Приземный озон ( O3 ), также известный как приземный озон и тропосферный озон , является следовым газом в тропосфере (самый нижний уровень атмосферы Земли ) со средней концентрацией 20–30 частей на миллиард по объему (ppbv), с близкой к 100 ppbv в загрязненных районах. [1] [2] Озон также является важной составляющей стратосферы , где существует озоновый слой (от 2 до 8 частей на миллион озона), который находится 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 меньше всего 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 сгорании) 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% всего озона в атмосфере находится в стратосфере, а 10% — в тропосфере. [5] Хотя тропосферный озон менее концентрирован, чем стратосферный, он вызывает беспокойство из-за своего воздействия на здоровье. [6] Озон в тропосфере считается парниковым газом и может способствовать глобальному потеплению . [4] [6]
Фотохимические и химические реакции с участием озона управляют многими химическими процессами, которые происходят в тропосфере днем и ночью. При аномально высоких концентрациях (крупнейшим источником являются выбросы от сжигания ископаемого топлива ) он является загрязняющим веществом и компонентом смога . [7] [6] Его уровни значительно возросли со времен промышленной революции, поскольку газы NOx и ЛОС являются одними из побочных продуктов сгорания. [8] С увеличением тепла и солнечного света в летние месяцы образуется больше озона, поэтому регионы часто испытывают более высокие уровни загрязнения в летние месяцы. [9] Хотя молекула озона на уровне земли одна и та же, он может быть вреден для здоровья человека, в отличие от стратосферного озона, который защищает землю от избыточного ультрафиолетового излучения. [8]
Фотолиз озона происходит на длинах волн ниже примерно 310–320 нанометров . [10] [11] Эта реакция инициирует цепочку химических реакций, которые удаляют оксид углерода , метан и другие углеводороды из атмосферы путем окисления . Таким образом, 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), эта цепочка реакций имеет чистый продукт озона, добавленного в систему. [2] [6]
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 стратосфера имеет более высокую концентрацию озона, чем тропосфера, важно, чтобы приборы дистанционного зондирования могли определять высоту вместе с измерениями концентрации. Спектрометр для картирования общего озона - зонд для измерения уровня земли (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 тропосферы. [15] ЛИДАР - это распространенная наземная технология дистанционного зондирования, которая использует лазер для измерения озона. Сеть лидаров для измерения тропосферного озона (TOLNet) - это сеть лидаров для наблюдения за озоном по всей территории Соединенных Штатов. [16]
Озонозонды являются формой приборов для измерения озона in situ или локальных приборов. Озонозонд прикрепляется к метеорологическому шару, так что прибор может напрямую измерять концентрацию озона на различных высотах вдоль траектории движения шара. Информация, собранная с прибора, 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 в сетях мониторинга качества воздуха окружающей среды. В этих сетях для измерения уровня ppb в окружающем воздухе используются локальные озоновые мониторы, основанные на свойствах озона поглощать ультрафиолет.
Общее содержание озона в атмосфере (иногда его можно увидеть в прогнозах погоды) измеряется в столбе от поверхности до верхних слоев атмосферы, и в нем преобладают высокие концентрации стратосферного озона. Типичные единицы измерения для этой цели включают единицу Добсона и миллимоли на квадратный метр (ммоль/м 2 ).
Большая часть образования тропосферного озона происходит, когда оксиды азота (NOx), оксид 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] Выхлопные газы 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 также и в менее населенных регионах. Метан, ЛОС, концентрация которого в атмосфере значительно возросла за последнее столетие, способствует образованию озона, но в глобальном масштабе, а не в локальных или региональных эпизодах фотохимического смога. В ситуациях, когда это исключение метана из группы веществ ЛОС не очевидно, часто используется термин неметановые ЛОС (НМЛОС).
В помещении озон вырабатывается некоторыми высоковольтными электрическими устройствами (например, ионизаторами воздуха ), а также в качестве побочного продукта других типов загрязнения. [18] Наружный воздух, используемый для вентиляции, может содержать достаточно озона для реакции с распространенными загрязнителями в помещении , а также с кожными маслами и другими распространенными химическими веществами или поверхностями в помещении. Особая обеспокоенность оправдана при использовании «зеленых» чистящих средств на основе экстрактов цитрусовых или терпенов , поскольку эти химические вещества очень быстро реагируют с озоном, образуя токсичные и раздражающие химические вещества [19], а также мелкие и сверхтонкие частицы .
