Letní smog

Protože letní smog (také smog , ozonový smog nebo LA -Smog ) je definován jako expozice vzduchu vysokým koncentracím ozonu a jiných fotochemických oxidantů . Letní smog je způsobeno fotochemickou oxidací z oxidu uhelnatého (CO), methanu (CH 4 ) a těkavých uhlovodíků ( VOC ) v přítomnosti oxidů dusíku a vodní páry , jako katalyzátory , tj. Není příliš vysoká za slunečného počasí, který není příliš chladné. Mechanismus formování byl identifikován jako příčina takzvaného losangeleského smogu kolem roku 1950, zejména výzkumnou skupinou vedenou Arie Jan Haagen-Smitem z Caltechu . LA smog byl uznán jako zvláštní fenomén v roce 1943. V té době tam zejména kvůli válce vzrostla průmyslová výroba. Naproti tomu pouhý smog , z kouře (kouře) a mlhy (mlhy), což je starší a spíše zimní jev.

Místní znečištění ozonem je určováno měřicími stanicemi ovzduší a pravidelně zobrazováno a zveřejňováno v mapách znečištění. Ozon napadá dýchací orgány a poškozuje rostliny a zvířata. Protože jsou dostatečné i nízké koncentrace oxidů dusíku, nejsou ovlivněny pouze extrémně čisté oblasti vzduchu. Celosvětový nárůst přízemního ozonu přispívá ke změně klimatu - přímo jako skleníkový plyn a nepřímo prostřednictvím snížené fotosyntetické kapacity rostlin.

charakteristiky

Hlavní složkou fotochemického smogu je ozon, jedno z nejsilnějších oxidačních činidel ze všech. To představuje až 90 procent fotooxidantů. Kromě toho existuje komplexní směs různých dráždivých látek, včetně peroxiacetylnitrátu , peroxibenzoylnitrátu , akroleinu a formaldehydu . Kromě krátkodobých vysoce reaktivních radikálů existují také stabilní produkty oxidační degradace organických sloučenin. Jsou však ve výrazně nižších koncentracích než ozon, a mají proto menší význam.

Generování ozonu

Jak ve stratosférické ozonové vrstvě, tak v letním smogu vzniká ozon (O 3 ) přidáním atomu kyslíku (O) k molekule kyslíku (O 2 ), přičemž musí být přítomen třetí kolizní partner (M), aby rozptýlil vazebnou energii:

O + O 2 + M → O 3 + M (1)

Atomy O však pocházejí z různých zdrojů. Ve stratosféře se jedná o fotolýzu O 2 UV-C zářením, ale do troposféry nedosahuje. V letním smogu je to (2) fotolýza ozonu UV-B ( nad 308 nm) nebo (3) oxid dusičitý (NO 2 ) fialovým světlem ( <420 nm):

O 3 + → O 2 + O ( 1 D) (2)
NO 2 + → NO + O (3)

Na první pohled (2) a (3) se nezdá, že by měnily rovnováhu O 3 , protože v (2) je jeden O 3 ztracen, stejně jako reakce (4), která obvykle následuje (3):

NO + O 3 → NO 2 + O 2   (4)

Nicméně, kromě (4), existují i jiné zdroje NO 2 , především

ROO + NO → RO + NO 2   (5)

V tomto, R znamená buď atom vodíku (H) nebo organický zbytek, jako je CH 3 .

Tvorba ROO začíná reakcí (2). Produkt O ( 1 D), elektronicky excitovaný atom kyslíku, je obvykle již při příští kolizi de-excitován do základního stavu O ( 3 P), následovaný (1), ale alternativou může být O ( 1 D) , zejména ve vlhkém a teplém vzduchu narazit na molekulu vody (H 2 O):

O ( 1 D) + H 2 O → 2OH

Reaktivní hydroxylový radikál (OH, také psaný HO) je považován za detergent v atmosféře, protože reakce s OH je dominantním odpadem pro mnoho stopových látek (převážně těkavých organických sloučenin ). Zde, například, reakce řetěz oxidace methanu (CH 4 ) přes meziprodukty formaldehyd (HCHO) a oxidu uhelnatého (CO):

OH + CH 4 → CH 3 + H 2 O
CH 3 + O 2 → CH 3 OO
CH 3 O + NO → CH 3 O + NO 2   (5.1)
CH 3 O + O 2 → HCHO + HO 2 ,
HO 2 + NO → OH + NO 2   (5.2)
OH + HCHO → HCO + H 2 O
HCO + O 2 → HO 2 + CO
HO 2 + NO → OH + NO 2   (5,3)
OH + CO, + O 2 → HO 2 + CO 2
HO 2 + NO → OH + NO 2   (5,4)

