Введение
Приземный озон (O3), также известный как поверхностный озон и тропосферный озон, является следовым газом в тропосфере (самый нижний слой атмосферы Земли) со средней концентрацией 20–30 частей на миллиард по объему (ppbv), достигающей почти 100 ppbv в загрязненных районах. Озон также является важным компонентом стратосферы, где находится озоновый слой (содержание от 2 до 8 частей на миллион озона) на высоте от 10 до 50 километров над поверхностью Земли. Тропосфера простирается от земли до переменной высоты, примерно 14 километров над уровнем моря. Концентрация озона минимальна в приземном слое (или планетарном пограничном слое) тропосферы. Приземный или тропосферный озон образуется в результате химических реакций между газами NOx (оксиды азота, образующиеся при сгорании) и летучими органическими соединениями (ЛОС). В присутствии солнечного света эти химические вещества образуют озон. Его концентрация увеличивается с высотой над уровнем моря, достигая максимума в тропопаузе. Около 90% всего озона в атмосфере содержится в стратосфере, а 10% – в тропосфере. Несмотря на то, что концентрация тропосферного озона ниже, чем стратосферного, он вызывает опасения из-за воздействия на здоровье. Озон в тропосфере считается парниковым газом и может способствовать глобальному потеплению. Летом, когда больше тепла и солнечного света, образуется больше озона, поэтому в этот период регионы часто испытывают более высокий уровень загрязнения. Хотя это одна и та же молекула, приземный озон вреден для здоровья человека, в отличие от стратосферного озона, который защищает Землю от избыточного ультрафиолетового излучения. Эта реакция запускает цепь химических реакций, удаляющих окись углерода, метан и другие углеводороды из атмосферы посредством окисления. Таким образом, концентрация тропосферного озона влияет на продолжительность пребывания этих соединений в воздухе. Если окисление окиси углерода или метана происходит в присутствии монооксида азота (NO), то в результате этой цепи реакций в систему добавляется чистый озон. Поскольку концентрация озона в стратосфере выше, чем в тропосфере, важно, чтобы при дистанционном зондировании приборы могли определять не только концентрацию, но и высоту. Спектрометр глобального озонового картирования земного зонда (TOMS EP) на спутнике NASA является примером спутника для измерения озонового слоя, а тропосферный эмиссионный спектрометр (TES) – примером спутника для измерения озона, предназначенного специально для тропосферы. Лидар – распространенная технология дистанционного зондирования, использующая лазер для измерения озона. Тропосферная лидарная сеть озона (TOLNet) – это сеть лидаров, наблюдающих за озоном на территории Соединенных Штатов. Озонозонды – это приборы для измерения озона непосредственно на месте. Озонозонд прикрепляется к метеорологическому шару, что позволяет прибору непосредственно измерять концентрацию озона на разных высотах по мере подъема шара. Информация, собранная прибором, прикрепленным к шару, передается обратно с использованием технологии радиозондирования. Озон также измеряется в сетях мониторинга качества воздуха. В этих сетях используются локальные мониторы озона, основанные на свойствах поглощения ультрафиолетового излучения озоном, для измерения концентраций в частицах на миллиард (ppb) в атмосферном воздухе. Общий атмосферный озон (иногда упоминаемый в прогнозах погоды) измеряется в столбе от поверхности до верхней границы атмосферы и определяется высокой концентрацией стратосферного озона. Типичные единицы измерения для этой цели включают единицу Добсона и миллимоли на квадратный метр (ммоль/м2).
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).
Формирование
Большая часть образования тропосферного озона происходит, когда оксиды азота (NOx), оксид углерода (CO) и летучие органические соединения (ЛОС) вступают в реакцию в атмосфере в присутствии солнечного света, в частности, УФ-спектра. NOx, CO и ЛОС считаются предшественниками озона. Существует множество антропогенных источников этих органических соединений, включая выбросы транспортных средств и промышленных предприятий, а также другие источники. Это приводит к снижению функции легких, затрудняющему глубокое и энергичное дыхание. Дыхание может стать более частым и поверхностным, чем обычно, и способность человека к интенсивной физической активности может быть ограничена. Озон вызывает сужение мышц дыхательных путей, что приводит к задержке воздуха в альвеолах, вызывая хрипы и одышку. Также происходит воспаление и повреждение слизистой оболочки легких. В течение нескольких дней поврежденные клетки отмирают и заменяются новыми, подобно тому, как кожа шелушится после солнечного ожога. Исследования на животных показывают, что при повторном возникновении такого воспаления в течение длительного периода времени (месяцев, лет, всей жизни) легочная ткань может необратимо повреждаться, что приводит к постоянной потере функции легких и снижению качества жизни. Более свежие данные свидетельствуют о том, что озон также может оказывать вредное воздействие через воспалительные процессы, приводя к сердечно-сосудистым заболеваниям, диабету 2 типа и другим метаболическим нарушениям. Было отмечено, что приземный озон может ускорить наступление смерти на несколько дней у предрасположенных и уязвимых групп населения, начиная с 1990-х годов. Статистическое исследование, проведенное в 95 крупных городах США, выявило значимую связь между уровнем озона и преждевременной смертностью. По оценкам исследования, сокращение концентрации озона в городах на треть могло бы спасти около 4000 жизней в год (Bell et al., 2004). Тропосферный озон является причиной примерно 22 000 преждевременных смертей в год в 25 странах Европейского Союза (ВОЗ, 2008).