Химические реакции, участвующие в образовании тропосферного озона, представляют собой ряд сложных циклов, в которых оксид углерода и ЛОС окисляются до водяного пара и диоксида углерода. Реакции, участвующие в этом процессе, проиллюстрированы здесь на примере CO, но аналогичные реакции происходят и для ЛОС. Окисление начинается с реакции CO с гидроксильным радикалом ( • OH). [11] Образующийся при этом радикальный промежуточный продукт быстро реагирует с кислородом, образуя пероксидный радикал HO
2•
Схема цепной реакции, которая происходит при окислении CO, в результате чего образуется O 3 : [2] [11]
Реакция начинается с окисления CO гидроксильным радикалом ( • OH). Радикальный аддукт (• HOCO) нестабилен и быстро реагирует с кислородом, давая пероксидный радикал , HO 2 • :
Затем пероксирадикалы вступают в реакцию с NO, образуя NO2 , который фотолизуется под действием УФ-А-излучения, образуя атомарный кислород в основном состоянии , который затем реагирует с молекулярным кислородом, образуя озон. [1]
В этом случае результирующая реакция будет следующей:
Количество озона, образующегося в результате этих реакций в окружающем воздухе, можно оценить с помощью модифицированного соотношения Лейтона . Пределом этих взаимосвязанных циклов, производящих озон, является реакция •OH с NO 2 с образованием азотной кислоты при высоких уровнях NOx . Если вместо этого в атмосфере присутствует оксид азота (NO) на очень низких уровнях (менее 10 приблизительно ppt), пероксидные радикалы (HO 2 • ), образующиеся в результате окисления, вместо этого будут реагировать друг с другом с образованием пероксидов , а не производить озон. [1]
Влияние на здоровье зависит от прекурсоров озона, которые представляют собой группу загрязняющих веществ, в основном образующихся при сгорании ископаемого топлива. Приземный озон образуется при реакции оксидов азота с органическими соединениями в присутствии солнечного света. [20] Существует множество искусственных источников этих органических соединений, включая выбросы транспортных средств и промышленных предприятий, а также несколько других источников. [20] Реакция с дневными ультрафиолетовыми (УФ) лучами и этими прекурсорами приводит к загрязнению приземного озона (тропосферный озон). Известно, что озон оказывает следующее воздействие на здоровье при концентрациях, обычных для городского воздуха:
В 1990-х годах было отмечено, что приземный озон может ускорить смерть на несколько дней у предрасположенных и уязвимых групп населения. [24] Статистическое исследование 95 крупных городских сообществ в Соединенных Штатах обнаружило значительную связь между уровнем озона и преждевременной смертью. Исследование подсчитало, что снижение концентрации городского озона на треть спасло бы около 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)
Агентство по охране окружающей среды США разработало индекс качества воздуха, чтобы помочь объяснить уровень загрязнения воздуха для широкой общественности. 8-часовая средняя мольная доля озона от 76 до 95 нмоль/моль описывается как «вредная для чувствительных групп», от 96 нмоль/моль до 115 нмоль/моль — как вредная для здоровья, а от 116 нмоль/моль до 404 нмоль/моль — как очень вредная для здоровья. [25] Агентство по охране окружающей среды обозначило более 300 округов США, расположенных вокруг наиболее густонаселенных районов (особенно в Калифорнии и на северо-востоке), как не соответствующие Национальным стандартам качества окружающего воздуха .
