Кіріспе
Тропосфераның құрамдас газы Жер бетіндегі озон (O3), сондай-ақ жер бетіндегі озон және тропосфералық озон деп аталады, тропосферадағы (Жер атмосферасының ең төменгі деңгейі) газдың іздері болып табылады, оның орташа концентрациясы 20–30 бөлік / миллиард көлемге (ppbv), ластанған аймақтарда 100 ppbv-ге жуық. Озон сонымен қатар стратосфераның маңызды құрамдас бөлігі болып табылады, онда озон қабаты (2-ден 8 бөлік озон миллионға шаққанда) бар, ол Жер бетінен 10-дан 50 шақырым жоғары орналасқан. Тропосфера жер бетінен теңіз деңгейінен шамамен 14 шақырым биіктікке дейін созылады. Озон тропосфераның жер қабатында (немесе планеталық шекаралық қабатында) ең аз шоғырланған. Жер бетіндегі немесе тропосфералық озон NOx газдары (жағу нәтижесінде пайда болатын азот оксидтері) мен ұшқыш органикалық қосылыстар (ҰОҚ) арасындағы химиялық реакциялардың нәтижесінде пайда болады. Күн сәулесінің болуымен осы химиялық заттардың бірігуі озонды құрайды. Оның концентрациясы теңіз деңгейінен биіктік көтерілген сайын артады, тропопаузада ең жоғары концентрация байқалады. Атмосферадағы жалпы озонның 90%-ы стратосферада, ал 10%-ы тропосферада орналасқан. Тропосфералық озонның концентрациясы стратосфералық озонға қарағанда төмен болғанымен, денсаулыққа тигізетін әсеріне байланысты алаңдау тудырады. Тропосферадағы озон парниктік газ болып саналады және жаһандық жылынуға ықпал етуі мүмкін. Жаз айларындағы жоғары температура мен күн сәулесі озонның пайда болуына жағдай жасайды, сондықтан аймақтарда жазда ластану деңгейі көбінесе жоғары болады. Озон молекуласы бірдей болғанымен, жер бетіндегі озон адам денсаулығына зиян келтіруі мүмкін, ал стратосфералық озон Жерді артық ультракүлгін сәулеленуден қорғайды. Бұл реакция атмосферадан көміртек монооксиді, метан және басқа да көмірсутектерді тотығу арқылы шығаратын химиялық реакциялардың тізбегін бастайды. Сондықтан тропосфералық озонның концентрациясы осы қосылыстардың ауада қанша уақыт сақталуына әсер етеді. Көміртек монооксидінің немесе метаның азот монооксиді (NO) қатысуымен тотығуы болған жағдайда, бұл реакциялар тізбегінде жүйеге озон қосылады. Озонның концентрациясы тропосфераға қарағанда стратосферада жоғары болғандықтан, қашықтықтан зондтау құралдары үшін концентрация өлшемімен қатар биіктікті анықтау маңызды. NASA спутнигінде орналасқан жалпы озонды карталайтын спектрометрлік жер зонды (TOMS EP) озон қабатын өлшейтін спутниктің мысалы, ал тропосфералық эмиссия спектрометрі (TES) тропосфераға арналған озонды өлшейтін спутниктің мысалы. LIDAR – лазерді пайдаланып озонды өлшейтін, кең таралған жерді қашықтықтан зондтау әдісі. Тропосфералық озонды лидар желісі (TOLNet) – АҚШ-тағы озонды бақылайтын лидарлар желісі. Озон зондтары – озонды жергілікті жерде өлшейтін құралдардың бір түрі. Озон зонды метеорологиялық шарға бекітіледі, бұл құралға шардың жоғары көтерілу бағытындағы әртүрлі биіктіктерде озон концентрациясын тікелей өлшеуге мүмкіндік береді. Шарға бекітілген құралдан алынған мәліметтер радиозондтық технология арқылы кері жіберіледі. Озон ауа сапасын экологиялық мониторингілеу желілерінде де өлшенеді. Бұл желілерде озонның ультракүлгін сәулелерді сіңіру қасиеттеріне негізделген ин-ситу озон мониторлары қоршаған ортадағы ppb деңгейін өлшеу үшін қолданылады. Жалпы атмосфералық озон (кейде ауа райы туралы хабарламаларда кездеседі) атмосфераның бетінен жоғарысына дейінгі бағанада өлшенеді және стратосфералық озонның жоғары концентрациясымен сипатталады. Бұл мақсатта қолданылатын типтік өлшем бірліктеріне Добсон бірлігі және шаршы метрге миллимоль (ммоль/м2) жатады.
