Ugrás a tartalomhoz

Globális környezeti problémák és néhány társadalmi hatásuk

Dr. Anda Angéla Dr. Burucs Zoltán Dr. Kocsis Tímea (2011)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

A troposzférikus ózon és keletkezése, hatásai

A troposzférikus ózon és keletkezése, hatásai

A korábbiak alapján ismeretes, hogy az ózon nemcsak a magaslégkör kiemelkedően fontos alkotója, hanem az alsó légrétegekben is mindenhol megtalálható gáz. A troposzférában és a sztratoszférában lévő ózonkoncentráció azonban lényegesen eltér egymástól, s szerepük sem azonos. Az ózon élőhelyünkön a sztratoszférikus szinten található gáznak mindössze ezred része (10 ppb körüli, vagy az alatti), melynek már csekély mértékű növekedése is nagy veszély forrása. Ezek szerint az ózon Janus arcú gáz, mely mennyisége minél nagyobb a magas légkörben, annál kedvezőbben tudja ellátni a légkör szűrő szerepét; viszont a troposzférikus ózon csekély mértékű emelkedése is károsíthatja a talaközeli élőlényeket. Az ózon szobahőmérsékleten kék színű gáz, alacsonyabb hőmérsékleten sötétkék folyadékká (-112°C), illetve kékesfekete kristályokká (-193°C) alakul. Jellegzetes szúrós szaga van. Erősen mérgező instabil molekula, gyakran használják pl. uszodák fertőtlenítésre. A hatása a telítetlen zsírsavak oxidatív bontásával hozható kapcsolatba, mely E-vitamin hiánynál fokozottabban jelentkezik.

A légkör a jelenlévő szabadgyökök miatt erősen oxidáló közeg, melyben számos kémiai és fizikai reakció mehet végbe. Az energia forrása a napsugárzás (fotokémiai folyamatok), melyet gyakran követnek a termikus reakciók. A kémiai átalakulások eredménye a gőzök képződése, melyek a légkör víztartalmával a fizikai folyamat eredményeképpen reakcióba lépnek, kondenzálódnak, s apró aeroszolokat hoznak létre. A vegyületek szempontjából a kémiai átalakulásban résztvevő anyagokra a folyamat nyelő, a keletkező vegyületek vonatkozásában pedig forrás. Az átalakulások nem jelentenek egyben kikerülést is a légkörből, mivel azok továbbra is a légkör alkotói maradnak. Az életciklus végét a kikerülés, az ülepedés fogja jelenteni.

A kémiai reakciók mindhárom halmazállapotban lejátszódhatnak. Szilárd halmazállapotú anyagoknál azok felületén történhet meg a kémiai átalakulás.

A légszennyező folyamatok során a légkörbe közvetlenül kerülnek be az elsődleges szennyezők: CO, CH4, SO2, NO, NH3, szénhidrogének, aeroszolok stb. Az elsődleges szennyezők további sorsát illetően lényeges, hogy a sztratoszférából mindig érkezik némi ózon is az alacsonyabb légrétegekbe. Az ózon sugárzás hatására bomlik:

majd a keletkező gerjesztett oxigén atom bontja a vizet, s hidroxid-iont, (OH-) egy erősen reakcióképes szabadgyököt hoz létre:

Az elsődleges szennyezőket az itt keletkező hidroxid ion oxidálja:

Az itt keletkező hidro-peroxil gyök szerepe a talajközeli ózonképződésben elsődleges fontosságú lesz.

A légkör nitrogén gáza (N2) magas hőmérsékletű égésnél oxidálódhat. Ilyen magas hőmérséklet a gépjárművek üzemanyag égetésénél mindig jelen van, melynek elsődleges terméke a NO. A SO2 oxidációjából származó hidro-peroxil gyök reakcióba lép a NO-dal az alábbiak szerint:

Az egyik termék a NO2, mely sugárzás hatására bomlik, s gerjesztett oxigén atomot, naszcensz oxigént hoz létre:

Ez a naszcensz oxigén egyesül a kétatomos oxigén molekulával, melynek eredménye a talajközeli ózon:

