянии , который затем реагирует с молекулярным кислородом с образованием озона. [1]

НО 2 • + НЕТ → • ОН + НЕТ 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:

СО + 2 О
2→ КО
2+ О
3

Количество озона, образующегося в результате этих реакций в окружающем воздухе, можно оценить с помощью модифицированного соотношения Лейтона . Ограничением этих взаимосвязанных циклов производства озона является реакция •OH с NO 2 с образованием азотной кислоты при высоких уровнях NOx . Если вместо этого оксид азота (NO) присутствует в атмосфере в очень низких концентрациях (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]

Влияние на здоровье

Воздействие на здоровье зависит от прекурсоров озона, представляющих собой группу загрязняющих веществ, образующихся в основном при сжигании ископаемого топлива. Приземный озон образуется в результате реакции оксидов азота с органическими соединениями в присутствии солнечного света. [18] Существует множество искусственных источников этих органических соединений, включая выбросы транспортных средств и промышленных предприятий, а также несколько других источников. [18] Реакция с дневными ультрафиолетовыми (УФ) лучами и этими прекурсорами приводит к загрязнению приземного озона (тропосферный озон). Известно, что озон в концентрациях, обычных для городского воздуха, оказывает следующее воздействие на здоровье:

В 1990-х годах было замечено, что приземный озон может ускорить смерть на несколько дней среди предрасположенных и уязвимых групп населения. [22] Статистическое исследование 95 крупных городских поселений в Соединенных Штатах выявило значительную связь между уровнем озона и преждевременной смертью. По оценкам исследования, снижение концентрации озона в городах на одну треть спасет примерно 4000 жизней в год (Bell et al., 2004). Тропосферный озон является причиной примерно 22 000 преждевременных смертей в год в 25 странах Европейского Союза. (ВОЗ, 2008 г.)

Проблемные места

Агентство по охране окружающей среды США разработало индекс качества воздуха, чтобы помочь широкой общественности объяснить уровни загрязнения воздуха. Средняя мольная доля озона за 8 часов от 76 до 95 нмоль/моль описывается как «вредная для чувствительных групп», от 96 до 115 нмоль/моль как вредная для здоровья и от 116 до 404 нмоль/моль как очень вредная для здоровья. [23] Агентство по охране окружающей среды определило более 300 округов США, сгруппированных вокруг наиболее густонаселенных районов (особенно в Калифорнии и на северо-востоке), как не соблюдающие Национальные стандарты качества окружающего воздуха .

В 2000 году к Соглашению о качестве воздуха между США и Канадой было добавлено Приложение по озону . Приложение по озону рассматривает трансграничное загрязнение воздуха, которое способствует образованию приземного озона, который способствует образованию смога. Основная цель заключалась в достижении надлежащих стандартов качества озонового воздуха в обеих странах. [24] Норт-Фронт-Рейндж в Колорадо не соответствует федеральным стандартам качества воздуха. В ноябре 2007 года Агентство по охране окружающей среды США определило Форт-Коллинз как часть зоны недостижения озона. [25] Это означает, что экологический закон США считает, что качество воздуха хуже, чем Национальные стандарты качества окружающего воздуха, которые определены в Законе о чистоте воздуха. Поправки к Закону о воздухе. [26] В 2018 году Ассоциация легких поставила округ Лаример на 19-е место в стране по количеству дней с высоким содержанием озона. [27] 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 мегаполисов и 156-е место по ежегодному загрязнению частицами из 203 мегаполисов. [27]