Tři použité OH radikály byly regenerovány (5,2 až 5,4). Celkově byly oxidovány čtyři NO. Po fotolýze (3) je NO opět k dispozici. (3) následuje tvorba ozonu (1). Zvýšená koncentrace ozonu urychluje tvorbu dalších OH radikálů. Řetězová reakce nevede k explozi, protože oxidace VOC nemůže být mnohem rychlejší, než je NO reprodukován (3), jinak dochází ke konkurenčním reakcím typu, který spotřebovává ozon (5)

ROO + R'OO → ROOR '+ O 2

shora. Vzhledem k tomu, že oxidy dusíku mají převážně antropogenní původ v metropolitních oblastech, je koncentrace oxidu dusíku vhodnou pákou k omezení letního smogu - jeden z důvodů mnohem nižších mezních hodnot oxidu dusíku v životním prostředí než na exponovaných pracovištích ( MAK ). Výsledkem je zpoždění oxidace VOC, snížení znečištění ozonem v aglomeraci a zvýšení v okolí. Pro horizontální distribuci ve velkém měřítku viz. Pouze v extrémně čistých vzdušných oblastech konvekce ze stratosféry významně přispívá ke koncentraci ozonu ve spodní troposféře. Svislé profily viz.

Potenciál tvorby ozónu

Hlavními zdroji oxidů dusíku a uhlovodíků tvořících ozon jsou doprava (spalovací motory), průmysl (elektrárny), domácnosti (topné systémy) a výrobky obsahující rozpouštědla (barvy).

Výfukové plyny emitované například vozidlem se spalovacím motorem přispívají k tvorbě ozonu v troposféře blízko země s různými reaktivitami jejich složek ( VOC ). Zejména nespálené uhlovodíky mají vysokou reaktivitu s radikály HO a mají proto vysoký potenciál tvorby ozonu. Zákon imisní řízení Spolková žádá takové látky „prekurzorů ozonu“ a doporučuje sledování 27 chemických sloučenin, včetně alkany, alkeny, substituované benzenové sloučeniny a formaldehyd (39. BImSchV, část 8, L 10, (B)). Měřítkem pro hodnocení potenciálu tvorby ozonu je metoda vyvinutá v USA počátkem 90. let, kdy se jednotlivé složky výfukových plynů individuálně zaznamenávají a hodnotí jako součást zákonem předepsaného testu jízdního cyklu (např. US FTP). V Kalifornii se tento postup nyní používá pro certifikaci nových vozidel registrovaných na trhu - zejména vozidel s přeformulovanými a alternativními palivy. To se provádí pomocí stupnice MIR (maximální přírůstkové reaktivity), která umožňuje zohlednění potenciálu relativní tvorby ozónu za určitých atmosférických podmínek. MIR faktory byly mezitím stanoveny empiricky pro přibližně 200 složek výfukového plynu. Složkami s nejvyšší reaktivitou jsou některé olefiny (MIR = 8–11 gO 3 / g VOC ), některé aromatické látky (7–9 gO 3 / g VOC ) a některé oxygenáty (aldehydy s 5–7 gO 3 / g VOC ); Metan má nejnižší reaktivitu s 0,015 gO 3 / g VOC .

Testy vozidla ukázaly následující:

  • Potenciál tvorby ozonu je snížen o 80-95% ve srovnání s vozidlem bez katalyzátoru
  • Bilance u vozidla poháněného zemním plynem (CNG) je velmi příznivá
  • Naproti tomu existují jen malé rozdíly mezi různými palivy (benzín, nafta, alkoholová paliva M85 / E85)
  • V benzínovém provozu je 50% potenciálu tvorby ozonu tvořeno pouhými čtyřmi složkami výfukových plynů, zatímco dalších 40% je tvořeno 16 dalšími složkami
  • V provozu na plyn (CNG) a naftu tvoří 50% potenciálu tvorby ozonu pouze dvě složky
  • Podobně při provozu na alkohol (M85 / E85) tvoří 50% potenciálu tvorby ozonu pouze dvě složky (formaldehyd nebo acetaldehyd, nespálený alkohol), zatímco dalších 40% tvoří 18 dalších složek.

Účinky na člověka

Ozon proniká hluboko do plic jako dráždivý plyn a může způsobit zánět . V závislosti na délce expozice a koncentraci existují zdravotní účinky, jako je kašel, podráždění očí, bolesti hlavy nebo plicní dysfunkce. Podle doporučení lékařů je třeba se vyvarovat fyzické námahy, pokud je hladina ozonu vysoká.

Zákonné mezní hodnoty

Podle 3. směrnice EU 2002/3 / ES pro „Mezní hodnoty pro ochranu zdraví“ (nahrazena novou směrnicí o kvalitě ovzduší 2008/50 / ES z 11. června 2010 ):

  • 1hodinová koncentrace> 180 μg / m 3 : informace pro obyvatelstvo
  • 1hodinová koncentrace> 240 μg / m 3 : varování pro veřejnost
  • Max. Denní expozice (8hodinová hodnota): 120 μg / m 3

Možná protiopatření

Individuálním (krátkodobým) vyhýbáním je odchod do uzavřených místností nebo opuštění znečištěných oblastí. Dlouhodobého snížení lze dosáhnout pouze na kolektivní úrovni. Vzhledem k tomu, že počasí je považováno za jeden ze spouštěčů, které nelze do značné míry ovlivnit, jsou opatření ke snížení letního smogu zaměřena na snížení oxidů dusíku a těkavých uhlovodíků. Jelikož jsou způsobeny provozem, soukromými palbami a průmyslem / obchodem, odstávky a vyhýbání se dopravě (krátkodobě). Z dlouhodobého hlediska je nutné dovybavit a / nebo vyměnit systémy a vozidla.

Po západu slunce se tvorba nového ozonu zastaví. V oblastech se silným provozem reaguje stávající ozon s oxidem dusnatým a koncentrace ozonu rychle klesá. Ve venkovských oblastech obsah ozonu ve vzduchu v noci klesá jen mírně. Obecně jsou koncentrace ozonu nejnižší ráno.

literatura

  • Ian Barnes, Karl-Heinz Becker, Peter Wiesen: Organické sloučeniny a photosmog . In: Chemistry in Our Time . páska 41 , č. 3 , červen 2007, s. 200 , doi : 10,1002 / ciuz.200700415 .
  • Johannes Staehelin, Christoph Hüglin, Stefan Brönnimann, Nino Künzli: Ozone and summer smog , Švýcarské akademie umění a věd , 2016.
  • Chemie dnes - vyšší sekundární úroveň, Schrödel Verlag
  • CE Mortimer, U. Müller: Chemie, 8. vydání, Thieme, Stuttgart, 2003
  • B. Höhlein, P. Biedermann a kol.: Emise z dopravy a letní smog , Monografie od Forschungszentrum Jülich, svazek 26/1996, ISBN 3-89336-188-X
  • G. Decker, J. Beyersdorf et al.: Potenciál tvorby ozónu u různých koncepcí vozidel a paliv , ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 98 (1996) 5

Individuální důkazy

  1. ^ Arie J. Haagen-Smit: Chemie a fyziologie losoského smogu. Industrial and Engineering Chemistry 44, 1952, doi: 10,1021 / ie50510a045 ( volný plný text ).
  2. ^ John M. Wallace, Peter V. Hobbs: Atmosférická věda: Úvodní průzkum. Elsevier, 2006, ISBN 9780080499536 , omezený náhled v Google Book Search.
  3. ^ Historie smogu. LA Weekly, 22. září 2005.
  4. ^ Kalifornské vojenské oddělení: Kalifornie a druhá světová válka - metropolitní oblast Los Angeles během druhé světové války. Kalifornská vojenská historie online, 2019.
  5. ^ Elizabeth A. Ainsworth a kol.: Účinky troposférického ozonu na čistou primární produktivitu a důsledky pro změnu klimatu. Annual Review of Plant Biology 63, 2012, doi: 10,1146 / annurev-arplant-042110-103829 ( volný plný text ).
  6. ↑ a b Přízemní ozon - informační brožura Bavorské státní agentury pro životní prostředí
  7. ^ Yutaka Matsumi, Masahiro Kawasaki: fotolýza atmosférického ozonu v ultrafialovém regionu. Chem. Rev. 103, 2003, doi: 10,1021 / cr0205255 ( volný plný text ).
  8. ↑ Tato reakce není elementární, ale probíhá v závislosti na tlaku prostřednictvím HOCO * nebo H, viz David C. McCabe, Tomasz Gierczak, Ranajit K. Talukdar a AR Ravishankara : Kinetika reakce OH + CO za atmosférických podmínek. Geophysical Research Letters 28, 2001, doi: 10.1029 / 2000GL012719 (volný plný text).
  9. ^ KB Moiseenko et al.: Regionální fotochemické zdroje povrchového ozonu v Evropě a na západní Sibiři. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics 54, 2018, doi: 10,1134 / S0001433818060105 ( volný plný text ).
  10. ↑ LL Pan a kol.: Bimodální distribuce volného troposférického ozonu v tropickém západním Pacifiku odhalená vzdušnými pozorováními. Geophysical Research Letters 42, 2015, doi: 10.1002 / 2015GL065562 (volný plný text).
  11. ^ Informace o ozonu - informační brožura Bavorské státní agentury pro životní prostředí
  12. ↑ 39. BImschV, část 8, příloha 10
  13. ^ NRW Landtag 1985
  14. ^ Ozon - opatření proti letnímu smogu ( Memento ze dne 3. listopadu 2012 v internetovém archivu )

webové odkazy