В 2000 году к Соглашению США и Канады о качестве воздуха было добавлено Приложение по озону . Приложение по озону рассматривает трансграничное загрязнение воздуха, которое способствует образованию приземного озона, который способствует смогу. Основной целью было достижение надлежащих стандартов качества воздуха по озону в обеих странах. [26] Северный фронтальный хребет Колорадо не соответствует федеральным стандартам качества воздуха. Агентство по охране окружающей среды США определило Форт-Коллинз как часть зоны недостижения озонового слоя в ноябре 2007 года. [27] Это означает, что законодательство США об охране окружающей среды считает качество воздуха хуже, чем Национальные стандарты качества окружающего воздуха, которые определены в поправках к Закону о чистом воздухе. [28] В 2024 году Ассоциация по борьбе с болезнями легких поставила Форт-Коллинз на 16-е место в стране по количеству дней с высоким содержанием озона среди 228 мегаполисов, на 38-е место по 24-часовому загрязнению частицами среди 223 мегаполисов и на 136-е место по годовому загрязнению частицами среди 204 мегаполисов. [29]
В мониторинге качества воздуха округ Боулдер , штат Колорадо, классифицируется Агентством по охране окружающей среды как часть группы из девяти округов, которая включает в себя территорию метрополитена Денвера и регион Северного фронта. В этой зоне из девяти округов с 2004 года зафиксированы уровни озона, превышающие стандарт озона Агентства по охране окружающей среды. [30] В рамках Соглашения о ранних действиях были предприняты попытки привести качество воздуха в этом районе в соответствие со стандартами Агентства по охране окружающей среды. Однако с 2004 года загрязнение озоном в округе Боулдер регулярно не соответствовало федеральным стандартам, установленным Агентством по охране окружающей среды. [31] Округ Боулдер продолжает пытаться смягчить часть загрязнения озоном с помощью программ, которые поощряют людей меньше ездить на автомобиле и прекращать деятельность, загрязняющую озон, в жаркий день. [32]
Приземный озон встречается как в естественном виде, так и в антропогенном. Он является основным компонентом городского смога, образуясь естественным образом как вторичный загрязнитель посредством фотохимических реакций с участием оксидов азота и летучих органических соединений в присутствии яркого солнечного света при высоких температурах. [33]
Независимо от того, происходит ли это естественным путем или является результатом деятельности человека, изменение концентрации озона в верхней тропосфере будет:
В результате, фотохимическое смоговое загрязнение на поверхности Земли, а также истощение стратосферного озона получили много внимания в последние годы. Нарушения в «свободной тропосфере», вероятно, будут в центре внимания следующего цикла научной озабоченности. В нескольких частях северного полушария уровни тропосферного озона растут. [34] В различных масштабах это может оказать влияние на уровень влажности, объем облаков и их дисперсию, осадки и динамику атмосферы. С другой стороны, восходящая среда благоприятствует синтезу и накоплению озона в атмосфере из-за двух физико-химических механизмов. Во-первых, потепление климата изменяет условия влажности и ветра в некоторых частях мира, что приводит к снижению частоты поверхностных циклонов. [35]
Изменения температуры воздуха и содержания воды влияют на химию воздуха и скорости химических реакций, которые создают и удаляют озон. Многие скорости химических реакций увеличиваются с температурой и приводят к увеличению производства озона. Прогнозы изменения климата показывают, что повышение температуры и водяного пара в атмосфере, вероятно, увеличит приземный озон в загрязненных районах, таких как восточная часть Соединенных Штатов. [35] В частности, деградация загрязняющего вещества пероксиацетилнитрата (ПАН), который является важным резервуаром для дальнего переноса предшественников озона, ускоряется при повышении температуры. В результате, по мере повышения температуры, время жизни ПАН сокращается, изменяя дальний перенос озонового загрязнения. Во-вторых, то же самое радиационное воздействие CO 2 , которое вызывает глобальное потепление, охладит стратосферу. Прогнозируется, что это охлаждение приведет к относительному росту истощения озона (O 3 ) в полярном регионе, а также к увеличению частоты озоновых дыр. [36]
С другой стороны, истощение озонового слоя является радиационным воздействием на климатическую систему. Существуют два противоположных эффекта: уменьшение озона заставляет стратосферу поглощать меньше солнечной радиации, охлаждая ее и нагревая тропосферу; в результате стратосфера испускает меньше длинноволновой радиации вниз, охлаждая тропосферу. МГЭИК считает, что «измеренные потери стратосферного O3 за последние два десятилетия привели к отрицательному воздействию на систему поверхность-тропосфера» около 0,15–0,10 Вт на квадратный метр (Вт/м 2 ). [37] Кроме того, повышение температуры воздуха часто улучшает процессы образования озона, что также влияет на климат.
Кроме того, поскольку изменение климата приводит к таянию морского льда, морской лед выделяет молекулярный хлор , который реагирует с УФ-излучением, образуя радикалы хлора. Поскольку радикалы хлора очень реактивны, они могут ускорить деградацию метана и тропосферного озона и окисление ртути до более токсичных форм. [38] Производство озона увеличивается во время волн тепла , поскольку растения поглощают меньше озона. По оценкам, сокращение поглощения озона растениями может быть причиной потери 460 жизней в Великобритании жарким летом 2006 года. [39] Аналогичное исследование для оценки совместного воздействия озона и тепла во время европейских волн тепла в 2003 году пришло к выводу, что они, по-видимому, являются аддитивными. [40]
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )