Среднесуточная предельно допустимая концентрация

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 свойствамипарникового 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).

Пространственно- временная изменчивость распределения озона

 в земной атмосфере.

Распределение озона в земной атмосфере по высоте показано на рисунке 2.

Рисунок 2 Зависимость парциального давления озона от высоты над земной поверхностью.

Как видим из рисунка 2, с удалением от поверхности Земли, парциальное давление озона, а значит и его концентрация, растет и достигает максимума на высоте 23-28 км. Здесь воздух содержит от 3×1011 до 3×1012 молекул в одном кубическом сантиметре. Выше содержание озона в воздухе монотонно снижается до высоты 90-100 км, где наблюдается еще один его максимум, в котором парциальное давление озона не превосходит 1 мПа. Далее оно монотонно убывает стремясь к нулю.

Основной характеристикой распределения озона в атмосфере над различными участками земной поверхности является общее содержание озона ОСО. Оно впервые было измерено Добсоном (младшим) на метеостанции п. Ароза (Швейцария) в 1926 году.

На территории СССР аналогичные наблюдения впервые осуществил академик В. А. Фесенков в Купчино (под Москвой). Ныне в Украине действуют озонометрические станции в Киеве, Борисполе (под Киевом), Одессе, Феодосии и Львове, ранее входившие в сеть станций СССР, функционирующую с 1960 года.

С 1979 года осуществляется глобальный спутниковый мониторинг ОСО, информация которого представлена в Интернете на сайте WOUDC (Всемирного центра мониторинга ультрафиолетовой радиации и озона, расположенного в Торонто, Канада).  

ОСО характеризуется толщиной слоя, который мог бы образовать весь озон, содержащийся в атмосфере над некоторым участком земной поверхности, если бы его полностью собрать в приземном слое земной атмосферы и создать в этом слое температуру 0^оС и давление равное нормальному атмосферному. Наиболее распространены такие характеристики ОСО как среднесуточное, среднемесячное и среднегодовое значения, получаемые путем усреднения его мгновенных значений за соответствующий отрезок времени.

ОСО измеряется в единицах Добсона (е. Д.), в качестве которой рассматривается 0.01 мм толщины этого слоя. Среднее значение ОСО в земной атмосфере равно 350 е. Д. Максимальные значения ОСО достигают 650 е. Д. (над Камчаткой и Охотским морем), а минимальные 130 е. Д. в озоновой дыре, существующей над Антарктидой с мая по ноябрь.

Рисунок 3. Пример распределения ОСО в атмосфере над южным полушарием земли 12.10.2000 в 12 .00 по гринвичскому времени.

На протяжение всего года не превышают 275 е. Д. значения ОСО над экваториальным климатическим поясом. Над Украиной на протяжение года ОСО изменяется в пределах 300-380 е. Д..

У поверхности Земли фоновая концентрация озона в течение суток проходит через максимум днем в 10-18 ч и минимум перед рассветом в 3-6 ч.. В апреле и мае концентрация озона здесь в 3,5 раза выше, чем в октябре и ноябре.

В атмосфере городов концентрация озона выше, чем в сельской местности.