A fenti reakciók körfolyamatot alkotnak azáltal, hogy a forrás NO2 keletkezéséhez szénhidrogén szükséges, melyet az ózonból származó OH- oxidál. Az ózon megjelenése a fotokémiai szmog, melyet a felfedezésének helyéről Los Angeles-i, vagy oxidatív szmognak is nevezünk megkülönböztetésül a másik szmogtól, mely a Londoni vagy reduktív szmog. Mindkettő lokális szennyezést jelent. Az oxidatív szmogot először a nagy forgalmú Los Angelesben detektálták, ahol az emberre gyakorolt negatív hatásra (könnyezés) lettek figyelmesek. A lokális szennyezés azonban nemcsak ózont, hanem számos más kémiai anyagot is eredményez pl. PAN (peroxi-acetil-nitrát, aldehidek, formaldehid). Ezek mennyisége is befolyásolja a szmog erősségét, valószínűsíthető károsításának mértékét. A PAN 0,02 ppm-et meghaladó koncentrációja károsítja az élőlényeket és emellett korróziót is okoz.

A fotokémiai szmog második lépéseként a légkör savasodása figyelhető meg, szintén a jelenlévő hidroxid-ionoknak köszönhetően:

ahol M: valamely szénhidrogén.

A légkörben lévő kén-trioxid pedig vízben oldódva hozza létre a kénsavat:

A szmog képződés folyamatát mesterséges körülmények között is modellezhetjük (2.24 ábra).

A NO az ózonnal is kapcsolatba léphet, mely ezzel csökkentheti annak mennyiségét. Az első egyenlet a NO fotolízise, míg a második az ózon csökkentése termikus reakcióval:

A fentiek alapján könnyen belátható, hogy az ózon keletkezésének és bontásának mértékét a két formában lévő nitrogén-oxid aránya határozza meg. Ha az [NO2] / [NO] arány magas, az ózontermelés is az. Alacsony aránynál az ózon fogyásával számolhatunk. Az arányt a fotokémiai szmog-helyzet értékelésére, annak előrejelzésére használjuk.

A troposzférikus ózon csekély mennyiségben szükséges eleme a tiszta légkörnek, mert elengedhetetlen az OH- képződéséhez, az pedig a légkör öntisztításában rendelkezik alapvető fontosságú szereppel. Normál körülmények között koncentrációja nem is haladja meg a 80 μg/m3-t.

Az oxidatív szmogot kb. a múlt század negyvenes éveitől ismerjük. Megjelenését Magyarországon először 1985-ben írták le (2.25 ábra). A troposzférikus ózon jellegzetes napi és évi változást mutat. Mivel keletkezéséhez sugárzás és közlekedés eredetű anyagok kellenek, az évszakok közül leggyakrabban nyáron (június-augusztus) várható megjelenése. A napi változását is az időjárás és a közlekedés együtt határozza meg. Derült nyári napon maximuma késő délután, minimuma a hajnali órákban várható (2.26 ábra) hazánkban.

A troposzférikus ózon mérésére hazánkban hálózatot üzemeltetünk, mely néhány háttér állomást (5-6) és több települési állomást tartalmaz (15 körül). Az itt végzett megfigyelésekből az OMSZ kollégái 1999-2003 közötti időszakra érdekes következtetéseket vontak le:

1. A háttér állmásokon átlagosan magasabb az ózon koncentráció szintje, mint a települési állomásokon, de kiugróan magas értékek a települési állomásokra jellemzőek.

2. Az egészségvédelmi küszöbértéket a háttér állomásokon jóval gyakrabban meghaladja az ózon, mint a településieken!

3. A legmagasabb értékek a települési állomásokon mérhetők (riasztási küszöb itt volt a vizsgált időszakban, 3 állomás adatai alapján).

Az eredmények igazolják azt a korábbi ismeretet, hogy az ózon nem mindig marad a képződés helyén, hanem onnét kisebb-nagyobb távolságra elszállítódhat! Kiemeljük az 1. megállapítást, mely a városokban az alacsonyabb átlagos ózon koncentráció megjelenését tartalmazza. Ez egyértelmű, mivel a légszennyezés hatására a kipufogógázból származó NO oxidálásában az ózon vesz részt, így annak koncentrációját a forgalomnövekedés miatti emelkedő NO csökkenti. Ez azzal jár együtt, hogy magasabb ózon koncentrációk a városoktól távolabbi területeken – széliránytól erősen függően akár 50-100 km-re jelentkezhetnek.

