XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Приземный или тропосферный озон (O₃) представляет собой остаточный газ в тропосфере со средней концентрацией 20-30 частей на миллиард по объему и образуется в результате химических реакций между газами NOx (оксидами азота, образующимися при сгорании) и летучими органическими соединениями (ЛОС) в присутствии солнечного света. Также озон возникает во время грозы, при ударе молнии, работе рентгеновского оборудования, его запах можно ощутить возле работающей копировальной техники. Его концентрация увеличивается с увеличением высоты над уровнем моря, с максимумом в тропопаузе. Около 90% общего озона в атмосфере находится в стратосфере, а 10% - в тропосфере. Хотя тропосферный озон менее концентрирован, чем стратосферный, он вызывает беспокойство из-за его воздействия на здоровье. Жарким туманным днём в загазованной местности уровень озона может достигнуть угрожающих величин. Дыхание озоном очень опасно, так как он разрушает лёгкие. Пешеходы, вдыхающие большое количество озона, задыхаются и ощущают боль в груди. В загрязнённом воздухе озон способствует образованию опасного явления, называемого фотохимическим смогом. Деревья и кусты, растущие у загазованных магистралей, при высоких концентрациях озона перестают нормально расти. Озон в тропосфере считается парниковым газом и может способствовать глобальному потеплению.

Цель данной работы заключается в исследовании эпизодов увеличения концентраций приземного озона. Выполнен анализ метеорологических параметров, наблюдавшихся при таких эпизодах.

В работе использованы данные Карадагской научной станции им. Т. И. Вяземского, расположенной в горном массиве Карадаг на Юго-восточном побережье Крымского полуострова. Станция находится на северо-восточном склоне горы Святая (44° 55' с.ш., 35°14' в.д.), 180 м над у.м. Расстояние до ближайшего поселка Коктебель около 1.5 км, расстояние от моря разделяет хребет Кок – Кая (320 м над у.м.). Измерения концентрации приземного озона (КПО) за 2021 г. проводились с помощью автоматического газоанализатора: APOA 370 (HORIBA) и усреднялись за часовой интервал наблюдений. Метеопараметры измерены метеостанцией «WS – 600» и «ТРОПОСФЕРА – Н».

Стратосферный озон и уменьшение его количества

Дело в том, что молекулы азота, которых в атмосфере больше всего, вообще пассивны и в поглощении излучения практически участия не принимают. Поэтому получается, что если бы не озон, то солнечное излучение с длиной волны от 0,2 до 0,32 мкм проникало бы сквозь атмосферу до поверхности Земли. Коэффициент поглощения озона в этой области спектра очень велик и намного превосходит коэффициент поглощения кислорода, азота, аргона.

Жесткое УФ излучение после прохождения озона уменьшается в 1017 раз. Таким образом, защита трехмиллиметрового слоя озона огромна. Мягкое УФ излучение доходит до поверхности Земли. А один берр излучения (биологически активного) вызывает в организме большие изменения, чем рентгеновское и гамма-излучение (поэтому оно биологически активное). Даже мягкое УФ излучение приводит к временной потере зрения в горах и на заснеженных равнинах. Наибольшую опасность и влияние озон оказывает на нуклеиновые кислоты ( ДНК, РНК), т.к. они отвечают за наследственность.

Эволюция выработала адаптацию к излучению больше 0,32 мкм. Суть - белок поглощает это излучение, как бы защищая нуклеиновые кислоты, а от излучения ниже 0,32 нет защиты и как последствия - рак кожи, гомолиз-разрушение красных кровяных телец, иммунной системы, поражение сетчатки глаза (катаракты). Уже сейчас установлено, что последнее характерно для полярников, т.е. количество таких заболеваний растет с уменьшением широты.

Озона становится все меньше. Тренд (т.е. тенденция изменения какого-либо параметра во времени) общего количества озона изменяется в сторону уменьшения. Существующие на земном шаре станции измеряют содержание озона спектрометром Добсона. Точность ( ± 0,5%). Установлено, что последние два десятилетия наблюдается уменьшение общего количества озона в стратосфере. На современном этапе мониторинга озона это уменьшение возможно оценить равным 2% . Медики считают, что уменьшение озона даже на 1% увеличивает заболеваемость раком кожи на 10-20 %.

2-Источники и стоки озона

Озон – трёхатомный кислород (О3), газ интенсивного синего цвета, при низких температурах (-112С) превращается в темно-синюю жидкость, а при более низком охлаждении образует темно - фиолетовые кристаллы. Отчасти голубой цвет атмосферы Земли обязан озону.

Озон чрезвычайно ядовит (даже больше, чем угарный газ), предельно допустимая концентрация (ПДК) его в воздухе 0.00001 %, среднесуточное значение ПДКсс = 30 мкг/м³_.

Ультрафиолет разбивает на атомы молекулы обыкновенного кислорода, и эти свободные атомы присоединяются к молекулам кислорода, образуя озон в несколько миллиметров на высоте от 19 до 40 км над поверхностью Земли. Часть озона проникает с потоками воздуха в нижние слои атмосферы.

В начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы – это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ.

К разрушению озона приводят многочисленные факторы. Фреоны – это собирательное название целой группы химических веществ, появившихся на свет ещё в 20 годы прошлого столетия. В основном они использовались в холодильниках в качестве хладагентов. Ещё одна область применения фреонов - это использование их в аэрозольных упаковках в качестве распылителя. Так как большая часть производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно сказать, что выпуск фреонов почти полностью работает на сокращение озонового слоя. Фреоны достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу. В стратосфере под действием ультрафиолетового излучения они быстро разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и участвуют в разложении озона.

Ещё один фактор, приводящий к уменьшению озонового слоя - это высотные самолёты и запуски космических кораблей. Высокая температура в камерах сгорания реактивных двигателей, приводит к образованию окислов азота из находящихся там азота и кислорода. Причём скорость образования азота напрямую зависит от температуры, то есть мощности двигателя.

Ядерные взрывы тоже способствуют истощению озонового слоя. При сильном нагреве, а температура ядерного взрыва около 6000°С, происходят такие преобразования химических веществ, которые при нормальных условиях протекают вяло или вообще не протекают. Излучение при взрыве приводит к образованию окиси азота, а происходит это, прежде всего, потому что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакции с другими составляющими атмосферы и образуют окислы азота. Закись азота обнаруживается также и в дымовых газах электростанций. Это очень сильный источник влияния на атмосферу.

Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона.

3. Исследование эпизодов превышения КПО

Временной ход концентрации приземного озона за период август, первого сентября приведен на рис.1, рис.2. На графике видны три эпизода превышения КПО выше 100 мкг/м³. За эти же даты построены временные графики атмосферного давления, относительной влажности, температуры воздуха, скорости и направления ветра – рис. 2-6. Длительности этих эпизодов и максимумы КПО сведены в табл. 1. Также в табл. 1 помещены средние значения метеопараметров.

Рис. 1 КПО за 1 августа 2021 г.

Рис. 2 КПО за 1 сентября 2021 г.

Рис. 3 Атмосферное давление за 1 августа 2021 г.

Рис. 4 Скорость ветра за 1 августа 2021 г.

Рис. 5 Направление ветра за 1 августа 2021 г.

Рис. 6 Температура воздуха за 1 августа 2021 г.

Рис. 7 Относительная влажность за 1 августа 2021 г.

Мы наблюдали метеорологические наблюдения на соответствующих графиках, начиная с: первого сентября 2021 года, атмосферное давление, скорость ветра, направление ветра, температура воздуха и влажность можно было наблюдать на первое января 2021 года. Значение метеорологических параметров при трех эпизодах увеличенного КПО приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Результаты исследования трех эпизодов повышенного КПО

Параметры	Номер эпизода
	1	2	3
Длительность, ч	4	4	6
Мах КПО, мкг/м3	115	102	104
Давление, гПа	996	996	996
Температура, С	13,9	15,9	12
Влажность, %	90	45	85
Скорость, м/с	3	2	1,9
Направление, 	170	350	300

Заключение

В сумме за два рассмотренных дня в Карадаге было три периода, когда КПО было больше 100 мкг/м3 общей длительностью 14 часов. Все три эпизода увеличения КПО наблюдались при низком давлении (996 гПа), причем давление во время эпизодов уменьшалось. Т.е. все три эпизода формировались в условиях циклона. Скорость ветра составляла значения 2-3 м/с. Направление ветра в первый эпизод было южным, т.е. ветер дул с моря, во время двух других – северо-западным, с суши. Средняя температура 13.5 С.

Список литературы

Стратосферный озон и уменьшение его количества https://studfile.net/preview/9844304/page:30/

Источники и стоки озона https://en.wikipedia.org/wiki/Ground-level_ozone

Код для цитирования: Скопировать