12.7 Озон
Озон - алотропна модифікація кисню (О3). За нормальних умов - газ блакитного кольору з сильним специфічним запахом (саме від цієї властивості походить його назва). Дуже сильний окислювач, що здатний взаємодіяти з всіма металами (крім золота, платини та іридію), окислювати органічні сполуки до гідротриоксидів або вуглекислого газу та води.
Молекула О3 нестійка і за високих концентрацій у повітрі за нормальних умов спонтанно протягом десятків хвилин перетворюється на О2 з виділенням тепла. Підвищення температури та зниження тиску збільшують швидкість переходу у двоатомний стан.
Озон – звичайний компонент атмосферного повітря. Основним механізмом утворення озону є фотохімічне перетворення двоатомного кисню під дією ультрафіолетового випромінювання сонця за оберненою реакцією Чепмена.
O2 + hν(<240 нм) → 2O; O2 + O → O3+Q
Ця реакція відбувається дуже швидко з виділенням теплової енергії, що призводить до розігріву повітря та накопичення озону.
Озон характеризується великою кількістю спектральних ліній поглинання в діапазоні 120-300 нм (лінії Хартлі), що охоплює найнебезпечнішу частину сонячного спектру. Поглинання ультрафіолету викликає руйнування молекули озону з утворенням двоатомного та одноатомного кисню та виділенням тепла: O3 + hν → O2 + O+Q.
В результаті атомарний кисень може знову вступати у реакцію синтезу озону. Реакція фотолізу озону проходить повільніше і тому призводить до затримки та збільшення концентрації озону у повітрі. Середній час існування молекули озону в стратосфері становить 22 доби.
Циклічні реакції синтезу/руйнування озону. Різниця у швидкості окремих стадій призводить до накопичення озону в атмосфері
Також озон утворюється при електростатичній іонізації повітря, зокрема під час грозових та атмосферних коронних розрядах. Проте, безпосередньо озон електростатичного походження складає лише невелику частку. Основним механізмом його утворення є участь оксидів азоту, що сформувалися під час грозових розрядів.
Крім фотохімічних реакцій молекул двоатомного кисню, можливі інші механізми синтезу озону. Найважливішими є реакції атмосферного кисню з оксидом азоту: NO2 + hν → NO + O. У подальшому відбувається вже відома реакція синтезу озону O + O2 → O3+ Q. Також озон може утворюватися за участю летких органічних речовин, наприклад - метану:
CH4 + 4O2 + hν → HCHO + H2O + 2O3.
Саме ця реакція є основним механізмом утворення озону в хвойних лісах. Слід зауважити, що всі зазначені реакції синтезу озону відбувається за участі енергії поглинутого ультрафіолетового випромінювання.
Але за умов відсутності освітлення (наприклад, уночі) оксиди азоту та органічні сполуки повільно окислюються під дією озону, що призводить до зниження його концентрації.
Розглянуті реакції можливі як у тропосфері, так і у стратосфері. Проте, їх роль в утворенні або зникненні озону значно відрізняється, залежно від місця проходження. Безпосередніх антропогенних джерел вивільнення озону до атмосфери немає. Проте людська діяльність опосередковано впливає на процеси формування та руйнування озону в атмосфері. Основною причиною появи озону у тропосфері є наявність інших забруднювачів, антропогенного походження, зокрема оксидів азоту та органічних сполук.
Кілька десятиліття тому озону приписували вагомі терапевтичні властивості. У вільному продажу ще й досі пропонуються кілька моделей побутових озонаторів повітря. Але на даний момент озон у приземному шарі повітря вважається одним з пріоритетних та надзвичайно небезпечних забруднювачів. В Україні ГДКср озону встановлено на рівні 0,03 мг/м3, що відповідає ГДКср такого отруйного газу як хлор. Останніми дослідженнями показано, що не існує нижньої безпечної межі концентрації озону в повітрі (див. докладніше).
Небезпека для живих організмів
Озон, як сильний окисник руйнує органічні сполуки, призводячи до швидкої загибелі клітин. При взаємодії озону з водою, яка є обов'язковим компонентом живих організмів, утворюється перекис водню - відомий сильний антисептичний препарат. Саме цими властивостями обумовлена його небезпека для життя. Основні наслідки забруднення повітря озоном:
- Подразнення органів дихання. Людина впевнено відчуває запах озону вже за концентрації 0,01 мг/м3. За рівня ГДКср 0,03 мг/м3 озон викликає подразнення дихальних шляхів, утруднює дихання, викликає задишку та аритмію.
- Викликає та загострює астматичні приступи, навіть до зупинки дихання та смерті.
- Запалення легень, а зависоких концентрацій - набряк легень з задушенням та летальними наслідками.
Тропосферний озон в атмосфері великих міст щорічно за різними оцінками призводить від 20000 до 150000 смертельних випадків на рік. Документально підтверджено сотні випадків загибелі людей під час максимумів утворення фотохімчного смогу.
Озон взаємодіє з фотосистемами рослин, знижуючи ефективність фотосинтезу. В результаті листя рослин отримують специфічні озонові опіки. Щорічні втрати врожаю для різних культур через забруднення повітря озоном можуть становити від 2 до 10%.
Озонові опіки листя в умовах міста та зменшення врожайності окремих культур при забрудненні повітря озоном
Озон взаємодіє з фотосистемами рослин, знижуючи ефективність фотосинтезу. В результаті листя рослин отримують специфічні озонові опіки. Щорічні втрати врожаю для різних культур через забруднення повітря озоном можуть становити від 2 до 10%.
Просвітницький плакат, який інформує про небезпеку озону в тропосфері
Небезпека для довкілля
Молекула озону має спектр поглинання не лише в ультрафіолетовій області. Він характеризується кількома смугами поглинання в інфрачервоній області сонячного спектру, більшість з яких перекривається зі смугами поглинання вуглекислого газу та водяної пари. Але існує "вільна" вузька смуга 940-990 нм, завдяки якій озон виступає як парниковий газ, що перехоплює сонячне випромінювання та відбите випромінювання земної поверхні, посилюючи парниковий ефект. Завдяки нетривалому періоду існування та порівняно низьким концентраціям, частка тропосферного озону у глобальному парниковому ефекті не перевищує 3-7%. Проте, в локальних умовах за високих концентрацій, особливо в умовах міської забудови, озон може визначати до 15% парникового ефекту.