Озон (O3) представляет собой газовые следы тропосферы со средней концентрацией 20–30 частей на миллиард по объему (ppbv), с почти 100 ppbv в загрязненных районах. Озон также является важным компонентом стратосферы, где существует озоновый слой, расположенный на высоте от 10 до 50 километров над поверхностью земли. тропосфера - самый нижний слой атмосферы Земли. Он простирается от земли до переменной высоты примерно 14 километров над уровнем моря. Озон наименее сконцентрирован в приземном слое (или пограничном слое планеты) тропосферы. Озон на уровне земли или тропосферы образуется в результате химических реакций между оксидами азота (NOx газами) 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. Около 90% всего озона в атмосфере находится в стратосфере, а 10% - в тропосфере. Хотя тропосферный озон менее концентрирован, чем стратосферный озон, он вызывает озабоченность из-за его воздействия на здоровье. Озон в тропосфере считается парниковым газом и может способствовать глобальному потеплению.
Фотохимические и химические реакции с участием озона управляют многими химическими процессами, которые происходят в тропосфере днем и ночью.. При аномально высоких концентрациях (крупнейший источник - выбросы от сжигания ископаемого топлива) он является загрязняющим веществом и входит в состав смога. Его уровни значительно выросли после промышленной революции, поскольку газы NOx и летучие органические соединения являются одними из побочных продуктов сгорания. При большем количестве тепла и солнечного света в летние месяцы образуется больше озона, поэтому регионы часто испытывают более высокий уровень загрязнения в летние месяцы. Хотя эта же молекула, приземный озон может быть вредным для нашего здоровья, в отличие от стратосферного озона, который защищает Землю от избыточного УФ-излучения.
Фотолиз озона происходит на длинах волн ниже примерно 310–320 нанометров. Эта реакция инициирует цепочку химических реакций, которые удаляют монооксид 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 окиси углерода или метана происходит в присутствии окиси азота (NO), в этой цепочке реакций в систему добавляется чистый продукт озона.
Содержание озона в атмосфере может быть измерено с помощью технологии дистанционного зондирования или с помощью 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. Поскольку в стратосфере концентрация озона выше, чем в тропосфере, важно, чтобы приборы дистанционного зондирования могли определять высоту вместе с измерениями концентрации. Прибор TOMS-EP на борту спутника от NASA является примером спутника для измерения озонового слоя, а TES является примером спутника для измерения озона, который специально для тропосферы. Лидар - это обычный наземный метод дистанционного зондирования для измерения озона. TOLnet - это сеть лидаров для наблюдения за озоном в Соединенных Штатах.
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 шара. Информация, собранная с помощью прибора, прикрепленного к аэростату, передается обратно с помощью технологии радиозонда. NOAA работает над созданием глобальной сети измерений тропосферного озона с использованием озонозондов.
Озон также измеряется в сетях качества воздуха мониторинга окружающей среды. В этих сетях для измерения уровней содержания в частях на миллиард в окружающем воздухе используются локальные мониторы озона, основанные на его УФ-поглощающих свойствах.
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 миллимоль на квадратный метр (ммоль / м2).
Большая часть образования тропосферного озона происходит, когда оксиды азота (NOx), оксид углерода (CO) и летучие органические вещества. соединения (ЛОС) реагируют в атмосфере в присутствии солнечного света, особенно в УФ-спектре. NOx, CO и ЛОС считаются прекурсорами озона. Выхлопные газы автомобилей, промышленные выбросы и химические растворители являются основными антропогенными источниками этих прекурсоров озона. 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 значительно увеличилась 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 ЛОС окисляются до водяного пара и диоксида углерода. Реакции, участвующие в этом процессе, показаны здесь для CO, но аналогичные реакции происходят и для VOC. Окисление начинается с реакции CO с гидроксильным радикалом (OH). Образовавшийся при этом промежуточный радикал быстро реагирует с кислородом с образованием пероксирадикала . HO. 2
Схема цепной реакции, которая происходит при окислении CO с образованием O 3:
Реакция начинается с окисления CO посредством гидроксильный радикал (ОН). Радикал аддукт (• HOCO) нестабилен и быстро реагирует с кислородом с образованием пероксирадикала , HO 2:
Пероксирадикалы затем вступают в реакцию с NO с образованием NO 2, что составляет фотолизируется УФ-излучением с образованием атомарного кислорода в основном состоянии, который затем реагирует с молекулярным кислородом с образованием озона.
Тогда чистая реакция в этом случае будет:
Количество озона, образующегося в результате этих реакций в окружающем воздухе, может быть оценивается с использованием модифицированного отношения Лейтона. Ограничением этих взаимосвязанных циклов образования озона является реакция • ОН 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 •), образованные в результате окисления, вместо этого будут реагировать сами с собой с образованием перекиси и не производят озон.
Воздействие на здоровье зависит от прекурсоров озона, которые представляют собой группу загрязнителей, в основном образующихся при сгорании ископаемого топлива. Приземный озон образуется в результате реакции оксидов азота с органическими соединениями в присутствии солнечного света. Существует множество искусственных источников этих органических соединений, включая автомобильные и промышленные выбросы, а также несколько других источников. Реакция с ультрафиолетовыми (УФ) лучами дневного света и этими прекурсорами создает загрязнение озоном на уровне земли (тропосферный озон). Известно, что озон в концентрациях, характерных для городского воздуха, оказывает следующие воздействия на здоровье:
В 1990-х годах было замечено, что приземный озон может способствовать смерти за счет несколько дней в предрасположенных и уязвимых группах населения. Статистическое исследование 95 крупных городских сообществ в США обнаружило значительную связь между уровнем озона и преждевременной смертью. По оценкам исследования, снижение концентрации озона в городах на треть может спасти примерно 4000 жизней в год (Bell et al., 2004). Тропосферный озон вызывает примерно 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 широкой общественности объяснить уровни загрязнения воздуха. Средние мольные доли озона за 8 часов от 76 до 95 нмоль / моль описаны как «вредные для чувствительных групп», от 96 до 115 нмоль / моль как «вредные для здоровья» и от 116 до 404 нмоль / моль. нмоль / моль как «очень вредно для здоровья» [1]. EPA определило более 300 округов США, сгруппированных вокруг наиболее густонаселенных районов (особенно в Калифорнии и на северо-востоке), как не соответствующие Национальным стандартам качества окружающего воздуха.
Северный фронт. Колорадо не соблюдает федеральные стандарты качества воздуха. Агентство по охране окружающей среды США включило Форт-Коллинз в зону недостижения озона в ноябре 2007 года. Это означает, что экологическое законодательство США считает качество воздуха хуже, чем Национальные стандарты качества окружающего воздуха, которые определены в документе «Чистый воздух». Поправки к Закону. В 2018 году Ассоциация легких заняла 19-е место в округе Лаример по количеству дней с высоким содержанием озона. Форт-Коллинз также занял 24 место по количеству дней с высоким содержанием озона из 228 мегаполисов, 52 по уровню 24-часового загрязнения твердыми частицами из 217 мегаполисов и 156 место по ежегодному загрязнению частицами из 203 городских районов.
При мониторинге качества воздуха Округ Боулдер, штат Колорадо, классифицируется Агентством по охране окружающей среды как часть группы из девяти округов, которая включает в себя район метро Денвера и регион North Front Range. В этой зоне, состоящей из девяти графств, с 2004 года зарегистрированы уровни озона, превышающие стандарты EPA по озону. В рамках Соглашения о ранних действиях были предприняты попытки привести 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. Округ Боулдер продолжает попытки уменьшить часть загрязнения озоном с помощью программ, которые побуждают людей меньше водить машину и прекращать деятельность, загрязняющую озон, в дневную жару.
Таяние 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 и окисление ртути до более токсичных форм. Производство озона увеличивается во время волн тепла, потому что растения поглощают меньше озона. По оценкам, ограниченное поглощение озона растениями могло быть причиной гибели 460 человек в Великобритании жарким летом 2006 года. Аналогичное исследование по оценке совместного воздействия озона и тепла во время волн тепла в Европе в 2003 году показало, что они кажутся аддитивными.