Ground level ozone (O3), also known as surface level ozone and tropospheric ozone, is a trace gas in the troposphere (the lowest level of the Earth's atmosphere), with an average concentration of 20–30 parts per billion by volume (ppbv), with close to 100 ppbv in polluted areas. Ozone is also an important constituent of the stratosphere, where the ozone layer (2 to 8 parts per million ozone) exists which is located between 10 and 50 kilometers above the Earth's surface. The troposphere extends from the ground up to a variable height of approximately 14 kilometers above sea level. Ozone is least concentrated in the ground layer (or planetary boundary layer) of the troposphere. Ground level or tropospheric ozone is created by chemical reactions between NOx gases (oxides of nitrogen produced by combustion) and volatile organic compounds (VOCs). The combination of these chemicals in the presence of sunlight form ozone. Its concentration increases as height above sea level increases, with a maximum concentration at the tropopause. About 90% of total ozone in the atmosphere is in the stratosphere, and 10% is in the troposphere. Although tropospheric ozone is less concentrated than stratospheric ozone, it is of concern because of its health effects. Ozone in the troposphere is considered a greenhouse gas, and may contribute to global warming. With more heat and sunlight in the summer months, more ozone is formed which is why regions often experience higher levels of pollution in the summer months. Although the same molecule, ground level ozone can be harmful to human health, unlike stratospheric ozone that protects the earth from excess UV radiation. This reaction initiates a chain of chemical reactions that remove carbon monoxide, methane, and other hydrocarbons from the atmosphere via oxidation. Therefore, the concentration of tropospheric ozone affects how long these compounds remain in the air. If the oxidation of carbon monoxide or methane occur in the presence of nitrogen monoxide (NO), this chain of reactions has a net product of ozone added to the system. Because the stratosphere has higher ozone concentration than the troposphere, it is important for remote sensing instruments to be able to determine altitude along with the concentration measurements. A total ozone mapping spectrometer earth probe (TOMS EP) aboard a satellite from NASA is an example of an ozone layer measuring satellite, and the tropospheric emission spectrometer (TES) is an example of an ozone measuring satellite that is specifically for the troposphere. LIDAR is a common ground based remote sensing technique that uses laser to measure ozone. The Tropospheric Ozone Lidar Network (TOLNet) is the network of ozone observing lidars across the United States. Ozonesondes are a form of in situ, or local ozone measuring instruments. An ozonesonde is attached to a meteorological balloon, so that the instrument can directly measure ozone concentration at the varying altitudes along the balloon's upward path. The information collected from the instrument attached to the balloon is transmitted back using radiosonde technology. Ozone is also measured in air quality environmental monitoring networks. In these networks, in situ ozone monitors based on ozone's UV absorption properties are used to measure ppb levels in ambient air. Total atmospheric ozone (sometimes seen in weather reports) is measured in a column from the surface to the top of the atmosphere, and is dominated by high concentrations of stratospheric ozone. Typical units of measure for this purpose include the Dobson unit and millimoles per square meter (mmol/m2).
Құрылу
Тропосфералық озонның көп бөлігі азот оксидтері (NOx), көміртек оксиді (CO) және ұшқыш органикалық қосылыстар (VOC) атмосферада күн сәулесінің, әсіресе ультракөк сәуле (UV) спектрінің әсерінен өзара әрекеттескенде пайда болады. NOx, CO және VOC озонның алғышарттары болып саналады. Осы органикалық қосылыстардың көптеген жасанды көздері бар, оның ішінде көлік және өнеркәсіптік шығарындылар, сондай-ақ тағы да басқа көздер. Өкпе функциясының төмендеуі, терең және күшті дем алуды қиындатады. Тыныс алу жиілеуі және қалыптыдан көлемдік жағынан шағын болуы мүмкін, сонымен қатар адамның белсенді қызметпен айналысу қабілеті шектелуі мүмкін. Озон тыныс жолдарының бұлшық еттерін тарылтады, бұл ауаны альвеолаларда тұтқындап, сырыл және тынысқыштыққа әкеледі. Өкпе қабығының қабынуы мен зақымдануы. Бірнеше күн ішінде зақымдалған жасушалар жаңа жасушалармен алмастырылады, дәл сияқты күн күйігінен кейін тері қабыршақталады. Жануарларға жасалған зерттеулер көрсеткендей, егер мұндай қабыну ұзақ мерзім ішінде (айлар, жылдар, өмір бойы) қайталап орын алса, өкпе тінінің қалыпты қызметінен айырылуы және өмір сапасының төмендеуі мүмкін. Соңғы деректер озонның жүрек ауруларына, 2-типті диабетке және басқа да метаболизмдік бұзылыстарға қабыну арқылы зиянды әсер ететінін көрсетеді. 