A talajközeli ózon része egy levegőminőségi mutatónak, a légkör oxidatív kapacitásának, mely a fotokémiai szmog két fő komponensének a szorzata (NO2xO3). Jelölése Ox, s a légkör oxidatív potenciáljának becslésére szolgál. Jellegzetes napi változású, egy maximum hellyel kora délután. Az Ox minimuma éjfél után várható. Az Ox és az O3 napi változása hasonló, de a hét végi érték alakulások eltérnek. Addig, amíg az O3 koncentráció átlagos maximumai hétvégeken magasabbak, az oxidatív potenciálnál ez nem jellemző.

A talaközeli ózon megengedett koncentrációját három eltérő elnevezésű határérték tartalmazza. Az egészségügyi határérték évenként elfogadható túllépéseinek esetszáma maximum 80.

- Egészségügyi határérték: 120 μg/m3/8 ó

- Lakossági tájékoztatási küszöb: 180 μg/m3/ó

- Riasztási határérték: 240 μg/m3/ó.

Az első az egészségügyi határérték, mely a 8 óra átlagos engedélyezett koncentrációját adja meg, s az erre érzékeny csoportoknál már veszélyt hordozhat. Ha az órán belül mért maximum érték eléri 180 μg/m3 –t, a veszélyeztetett területen élőket értesíteni kell a környezetükben várható potenciális veszélyforrásról. Amennyiben az órán belül mért ózonkoncentráció maximuma elérné a 240 μg/m3/ó értéket, akkor a korábban meghozott intézkedési terv szerint kell eljárni, pl. forgalomkorlátozást bevezetni, a szabadban tartózkodás veszélyeire felhívni a figyelmet stb. Napjainkra a felszíni ózon koncentrációja megduplázódott a 19. század hatvanas éveihez viszonyítva, ezért jelentkezésére fokozottan figyelnünk szükséges!

A Los Angeles szmog – benne a talajközeli ózon- hatásai

Az oxidatív szmog képződése erősen időjárás függő, melyet megjelenésének évi változása is alátámaszt. A kialakuláshoz szükséges „alapanyagok” (közlekedés eredetű gázok, szénhidrogének, sztratoszférikus ózon) mellett az időjárás alakulása erősen befolyásolja a Los Angeles szmog megjelenését. Sugárzás nélkül a fotokémiai reakciók nem történhetnek meg, ezért a mérsékelt éghajlaton csak nyáron kell számolni a felléptével. A magas léghőmérséklet (24-32°C), közepes légnedvesség tartalom (kb. 70% körüli) és gyenge, vagy mérsékelt szél (3 m/s alatti szélsebesség) kedvez a szmog kialakulásának.

A szmog nagyban károsíthatja az ember egészségét. A WHO 51 ppb-ben határozta meg az egészségre még nem ártalmas szintet, melyet számos ipari létesítmény túlzottan alacsonynak értékel. A koncentráció 85-104 ppb-re emelkedve 8 órán át még elfogadható szintet képvisel. 105 ppb felett 8 órán keresztül viszont már nemcsak az érzékeny csoportoknál, hanem a kevésbé veszélyeztetett embereknél is biztosan egészségkárosító hatással kell számolnunk. A jelenlegi ózonszintet a nagyvárosokban évi átlagban 40 ppb körülinek becsüljük. Az évi növekedés üteme mintegy 2%. Ebből nem meglepő, hogy van olyan előrejelzés, mely szerint a troposzférikus ózon koncentrációja e század közepén 70 ppb körül alakulhat.

Amerikai kutatók megfigyelése alapján a városi embereknél a tüdőrák gyakorisága 30%-al magasabb, mint a vidéken élő társaiké. Mesterséges körülmények között az alábbi tüneteket észlelték a beltéri ózonkoncentráció növelésénél:

  • magasabb légzésszám

  • emelkedett tüdő áramlási-ellenállás

  • csökkent légzési volumen

  • a respiráció mechanika változásai

  • tüdő idő előtti öregedése

  • immunrendszeri interferencia vagy gátlás, a mikrobás infekciók elleni védekezés romlása

A beltéri ózon megjelenésére a másolók üzemeltetésénél, halogén izzók alkalmazásánál, az UC-C sugárzás jelenléténél kell számolni. A szoláriumokban is várható az ózon megjelenése.