При мониторинге качества воздуха округ Боулдер , штат Колорадо, классифицируется Агентством по охране окружающей среды как часть группы из девяти округов, в которую входят агломерация Денвера и регион Норт-Фронт-Рейндж. В этой зоне, состоящей из девяти округов, с 2004 года регистрируются уровни озона, превышающие стандарты Агентства по охране окружающей среды. [28] В рамках Соглашения о ранних действиях были предприняты попытки довести качество воздуха в этом районе до стандартов Агентства по охране окружающей среды. Однако с 2004 года загрязнение озоном в округе Боулдер регулярно не соответствует федеральным стандартам, установленным Агентством по охране окружающей среды. [29] Округ Боулдер продолжает попытки смягчить часть загрязнения озоном с помощью программ, которые поощряют людей меньше водить машину и прекращать деятельность, загрязняющую озон, в дневную жару. [30]

Озон и климат

Приземный озон бывает как естественным, так и антропогенным. Это основная составляющая городского смога, образующаяся естественным путем в качестве вторичного загрязнителя в результате фотохимических реакций с участием оксидов азота и летучих органических соединений в присутствии яркого солнечного света и высоких температур. [31]

Независимо от того, происходит ли оно естественным путем или антропогенно, изменение концентрации озона в верхней тропосфере будет:

В результате в последние годы большое внимание уделяется фотохимическому загрязнению смогом земной поверхности, а также истощению стратосферного озона. Нарушения в «свободной тропосфере», вероятно, будут в центре внимания следующего цикла научных исследований. В некоторых частях северного полушария уровень тропосферного озона повышается. [32] В различных масштабах это может оказать влияние на уровень влажности, объем и дисперсию облаков, осадки и динамику атмосферы. С другой стороны, повышение уровня окружающей среды благоприятствует синтезу и накоплению озона в атмосфере благодаря двум физико-химическим механизмам. Во-первых, потепление климата изменяет условия влажности и ветра в некоторых частях мира, что приводит к снижению частоты приземных циклонов. [33]

Изменение климата влияет на процессы, влияющие на озон

Изменения температуры воздуха и содержания воды влияют на химический состав воздуха и скорость химических реакций, которые создают и удаляют озон. Скорость многих химических реакций увеличивается с повышением температуры и приводит к увеличению образования озона. Прогнозы изменения климата показывают, что повышение температуры и количества водяного пара в атмосфере, вероятно, приведет к увеличению приземного озона в загрязненных районах, таких как восточная часть Соединенных Штатов. [33] В частности, повышение температуры ускоряет разложение загрязняющего вещества пероксиацетилнитрата (ПАН), который является важным резервуаром для переноса на большие расстояния предшественников озона. В результате с повышением температуры срок службы ПАН сокращается, изменяя перенос загрязнения озоном на большие расстояния. Во-вторых, то же радиационное воздействие CO2 , которое вызывает глобальное потепление, приведет к охлаждению стратосферы. По прогнозам, это похолодание приведет к относительному увеличению истощения озона (O 3 ) в полярном регионе, а также к увеличению частоты образования озоновых дыр. [34]

С другой стороны, разрушение озона является радиационным воздействием на климатическую систему. Существуют два противоположных эффекта: уменьшение содержания озона приводит к тому, что стратосфера поглощает меньше солнечной радиации, охлаждая ее и одновременно нагревая тропосферу; в результате стратосфера излучает вниз меньше длинноволновой радиации, охлаждая тропосферу. МГЭИК считает, что «измеренные потери O3 в стратосфере за последние два десятилетия вызвали отрицательное воздействие на систему поверхность-тропосфера» примерно 0,15–0,10 Вт на квадратный метр (Вт/м 2 ). [35] Кроме того, повышение температуры воздуха часто улучшает процессы образования озона, что также имеет последствия для климата.