1990 жылдары жер бетіндегі озонның қауіпті және осал топтарда өлімді бірнеше күнге жылдамдатуы байқалды. АҚШ-тағы 95 ірі қалалық аймақтарды қамтитын статистикалық зерттеу озон деңгейі мен ерте өлім арасындағы маңызды байланысты көрсетті. Зерттеуге сәйкес, қалалық озон концентрациясын үштен бір бөлігіне төмендету жылына шамамен 4000 өмірді сақтап қалуға мүмкіндік береді (Bell және авторлар, 2004). Тропосфералық озон Еуропалық Одақтағы 25 елде жылына шамамен 22 000 адамның ерте өліміне себеп болады. (ДДҰ, 2008)
Проблемалық аймақтар
АҚШ-тың қоршаған ортаны қорғау агенттігі ауаның ластану деңгейін жалпы халыққа түсіндіру үшін ауа сапасы индексін әзірледі. 8 сағаттық орташа озон мольдық үлесі 76-95 нмоль/моль аралығында болса, ол "сезімтал топтар үшін зиянды", 96 нмоль/моль - 115 нмоль/моль аралығында "зиянды" және 116 нмоль/моль - 404 нмоль/моль аралығында "өте зиянды" деп сипатталады. EPA АҚШ-тың 300-ден астам округін, ең көп халқы шоғырланған аймақтарда (әсіресе Калифорния және Солтүстік-Шығыста) орналасқандарын, Ұлттық ауа сапасы стандарттарына сәйкес келмейтін аймақтар деп белгіледі. 2000 жылы АҚШ-Канада арасындағы ауа сапасы туралы келісімге озонға қатысты қосымша енгізілді. Озон қосымшасы жер бетіндегі озонға әкеп соқтыратын трансшекаралық ауа ластану мәселесін қарастырады. Басты мақсат – екі елде де тиісті озон сапасы стандарттарына қол жеткізу болды. Колорадоның Солтүстік Фронт аймағы федералдық ауа сапасы стандарттарына сәйкес келмейді. АҚШ ЭҚА 2007 жылдың қараша айында Форт-Коллинсті озон бойынша талаптарға жатпайтын аймақтың бір бөлігі деп таныды. Бұл АҚШ-тың экологиялық заңнамасы ауа сапасын, Ауа тазалығы туралы заңға енгізілген түзетулерде белгіленген Ұлттық ауа сапасы стандарттарынан нашар деп қарастырады дегенді білдіреді. 2018 жылы Өкпе қауымдастығы Лаример округін жоғары озон күндерінің саны бойынша ұлттық рейтингте 19-шы орынға қойды. Форт-Коллинс 228 мегаполистің ішінде жоғары озон күндері бойынша 24-ші орынды, 217 мегаполистің ішінде 24 сағаттық бөлшектік ластану бойынша 52-ші орынды және 203 мегаполистің ішінде жылдық бөлшектік ластану бойынша 156-шы орынды иеленді. Аймақтың ауа сапасын ЭҚА стандарттарына жақындастыру үшін "Ерте шаралар келісімі" аясында белгілі бір әрекеттер жасалды. Дегенмен, 2004 жылдан бері Боулдер округіндегі озон ластануы Қоршаған ортаны қорғау агенттігі белгілеген федералдық стандарттарға тұрақты түрде сәйкес келмейді. Боулдер округі адамдарды көлік құралдарын аз пайдалануға және ыстық күндерде озон ластануына себеп болатын іс-шаралардан бас тартуға ынталандыратын бағдарламалар арқылы озон ластануын азайтуға тырысуда.
Климаттың өзгеруінің озонға әсер ететін процестерге әсері
Ауа температурасының және су мөлшерінің өзгеруі ауаның химиялық құрамын және озонды құратын және жоятын химиялық реакциялардың жылдамдығын әсер етеді. Көптеген химиялық реакциялардың жылдамдығы температураның артуымен бірге өседі және озон өндірісінің ұлғаюына алып келеді. Климаттың өзгеруі болжамдары атмосферадағы температураның және су буының көтерілуінің Америка Құрама Штаттарының шығысы сияқты ластанған аймақтардағы жер бетіндегі озон деңгейін арттыруы мүмкін екенін көрсетеді. Озон қабатының азаюы, керісінше, климат жүйесіне радиациялық күш түсіреді. Екі қарама-қарсы әсер бар: озонның азаюы стратосфераның күн сәулесін аз сіңіруіне себеп болады, оны салқындатады, ал тропосфераны жылытады; нәтижесінде стратосфера төмен қарай ұзақ толқынды сәуле шығаруын азайтады, тропосфераны салқындатады. IPCC соңғы екі онжылдықта өлшенген стратосфералық O3 жоғалтуының жер бетіндегі тропосфералық жүйеге шамамен 0.15 ± 0.10 ватт шаршы метрге (Вт/м2) теріс әсерін тигізгенін санайды. Сонымен қатар, ауа температурасының көтерілуі көбінесе озонның пайда болу процестерін жақсартады, бұл да климатқа әсер етеді. Климаттың өзгеруі теңіз мұздарының еруіне себеп болғандықтан, теңіз мұздары молекулалық хлорды босатады, ол ультракөк сәулемен әрекеттесіп хлор радикалдарын түзетіп шығарады. Хлор радикалдарының жоғары реакциялық қабілеті метан мен тропосфералық озонның ыдырауын және сынаптың улырақ формаларға тотығуын жеделдетеді. Озон өндірісі ыстық толқындар кезінде артады, өйткені өсімдіктер озонды аз сіңіреді. 2006 жылғы Ұлыбританиядағы ыстық жазда өсімдіктердің озонды аз сіңіруі салдарынан 460 адамның өліміне себеп болған болуы мүмкін деп есептеледі. 2003 жылы Еуропадағы ыстық толқындар кезінде озон мен ыстықтың бірлескен әсерін бағауға жасалған ұқсас зерттеу олардың әсерінің қосымша екенін көрсетті.