Az ózon kártétele és jelenlétének hossza meghatározza a felléptekor várható tünet együttest is (2.3 táblázat)

A táblázatból egyértelmű, hogy az ózon az embernél főképpen a légzőszervrendszert támadja. A nyálkahártya irritáció lehet az a kezdeti jel, amely egyáltalán a jelenlétére utalhat nagyvárosainkban. A mély belégzés fájdalmassá válik, s nem szűnő köhögés lép fel. A veszélyeztetett területeken az immunrendszer meggyengülése miatt megemelkedik a fertőzések száma, melyek közül a tüdőgyulladás érdemel külön említést.

Növények károsodása

Az ózon sztómákra kifejtett hatása az 1950-es évek második felétől nem kérdéses a kutatók körében, csupán a hatás irányában nincs egyetértés a különböző kutatócsoportok között. Az ózon az epidermisz nyílásain keresztül behatol a sztóma alatti üregbe, s oxidálja a mezofillum sejtjeit, mellyel a sejtfal átjárhatósága növekszik emelve ezzel a fertőző ágensek behatolásának lehetőségét. Az ózon sejten belüli kémiai reakciója során jelentős aktív oxigén felszabadulást okoz. Legújabb vizsgálatok szerint a növény védekezésképpen megnöveli az antioxidáns előállítás mértékét, mely határozottan pozitív a későbbi rezisztencia kialakítása szempontjából. Van olyan elemzés is, mely szerint az ózon génkárosító anyag a növényekben.

A növények esetében 4-5 órán át jelenlévő 80 ppb ózonterhelés elegendő az első tünet, az ún. „bors foltosság” kialakulásához (2. 27 ábra). Az ózon több okból is speciális károsító gáz. Az egyik az, hogy a szél akár nagyobb távolságra is elszállíthatja, s a kibocsátás helyétől messzebb is okozhat környezeti problémát ott, ahol nem is számítunk jelenlétére. A másik nehezen diagnosztizálóvá alakító tényező az, hogy a közlekedés eredetű kipufogógáz számos egyéb légszennyező anyagot is „termel” megnehezítve ezzel a növényi kártétel pontos okának diagnosztizálását. A fotokémiai szmog egyik állandó terméke a PAN, melynek károsítása gyakran együtt jelentkezhet az ózonéval. Ez az anyag jellegzetes bronzos elszíneződést okoz a leveleken, főképpen az alsó levélemeleteken (2.28 ábra). A következő két ábrát szerzői az ózon kárképeként tették közzé, de nagy valószínűséggel az ózon mellett a PAN hatása is közre játszhatott a vöröses elszíneződés kialakulásában (2.29 és 2.30 ábrák).

Az ózon a növények felgyorsult fejlődését, korai öregedését okozza. Ez nem kívánt terméscsökkenéssel jár együtt. Az egyes szántóföldi növényfajok érzékenysége eltérő. A szóját, burgonyát, őszi búzát és a kukoricát erősen érzékeny fajként tartjuk számon. A fák közül a fenyők érzékenysége fokozott, melyre egy jellegzetes klorotikus foltokat mutató fenyő tűleveleinek elváltozása szolgál útmutatóként (2. 31 ábra).

Az ózon azonban nemcsak a szárazföldi növényeket veszélyezteti. Vizsgálatok kimutatták, hogy a tengerben élő fitoplanktonok is nagyon érzékenyek a megemelkedett talajközeli ózonkoncentrációra, mely hatására produktivitásuk csökken. Ez azért különösen problémás, mert a planktonok a tápláléklánc alján helyezkednek el, s életfolyamataik bármilyen zavara a felettük elhelyezkedő magasabb rendű tápláléklánc tagokat is veszélyezteti. A lánc csúcsán pedig az ember áll, ahol a tengerparti lakosok jelentős hányadát a tenger táplálja.

Egyéb kártételek

A talajközeli ózon nemcsak az élőlényekre jelent veszélyt, hanem az élettelen környezeti elemekre is. Hatására felgyorsulhatnak a kémiai folyamatok, mely számos anyag élettartamát csökkentheti (műanyagok, gumi, festékek stb.).