Проблематические области
Агентство по охране окружающей среды США разработало индекс качества воздуха, чтобы помочь объяснить общественности уровни загрязнения воздуха. Средняя 8-часовая молярная доля озона от 76 до 95 нмоль/моль описывается как "вредная для чувствительных групп населения", от 96 до 115 нмоль/моль – как вредная, а от 116 до 404 нмоль/моль – как очень вредная. Агентство по охране окружающей среды США признало более 300 округов США, расположенных вблизи наиболее густонаселенных районов (особенно в Калифорнии и на северо-востоке), не соответствующими национальным стандартам качества атмосферного воздуха. В 2000 году к Соглашению между США и Канадой о качестве воздуха было добавлено Приложение об озоне. Это Приложение касается трансграничного загрязнения воздуха, способствующего образованию приземного озона, который, в свою очередь, является компонентом смога. Основной целью было достижение надлежащих стандартов качества воздуха в обеих странах. Северная часть горного хребта Front Range в Колорадо не соответствует федеральным стандартам качества воздуха. В ноябре 2007 года Агентство по охране окружающей среды США отнесло Форт-Коллинз к зоне, не соответствующей стандартам по озону. Это означает, что согласно экологическому законодательству США, качество воздуха в этом районе хуже, чем установленные Национальными стандартами качества атмосферного воздуха, определенными в поправках к Закону о чистом воздухе. В 2018 году Ассоциация по борьбе с болезнями легких оценила округ Лаример как 19-й в стране по количеству дней с высоким уровнем озона. Форт-Коллинз также занял 24-е место по количеству дней с высоким уровнем озона среди 228 городских агломераций, 52-е место по загрязнению частицами в течение 24 часов среди 217 городских агломераций и 156-е место по годовому загрязнению частицами среди 203 городских агломераций. В рамках программы Early Action Compact предпринимались попытки привести качество воздуха в этом районе в соответствие со стандартами EPA. Однако, начиная с 2004 года, загрязнение озоном в округе Боулдер регулярно не соответствует федеральным стандартам, установленным Агентством по охране окружающей среды. Округ Боулдер продолжает предпринимать усилия по снижению загрязнения озоном посредством программ, стимулирующих людей меньше пользоваться автомобилями и прекращать деятельность, приводящую к загрязнению озоном в жаркое время суток.
Влияние изменения климата на процессы, влияющие на озон
Изменения температуры воздуха и содержания воды влияют на химию воздуха и скорость химических реакций, создающих и разрушающих озон. Скорость многих химических реакций возрастает с повышением температуры, что приводит к увеличению образования озона. Прогнозы изменения климата показывают, что повышение температуры и содержание водяного пара в атмосфере, вероятно, приведут к увеличению концентрации приземного озона в загрязненных районах, таких как восточные Соединенные Штаты. С другой стороны, разрушение озонового слоя является фактором радиационного воздействия на климатическую систему. Существуют два противоположных эффекта: уменьшение озона приводит к тому, что стратосфера поглощает меньше солнечного излучения, охлаждаясь, в то время как тропосфера нагревается; в результате стратосфера излучает меньше длинноволнового излучения вниз, охлаждая тропосферу. МГЭИК полагает, что "зафиксированные потери O3 в стратосфере за последние два десятилетия привели к отрицательному воздействию на систему приземной тропосферы" в размере примерно 0,15 ± 0,10 ватт на квадратный метр (Вт/м2). Более того, повышение температуры воздуха часто усиливает процессы образования озона, что также оказывает влияние на климат. Кроме того, поскольку изменение климата вызывает таяние морского льда, происходит высвобождение молекулярного хлора, который реагирует с ультрафиолетовым излучением, образуя хлорные радикалы. Поскольку хлорные радикалы обладают высокой реакционной способностью, они могут ускорить разложение метана и тропосферного озона, а также окисление ртути до более токсичных форм. Образование озона возрастает во время волн жары, поскольку растения поглощают меньше озона. По оценкам, уменьшение поглощения озона растениями могло стать причиной гибели 460 человек в Великобритании в жаркое лето 2006 года. Аналогичное исследование, проведенное для оценки совместного воздействия озона и жары во время европейских волн жары в 2003 году, показало, что эти эффекты, по-видимому, суммируются.