Кроме того, поскольку изменение климата приводит к таянию морского льда, морской лед выделяет 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, а также окисление ртути до более токсичных форм. [36] Производство озона увеличивается во время периодов жары , поскольку растения поглощают меньше озона. По оценкам, ограниченное поглощение озона растениями могло стать причиной гибели 460 человек в Великобритании жарким летом 2006 года. [37] Аналогичное исследование по оценке совместного воздействия озона и тепла во время волн жары в Европе в 2003 году. , пришел к выводу, что они кажутся аддитивными. [38]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Warneck, Питер (1999). Химия природной атмосферы . Академическая пресса. ISBN 9780080529066.
  2. ^ abc «8.2 Тропосферный озон». elte.prompt.hu . Проверено 12 ноября 2018 г.
  3. ^ Департамент окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства (Defra) webmaster@defra gsi gov uk. «Что такое стратосферный озон? - Дефра, Великобритания». uk-air.defra.gov.uk . Проверено 26 октября 2019 г.
  4. ^ ab «Наблюдение за озоном НАСА: факты об озоне» . ozonewatch.gsfc.nasa.gov . Проверено 12 ноября 2018 г.
  5. ^ Фэйи, Дэвид В. (2011). Двадцать вопросов и ответов об обновлении озонового слоя, 2010 г.: научная оценка разрушения озона, 2010 г. (PDF) . Хегглин, Микаэла И., США. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства., Программа ООН по окружающей среде., Всемирная метеорологическая организация., Европейская комиссия. Женева, Швейцария: Всемирная метеорологическая организация. ISBN 978-9966-7319-4-4. ОСЛК  770711102.
  6. ^ abcdef «Озон в тропосфере | Центр научного образования UCAR». scied.ucar.edu . Проверено 12 ноября 2018 г.
  7. ^ ab «Тропосферный озон | Коалиция климата и чистого воздуха» . ccacoalition.org . Проверено 12 ноября 2018 г.
  8. ^ ab Агентство по охране окружающей среды США, OAR (29 мая 2015 г.). «Основы приземного озона». Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 26 октября 2019 г.
  9. ^ Блумер, Брайан Дж.; Штер, Джеффри В.; Благочестие, Чарльз А.; Салавич, Росс Дж.; Дикерсон, Рассел Р. (2009). «Наблюдаемые связи загрязнения воздуха озоном с температурой и выбросами». Письма о геофизических исследованиях . 36 (9). дои : 10.1029/2009GL037308. ISSN  1944-8007 . Проверено 03 января 2024 г.
  10. ^ Танигучи, Нори; Такахаси, Кенши; Мацуми, Ютака (2000). «Фотодиссоциация O3 около 309 нм». Журнал физической химии А. 104 (39): 8936–8944. Бибкод : 2000JPCA..104.8936T. дои : 10.1021/jp001706i. ISSN  1089-5639.
  11. ^ abc Ривз, Клэр Э.; Пенкетт, Стюарт А.; Богит, Стефан; Закон, Кэти С.; Эванс, Мэтью Дж.; Бэнди, Брайан Дж.; Монкс, Пол С.; Эдвардс, Гэвин Д.; Филлипс, Гэвин (11 декабря 2002 г.). «Возможность фотохимического образования озона в тропосфере над Северной Атлантикой, полученная по данным авиационных наблюдений во время ACSOE». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 107 (D23): ACH 14–1 – ACH 14–14. Бибкод : 2002JGRD..107.4707R. дои : 10.1029/2002jd002415 . ISSN  0148-0227.
  12. ^ ab "Как измеряется озон в атмосфере?" (PDF) . ЭРСЛ НОАА .
  13. ^ «Измерение озона из космоса» . Проверено 12 ноября 2018 г.
  14. ^ НАСА. «Зонд-спектрометр-земля-зонд для полного картирования озона».
  15. ^ НАСА. «Проект ТРОПЕСС и миссия ТЕС». tes.jpl.nasa.gov . Проверено 12 ноября 2018 г.
