Nadmiar ozonu w troposferze

Encyklopedia Klimatologiczna ESPERE. Skrót od angielskich słów:
ENVIRONMENTAL SCIENCE PUBLISHED FOR EVERYBODY ROUND THE EARTH
ENCYKLOPEDIA ESPERE - menu główne (rozwiń)
Dział: Troposfera. Poziom zaawansowany.
dział TROPOSFERA: ZAAWANSOWANE - menu (rozwiń)

Skąd bierze się ozon? Jakie mechanizmy rządzą tworzeniem się i rozpadem ozonu? Spróbujemy zrozumieć, dlaczego obecność ozonu w troposferze nie może być wytłumaczona w prosty sposób.

Tlenki azotu i związki organiczne regulują ilość ozonu

Dowiedzieliśmy się o rozmaitych cechach ozonu w troposferze w Części 3 "poziom podstawowy". Przeglądnij ponownie rozdział "Smog ozonowy" i ten schemat poniżej.

1. Jak powstaje smog ozonowy.
Schemat: Elmar Uherek

Wysokie stężenia ozonu występują na obszarach miejskich i wokół nich, gdy w gorący dzień jest duży ruch uliczny i duża emisja gazów organicznych (tzw. VOC (ang. volatile organic compounds) = lotne związki organiczne).

2. a) Cykl tworzenia i rozpadu ozonu. Nie ma żadnej produkcji netto, ani zużycia.

Obecność tlenków azotu i światła słonecznego (hv*) samo w sobie niekoniecznie prowadzi do powstania ozonu, ponieważ ozon reaguje ponownie ze świeżo powstałym NO. Konsekwencją takiego cyklu jest to, że odbywa się duża konwersja, ale bez żadnej produkcji netto, ani zużycia. Nazywamy to cyklem zerowym. Cykl taki często występuje w atmosferze, także w przypadku innych związków.

2. b) Procesy chemiczne z udziałem związków organicznych RH konkurują z ozonem w wyścigu po NO.

Jednakże, w powietrzu znajdują się też lotne (= gazowe) związki organiczne (VOC). W reakcjach chemicznych często są skracane do nazwy RH. Reagują one z rodnikami OH, tworząc rodniki nadtlenowe RO2, które z kolei utleniają NO. Ponieważ ta reakcja konkuruje ze reakcją powodującą rozpad ozonu, może powstać więcej ozonu niż ulegnie rozpadowi.

* hv oznacza światło słoneczne, ponieważ wzór kwantowo - mechaniczny energii świetlnej wynosi E = hv

3. Izoplety ozonu - wykres pokazuje zależność między powstaniem wysokich stężeń ozonu, a idealną mieszaniną lotnych związków organicznych (VOC) i tlenków azotu (NOx).
Ilustracje 2 + 3 pochodzą z wykładu Mike Hannigan, Uniw. Kolorado, Boulder

Na wykresie z tzw. izopletami widać czarne linie oznaczające dane stężenia ozonu. To, czy powstanie więcej czy mniej ozonu, silnie zależy od wzajemnego stosunku tlenków azotu NOx i lotnych związków organicznych VOC (= RH) w powietrzu. Jeśli w powietrzu jest dużo tlenku azotu, ale niewiele VOC, ozon nie powstanie (niebieski punkt A). Może on nawet zostać zużyty, jak to się czasem dzieje w centrum miast. Jeśli występuje wysoki poziom VOC, ale prawie nie ma NOx, poziom ozonu jest też niski (punkt B). Jedynie gdy wzajemny stosunek zawartości tych związków w powietrzu jest właściwy, i oba występują w dość dużych ilościach, wtedy poziom ozonu się powiększa (punkt C). Zawartość ozonu w powietrzu zmienia się szybko, zależnie od lokalnych warunków: pory dnia, dopływu światła słonecznego i lokalnych emisji. Obliczenie globalnego średniego stężenia, jak w przypadku metanu albo dwutlenku węgla, jest zatem trudne.

Inne źródła ozonu

Miejski ruch uliczny nie jest jedynym źródłem ozonu, ponieważ nie jest też jedynym źródłem tlenków azotu, które odgrywają dużą rolę w tworzeniu sie ozonu. Tlenki azotu mogą pochodzić z innych procesów spalania, np. z pożarów lasów. Zdjęcie poniżej pokazuje dym (kolor biały) i wzrastające stężenia ozonu (kolory od zielonego do żółtego i czerwonego) w wyniku dużego pożaru w Indonezji w 1997 r. W następnym tekście będziesz mógł przeczytać więcej o innych procesach zachodzących w powietrzu podczas pożarów lasów.
Błyskawica jest kolejnym źródłem tlenków azotu. Kiedyś zaobserwowano w Australii wysokie stężenia ozonu i badacze przypuszczali, że pochodzą one z działalności człowieka. Jednakże, po zbadaniu kierunku wiatru, stało się jasne, że powodem były burze i intensywne wyładowania nad pd. Afryką.

4. Chmura dymu z palących się lasów w Indonezji.
Zdęcie: dzięki uprzejmości NASA GSFC Scientific Visualization Studio, w oparciu o dane z TOMS

Pomiary stężenia ozonu

Patrząc na chmurę dymu nad Indonezją i Oceanem Indyjskim, nasuwa się pytanie, skąd czerpiemy informacje o stężeniach ozonu. Zapewne nie ma w Indonezji, ani na oceanie zbyt wielu stacji pomiarowych. Zawartość ozonu w powietrzu jest mierzona z przestrzeni kosmicznej przez przyrządy zainstalowane na satelitach. Jednakże, opracowując dane z satelity, musimy wziąć pod uwagę, że z przestrzeni kosmicznej da się obserwować całą atmosferę. Popatrzmy na ryc. 5 przedstawiającą tendencje zmian zawartości ozonu, zmierzone w niemieckim Obserwatorium Hohenpeissenberg. Czy to oznacza, że poziom ozonu w Niemczech spada, chociaż wiemy, że ilość ozonu w troposferze zwiększa się prawie wszędzie?

5. Tendencja zmian zawartości ozonu w powietrzu (wartości miesięczne) zmierzona w Obserwatorium Hohenpeissenberg
Źródło: dzięki uprzejmości Niemieckiej Służby Meteorologicznej

Nie. Tendencje zmian zawartości ozonu zależą w dużym stopniu od położenia i są bardzo zróżnicowane. Jednakże, nie możemy ocenić tych tendencji ani przy pomocy satelity dającego obraz globalny, ani pojedynczych stacji badawczych na ziemi, dających obraz lokalny. Dane po prawej, rozdzielone dla dwóch różnych wysokości, pokazują, że w tym samym miejscu występują różne tendencje w zależności od wysokości. Wiemy, że poziom ozonu w stratosferze spada, możemy się tego dowiedzieć w części "Stratosfera." Satelity obserwują jednocześnie troposferę i stratosferę. Ale rozmieszczenie ozonu jest zbyt skomplikowane, by je zrozumieć bez uprzedniego rozdzielenia na kilka osobnych zjawisk.

6. Dane o zmianach zawartości ozonu w powietrzu na wysokości 5 km w troposferze i 20 km w stratosferze, na podstawie danych z Obserwatorium Hohenpeissenberg. Wartość zero oznacza średnią wieloletnią zawartość ozonu, wykresy pokazują odchylenie od tej średniej w poszczególnych latach. Jednostka: nbar = 1 nanobar ozonu na 1 bar powietrza, czyli 1 ppb. Więcej o jednostkach: Stratosfera - Poziom podstawowy - 1. Podstawowe wiadomości o stratosferze i metody jej obserwacji - 1. Podstawowe wiadomości o stratosferze i metody jej obserwacji
Źródło: dzięki uprzejmości Niemieckiej Służby Meteorologicznej

Zajrzyj także na te strony!

Powstawanie smogu ozonowego jest wyjaśnione szczegółowo w:
Troposfera - poziom podstawowy - Część 3 - Smog ozonowy

O tej stronie:

Autor: dr Elmar Uherek - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy
Recenzent: dr Rolf Sander - Max Planck Institute for Chemistry, Moguncja, Niemcy 2004-05-18
Ostatnia aktualizacja: 2004-05-24
Tłumaczenie na język polski: mgr Jerzy Bojan, Zespół Szkół, Proszowice; dr Anita Bokwa, Uniwersytet Jagielloński, Kraków

Ostatnia modyfikacja: czwartek, 21 czerwiec 2018, 14:54