RlLQXRd5NAQnC

Ilustracja przedstawia podział atmosfery. Przedstawiono połowę kuli ziemskiej i wokół niej okręgi opisane jako kolejne warstwy. Nad ziemią unoszą się chmury i na ich wysokości umieszczono samolot. Kolejne warstwy to: nad poziomem chmur, 10 km nad powierzchnią Ziemi: troposfera, 25 km warstwa ozonowa, 50 km stratosfera, 85 km mezosfera, 600 km termosfera, powyżej egzosfera. Pomiędzy mezosferą a termosferą pojawiają się zorze, a powyżej termosfery umieszczane są satelity.

W stratosferze współwystępują dwie formy tlenu: „zwykły”, czyli tlen ${\text{O}}_2$, składający się z dwóch atomów tlenu, oraz ozon ${\text{O}}_3$, składający się z trzech atomów tlenu. Przy obecności promieniowania UV jedna z tych form może przekształcić się w drugą.

Wiązanie podwójne w cząsteczce tlenu $\mathrm{O}=\mathrm{O}$ zostaje rozerwane. Wolny atom tlenu wchodzi w reakcję z inną cząsteczką tlenu, w efekcie powstaje ozon.

Analogicznie, ozon jest niszczony przez fotolizę, jeśli jedno z wiązań połówkowych w cząsteczce ozonu jest rozerwane przez promieniowanie słoneczne. W takim wypadku tworzy się cząsteczka tlenu oraz atom tlenu, który wchodzi w reakcję z inną cząsteczką ozonu, i tworzą się dwie cząsteczki tlenu ${\text{O}}_2$.

REWgaZVvRDXD8

Na ilustracji są modele cząsteczek tlenu i ozonu. Model tlenu: model czaszowy to dwie stykające się ze sobą kulki, następnie jest model kulkowy - dwie kulki połączone wiązaniem podwójnym. Wzór strukturalny to dwa atomy tlenu połączone wiązaniem podwójnym. Ozon: model czaszowy to trzy połączone ze sobą kulki - jedna u góry, dwie na dole po lewej i prawej stronie. Model kulkowy - pomiędzy kulkami są wiązania podwójne. We wzorze strukturalnym atom tlenu położony na górze jest kationem, a atomy tlenu na dole są anionami.

Ozon powstaje w górnych warstwach atmosfery pod wpływem działania promieniowania UV na cząsteczkę ${\text{O}}_2$. W wyniku pochłonięcia fotonu światła (o długości fali mniejszej niż 240 nm) wiązanie podwójne cząsteczki tlenu $\mathrm{O}=\mathrm{O}$ zostaje rozerwane. Utworzony atom tlenu wchodzi w reakcję z cząsteczką tlenu ${\text{O}}_2$ i powstaje ozon ${\text{O}}_3$.

REn5aeXupuQVr

Schemat przedstawia powstawanie ozonu w stratosferze. Promieniowanie ultrafioletowe o długości fali mniejszej niż 240 nanometrów pada na cząsteczkę tlenu ${\mathrm{O}}_2$. Cząsteczka tlenu rozpada się na dwa atomy tlenu zgodnie z reakcją: ${\mathrm{O}}_2$ + hv daje 2O. W związku z dużą gęstością atmosfery prawdopodobieństwo potrójnego zderzenia atomu tlenu, cząsteczki tlenu i cząsteczki neutralnej M jest wysokie. Następuje zderzenie potrójne: $\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2+\mathrm{M}\to {\mathrm{O}}_3+\mathrm{M}$ Powstaje ozon ${\mathrm{O}}_3$. Do powstania ozonu potrzebne jest silne promieniowanie ultrafioletowe.

Promieniowanie ultrafioletowe z zakresu 240–310 nm przyczynia się do fotolizy (procesu niszczenia ozonu):

W wyniku rozpadu ozonu utworzony atom tlenu $\mathrm{O}$ wchodzi w reakcję z inną cząsteczką ozonu i tworzą się dwie cząsteczki tlenu ${\text{O}}_2$ lub reaguje on z innym atomem tlenu $\mathrm{O}$ i powstaje cząsteczka tlenu ${\text{O}}_2$:

Promieniowanie słoneczne jest najsilniejsze w obszarach międzyzwrotnikowych, dlatego też właśnie tam tworzy się najwięcej ozonu. Energia słoneczna powoduje w tym regionie Ziemi, nie tylko tworzenie się znacznych ilości ozonu, ale także wynoszenie powietrza troposferycznego na duże wysokości.

Ozon jest przenoszony znad równika ku biegunom, gdzie gromadzi się w chłodnych obszarach okołobiegunowych.

Obszar międzyzwrotnikowy charakteryzuje się występowaniem najsilniejszego promieniowania słonecznego, wpływa to wprost proporcjonalnie na tworzenie w tej strefie największej ilości ozonu. Równocześnie nad równikiem fotochemiczne niszczenie przebiega bardzo intensywnie, w efekcie ozon nie może się tam gromadzić. 

Wysokie temperatury strefy międzyzwrotnikowej wpływają na unoszenie się podgrzanego powietrza na duże wysokości. W wyniku naturalnej globalnej cyrkulacji powietrza ozon jest przenoszony znad strefy zwrotnikowej ku biegunom, gdzie masy powietrza ulegają schłodzeniu, a rozpad fotochemiczny zanika – zwłaszcza podczas nocy polarnej. W okresie, kiedy na półkuli północnej rozpoczyna się pora wiosenna, nad Antarktydą zaczyna się noc polarna. Tworzy się wtedy regularny, stabilny, trwający pół roku wir, w którym powietrze krąży wokół bieguna południowego. Masy powietrza antarktycznego są wtedy całkowicie odizolowane od mas powietrza zawierającego ozon, a w wyniku mocno ograniczonej ilości promieniowania UV ograniczone są możliwości zajścia procesów ozonowo‑tlenowych.

Ozon troposferyczny jest zanieczyszczeniem wtórnym, co oznacza, że nie jest emitowany do atmosfery, lecz tworzy się w powietrzu w wyniku reakcji tlenków azotu ($\mathrm{NO}$ i ${\text{NO}}_2$) i lotnych związków organicznychlotne związki organicznelotnych związków organicznych (LZO) pod wpływem promieniowania. Związki te nazywamy prekursorami ozonu.

Tlenek azotu(II) $\mathrm{NO}$ i tlenek azotu(IV) ${\text{NO}}_2$ są emitowane głównie przez samochody oraz przemysł. Ich emisja prowokuje powstawanie ozonu, w wyniku czego najwyższe stężenia ozonu troposferycznego obserwujemy na obszarach miejskich i podmiejskich. Bogate w $\mathrm{NO}$ powietrze unosi się nad ulicami i autostradami, ulegając utlenieniu do ${\text{NO}}_2$ w reakcji z tlenem i/lub ozonem.

R11zuZDVYPvyv

Zdjęcie przedstawia ulicę biegnącą pomiędzy wysokimi budynkami. Na ulicy znajdują się samochody. Na pierwszym planie stoją taksówki.

Drugim istotnym czynnikiem decydującym o tworzeniu się ozonu są organiczne rodniki nadtlenkowe ($\mathrm{RO}•$ i ${\mathrm{RO}}_2•$). Cząsteczki organiczne ($\mathrm{RH}$) są emitowane naturalnie przez lasy i roślinność niską oraz antropogenicznie (np. stacje paliw). Cząsteczki organiczne pod wpływem światła słonecznego reagują z rodnikami hydroksylowymi $·\mathrm{OH}$, następnie z cząsteczkami tlenu. W efekcie powstaje rodnik nadtlenowy (${\mathrm{RO}}_2·$).

Ze względu na charakter reakcji tworzenia ozonu, wysokie stężenia występują najczęściej w słoneczne i ciepłe dni o słabym wietrze.

Cykl tworzenia ozonu troposferycznego:

1. tlenek azotu(IV) ${\text{NO}}_2$ jest rozkładany przez promieniowanie słoneczne i tworzy atomy $\mathrm{O}$ i tlenek azotu(II) $\mathrm{NO}$;

2. atomy $\mathrm{O}$ reagują z tlenem cząsteczkowym w powietrzu i tworzą ozon (${\text{O}}_3$);

3. tlenek azotu $\mathrm{NO}$ reaguje z rodnikami nadtlenowymi ${\mathrm{RO}}_2·$ i znów tworzy ${\text{NO}}_{2;}$

4. pewna część ozonu przereaguje z $\mathrm{NO}$ w zależności od stężenia rodników nadtlenowych ${\mathrm{RO}}_2·$.

Ostatecznie rodniki są zużywane i powstaje ozon, podczas gdy tlenki azotu są zawsze powtórnie przetworzone. Reakcja zajdzie wyłącznie, gdy spełnione zostaną poniższe warunki:

• wystarczająca ilość światła słonecznego, aby nastąpiła skuteczna fotolizafotolizafotoliza;

• wystarczająca ilość rodników nadtlenowych i tlenków azotu w powietrzu, aby wzbudzić tworzenie się ozonu.

Jeśli w powietrzu nie ma tlenków azotu, to cały opisany cykl reakcji nie nastąpi. Jeśli tlenków azotu jest zbyt dużo, nadmiar tlenku azotu $\mathrm{NO}$ reaguje nie tylko z rodnikami nadtlenowymi, ale jeszcze dodatkowo usuwa ozon. Jeśli brak światła słonecznego, to $\mathrm{NO}$ nie może zostać powtórnie użyty i tworzy się za mało rodników nadtlenowych. Zwykle w powietrzu ilość tlenków azotu nie jest wystarczająco duża, aby powstał groźny smog ozonowy.

R2ScjAX2apBub

Ilustracja przedstawia mapę Polski. Pod mapą jest napis informujący o tym, że aktualne stężenie ozonu można sprawdzić na stronie Inspekcji Ochrony Środowiska: http://powietrze.gios.gov.pl/pjp/current. Na mapie jest skala od 1 do 12. Zaznaczono wartości od 3 do 10 - napis: dane meteorologiczne pokazują, że najwyższe stężenia ozonu w Polsce występują od marca do września, najczęściej przy pogodzie wyżowej. Przy zaznaczonych wartościach od 7 do 8 znajduje się opis: przekroczenia poziomu dopuszczalnego, wynoszącego 120 mikrogramów na metr sześcienny oraz poziomu informowania społeczeństwa wynoszącego 180 mikrogramów na metr sześcienny, są obserwowane najczęściej w lipcu i sierpniu.

Ozon jest silnym utleniaczem – wnikając do dróg oddechowych człowieka, powoduje ich podrażnienie i dyskomfort w oddychaniu. Narażenie na ozon jest szczególnie niebezpieczne dla osób cierpiących na schorzenia układu oddechowego oraz osoby o obniżonej odporności organizmu, przede wszystkim osoby starsze i dzieci.

Indeks górny Źródło: www.wios.warszawa.pl Indeks górny koniec^{Źródło: www.wios.warszawa.pl}

R14uKgOprdn2O

Zdjęcie przedstawia widok na duże, nowoczesne miasto o gęstej zabudowie z licznymi wieżowcami. Nad miastem unosi się smog, który powoduje, że widok jest niewyraźny.

Słownik

Bibliografia

Durecki T., Wpływ warunków meteorologicznych na dobowy i roczny rytm zanieczyszczenia powietrza w Łodzi w latach 2004‑2010, Uniwersytet Łódzki.

Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 16 stycznia 2007 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących ograniczenia emisji lotnych związków organicznych powstających w wyniku wykorzystywania rozpuszczalników organicznych w niektórych farbach i lakierach oraz w preparatach do odnawiania pojazdów (Dz.U. z 2007 r. nr 11, poz. 72).

Rozbicka K., Michalak M., Charakterystyka stężeń wybranych zanieczyszczeń powietrza na obszarze Warszawy (Poland), „Prz. Nauk. Inż. Kszt. Środ.” 2015, nr 68, s. 193–206. Ozon, online: https://powietrze.uni.wroc.pl/base/t/ozon, dostęp: 05.03.2022.

Oracz K., Rodnik Hydroksylowy –mała cząsteczka o dużym znaczeniu w biologii komórki roślinnej, „Postępy Biologii Komórki” 2015, t. 42, nr 4, s. 707‑726, online: http://agrobiol.sggw.pl/fizjologia/media/Oracz%202015.pdf, dostęp: 05.03.2022.