  16. ^ LaRC, Али Акнан (22 июня 2005 г.). «Интегрированный центр данных НАСА по химии тропосферы». www-air.larc.nasa.gov . Проверено 12 ноября 2018 г.
  17. ^ Лаборатория Министерства торговли США, NOAA, Исследование системы Земли. «Лаборатория глобального мониторинга ESRL - озон и водяной пар». esrl.noaa.gov . Проверено 12 ноября 2018 г.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ ab «Озон: хорошо вверху, плохо рядом» (PDF) . epa.gov . Проверено 26 октября 2019 г.
  19. ^ ab Агентство по охране окружающей среды США, OAR (05.06.2015). «Влияние загрязнения озона на здоровье». Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 26 октября 2019 г.
  20. ^ «Воздействие приземного озона».
  21. ^ Адар, Сара Дубовски (25 сентября 2012 г.). «Воздействие озона в детстве». Тираж . 126 (13): 1570–1572. дои : 10.1161/circulationaha.112.133207 . ISSN  0009-7322. ПМИД  23008468.
  22. ^ 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.
  23. ^ «Смог. Кому это вредит? EPA-452/K-99-001» (PDF) . airnow.gov (EPA) . Июль 1999 года.
  24. ^ «Соглашение о качестве воздуха между Канадой и США: обзор» . 25 января 2005 г.
  25. ^ «Часто задаваемые вопросы по озону || Качество воздуха» . fcgov.com . Проверено 26 октября 2019 г.
  26. ^ Агентство по охране окружающей среды США, OAR (10 апреля 2014 г.). «Таблица НААКС». Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 26 октября 2019 г.
  27. ^ ab "Форт-Коллинз, Колорадо". Американская ассоциация легких . Проверено 26 октября 2019 г.
  28. ^ «Озон». Округ Боулдер . Проверено 26 октября 2019 г.
  29. ^ «Простые шаги. Лучший воздух. - Программа Регионального совета по качеству воздуха Колорадо» . simplestepsbetterair.org . Проверено 26 октября 2019 г.
  30. ^ «Озон». Округ Боулдер . 2020 . Проверено 22 января 2020 г.
  31. ^ Эби, Кристи Л.; МакГрегор, Гленн (1 ноября 2008 г.). «Изменение климата, тропосферный озон и твердые частицы, а также воздействие на здоровье». Перспективы гигиены окружающей среды . 116 (11): 1449–1455. дои : 10.1289/ehp.11463. ПМЦ 2592262 . ПМИД  19057695. 
  32. ^ «Королевское общество» (PDF) . royalsociety.org . Проверено 31 марта 2022 г.
  33. ^ аб Эби, Кристи Л.; МакГрегор, Гленн (1 ноября 2008 г.). «Изменение климата, тропосферный озон и твердые частицы, а также воздействие на здоровье». Перспективы гигиены окружающей среды . 116 (11): 1449–1455. дои : 10.1289/ehp.11463. ПМЦ 2592262 . ПМИД  19057695. 
  34. ^ Монен, Вирджиния; Гольдштейн, В.; Ван, В.-К. (октябрь 1993 г.). «Тропосферный озон и изменение климата». Воздух и отходы . 43 (10): 1332–1334. дои : 10.1080/1073161x.1993.10467207 . ISSN  1073-161X.
  35. ^ Паскаль Браконно, Натан П. Джиллетт, Йонг Луо, Хосе А. Маренго Орсини, Невилл Николлс, Джойс Э. Пеннер, Питер А. Стотт. «Понимание и объяснение изменения климата» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 8 мая 2018 г.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  36. ^ Цзинь Ляо; и другие. (Январь 2014). «Высокий уровень молекулярного хлора в арктической атмосфере». Природа Геонауки . 7 (2): 91–94. Бибкод : 2014NatGe...7...91L. дои : 10.1038/ngeo2046.
  37. ^ «Дело не только в жаре, но и в озоне: исследование выявляет скрытые опасности» . Университет Йорка . Проверено 14 января 2014 г.
  38. ^ Косацкий Т. (июль 2005 г.). «Волны жары в Европе 2003 года». Евронадзор . 10 (7): 3–4. doi : 10.2807/esm.10.07.00552-en . ПМИД  29208081.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки