Озон, образование, роль и функции
Озон регулирует поток УФ-квантов, задерживая наиболее опасную для живых организмов коротковолновую ультрафиолетового часть радиации Солнца с длинами волн менее 285 нм и, значительно ослабляя излучение в УФ-диапазоне (285-315 нм), обеспечивает биологически безопасный уровень УФ-облучения у поверхности Земли.
Для живых существ Земли главная «заслуга» озона состоит в том, что он, «жертвуя собой», поглощает лучи с длиной волны 240-260 нм и, таким образом, не допускает высокоэнергетические фотоны Солнца к Земле.
Озон относится к малым газовым компонентам атмосферы, которые в наибольшей степени подвержены влиянию человеческой деятельности. Поэтому одна из наиболее острых химических проблем глобального масштаба связана с опасностью антропогенного воздействия на химические процессы в стратосфере, чреватые уменьшением в ней общего содержания озона. Изменение содержания озона под действием антропогенных загрязнителей атмосферы, фиксируемое в настоящее время, может оказать губительное действие для живых форм Земли.
В природных условиях озон постоянно образуется в стратосфере из кислорода и разлагается в атмосфере в ходе естественных фото- и термохимических реакций. Фотохимическая теория образования и разрушения озона в стратосфере впервые была сформулирована в 1930 г. С. Чепменом, согласно которой скорости образования и разрушения озона уравновешиваются в циклическом процессе:
образование озона
разрушение озона
Суть процесса образования озона заключается в том, что на первом этапе молекулы кислорода под действием жесткой солнечной радиации диссоциируют на атомы кислорода (2.1). Возбужденный атомарный кислород далее взаимодействует с молекулой кислорода с образованием озона (2.2). Одновременно с поглощением кванта света молекулой озона (основная реакция стока озона) происходит распад ее на молекулярный и атомарный кислород (2.3). Последний может вновь взаимодействовать с молекулой кислорода, образуя озон (2.2). Результатом существования цикла озона в стратосфере является то, что УФ-излучение Солнца превращается в тепловую энергию (2.4).
Проведенные в начале 1960-х гг. теоретические расчеты констант скоростей реакций цикла Чепмена показали, что озон должен образовываться в этом цикле намного интенсивнее, чем разрушаться.
Существует и иная точка зрения на механизм образования озона в атмосфере. Предполагают, что при поглощении коротковолнового ультрафиолетового излучения часть молекул кислорода ионизируется, теряя электрон, приобретая положительный заряд, а часть — диссоциирует на нейтральные атомы. Свободные электроны, появившиеся в результате ионизации, могут поглощаться нейтральными атомами кислорода, образуя отрицательно заряженный ион. При взаимодействии таких разноименных заряженных ионов образуются молекулы озона. Однако высказывается мнение о том, что этот путь синтеза озона не может реализоваться, поскольку для его осуществления необходимо жесткое ионизирующее излучение, которое не проникает в атмосферу на высоту 50-80 км, где происходит синтез озона.
Образуется озон преимущественно в верхней стратосфере над экваториальным поясом, где достаточно энергии для разрушения молекулы кислорода. Крупномасштабные планетарные движения воздуха, называемые волнами Россби, переносят озон в направлении полюсов, поэтому минимальная его концентрация наблюдается над экваториальным поясом, но возрастает в направлении полюсов. Общее количество озона в атмосфере оценивается в 3,3 млрд т. Толщина слоя озона, приведенного к нормальным условиям давления и температуры (760 мм pm. cm. и О °С), в среднем для всей Земли составила бы 2,5-3 мм, в экваториальных областях — около 2 мм, а в высоких широтах — до 4 мм.
В реальных условиях весь озон неравномерно распределен в слое воздуха от поверхности Земли практически до верхней границы мезосферы. Характер этого распределения связан с процессами образования и гибели озона, зависит от времени года и географической широты местности. Основная масса озона в виде опоясывающего Землю пояса расположена на высоте от 10 до 50 (50-80) км с максимумом концентрации на высоте 24- 27 км над экватором и 13-15 км над полярными областями обоих полушарий (рис. 2.7).
Рис. 2.7. Распределение озона в атмосфере по высоте
Из внешних факторов, на величину общего содержания озона, более всего влияют вариации солнечной активности. В ходе 11-летнего цикла поток солнечной радиации в УФ-диапазоне существенно изменяется, что сказывается на скорости образования озона и увеличении его количества.
Время жизни молекул 0 на высотах около 40 км составляет всего лишь примерно три часа — здесь же с наибольшей скоростью происходит и его разрушение под действием той же жесткой коротковолновой радиации Солнца. В нижней стратосфере, куда озон попадает с нисходящими (довольно слабыми) потоками воздуха, радиация значительно меньше и время его жизни более продолжительно (около 100 сут. для стратосферы полярных районов).
Тропосферный озон. Озон 0 — аллотропная модификация кислорода, отличающаяся высокой токсичностью и высокой окислительной активностью. Его присутствие в воздухе тропосферы даже в сравнительно небольших количествах представляет опасность для всего живого. Повышение в воздухе концентрации озона на 20 мкг/м приводит к увеличению смертности более чем на 0,5 % общего количества смертей (по данным Йельского университета США). Токсичность проявляется в результате его действия на дыхательную систему человека и животных. Озон является почти идеальным боевым отравляющим веществом, и только по причине трудности его получения он не оказался в числе примененных боевых газов в период Первой мировой войны. К числу его недостатков военные относят резкий запах.
По происхождению тропосферный озон может быть экзогенным или эндогенным. Основное количество озона (свыше 90 %) образуется в стратосфере, как описано выше, главным образом над экваториальным и тропическим поясом, оттуда за счет движения атмосферных потоков часть озона переносится в тропосферу и достигает земной поверхности.
В самой тропосфере образование озона происходит во время грозовых электрических разрядов, а также в процессе фотохимических реакций, в которых участвуют оксиды азота, ненасыщенные углеводороды и спирты и другие соединения, источниками которых большей частью являются антропогенные выбросы предприятий и транспорта:
Разрушение озона (сток озона) в тропосфере происходит по реакции
Озон O образуется в воздухе во время грозы и при окислении смолы хвойных деревьев. В верхних слоях атмосферы образование озона происходит под действием ультрафиолетового излучения Солнца.
В лаборатории озон получают в приборах озонаторах при действии на кислород электрическим разрядом:
3O=2O.
При обычных условиях озон представляет собой бесцветный (в толстых слоях — голубой) газ. Он в \(1,7\) раза тяжелее воздуха. Сжижается озон при температуре \(–11\)\(2\) °С. Температура плавления — \(–197\) °С. В отличие от кислорода имеет запах
Озон сильно ядовит. Он губительно действует на бактерии, поэтому находит применение для обеззараживания воздуха и питьевой воды.
В воздушной оболочке Земли на высоте \(25\)–\(30\) км существует озоновый слой. Содержащийся в нём озон образуется из кислорода под действием солнечного излучения. Озоновый экран защищает все живые организмы, обитающие на Земле, от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей. Если бы не было озонового слоя, то жизнь на Земле была бы невозможна.
Молекулы озона неустойчивы и легко разлагаются с образованием молекулярного и атомарного кислорода:
O=O+O.
Образованием атомарного кислорода объясняются более сильные окислительные свойства озона по сравнению с кислородом. В атмосфере озона самовоспламеняются фосфор, этиловый спирт, скипидар, для сжигания которых в кислороде необходимо первоначальное нагревание.
Озон (О3): что это? как образуется, как влияет на организм
О3 — бесцветный газ c резким запахом, плохо растворимый в воде, способный вместе с другими фотохимическими оксидантами и дисперсными частицами формировать смог.
Тропосферный или наземный О3 является веществом, загрязняющим окружающий воздух, и отличается от стратосферного О3, находящегося на высотах свыше 10 км над поверхностью земли.
О3 образуется в результате реакций с участием солнечных лучей, NOx и летучих органических соединений (VOCs) от выхлопов автомобилей, но иногда и стационарных источников.
Озон является сильным окислителем и способен вступать в реакцию с различными внеклеточными и внутриклеточными молекулами. Когда озон вступает в реакцию с ненасыщенными липидами, формируются свободные радикалы и токсичные промежуточные продукты, которые могут привести к повреждению клеток и их гибели. Прямая цитотоксичность является основным механизмом повреждения тканей, вызванным О3; вторичные повреждения от воспалительной реакции, вероятно, так же играют роль.
Дозиметрические исследования показывают, что большая часть вдыхаемого О3 осаждается в верхнем и проксимальном отделах нижних дыхательных путей. Однако из-за своей относительно слабой растворимости значительная доля озона может проникнуть в дистальные дыхательные пути и альвеолы. На тканевом уровне концентрация О3 наиболее высока на этих участках. Увеличение скорости вдоха во время физических нагрузок может подавить «очистительные механизмы» верхних дыхательных путей и привести к большему осаждению О3 в дистальных отделах легких.
Большинство исследований, касающихся влияния озона на здоровье, сосредоточены на кратковременном его воздействии. В контролируемых исследованиях воздействия озона на легкие человека вызывало у здоровых людей снижение ОФВ1 и ФЖЕЛ, что коррелировало с концентрацией, длительностью воздействия О3 и минутным объемом вентиляции легких.
Эти изменения функции легких по большей части являются результатом снижения емкости вдоха, чем уменьшения проходимости воздухоносных путей. Механизм снижения емкости вдоха, с точки зрения нервной системы, представляет собой непроизвольное нейромедиаторное торможение инспираторных усилий, включающее стимуляцию волокон группы С в легких.
Пожилые испытуемые и курильщики имеют более низкое снижение легочной функции, вызванное О3 , по сравнению со здоровыми людьми. Резкое снижение функции легких, вызванное О3 , обычно нормализуется в течение 24 ч. Статистически значимые изменения ОФВ 1 были получены в исследованиях со здоровыми испытуемыми, подвергавшимися воздействию О3 в концентрациях ниже действующих норм качества воздуха, во время физических упражнений.
Респираторные симптомы (неприятные ощущения в груди, кашель, хрип, одышка) соотносятся со снижением легочной функции. Еще один неблагоприятный эффект кратковременного воздействия О3 — усиление реактивности бронхов на неспецифические раздражители, такие как метахолин ℘ и гистамин. Этот эффект может сохраняться дольше, чем острое снижение функции легких, и может быть замечен даже у здоровых людей, у которых не было базового снижения ОФВ 1 . Воздействие озона вызывает неблагоприятные реакции через различные механизмы.
Они включают в себя воспалительные изменения в носовых ходах, поражения альвеолярных клеток I типа, поражения эпителиальных клеток реснитчатого эпителия дыхательных путей, инфильтрацию слизистой оболочки дыхательных путей нейтрофилами и увеличение нейтрофилов и медиаторов воспаления в жидкости БАЛ. Воспаление в дыхательных путях регистрируется после воздействия озона, концентрации которого в окружающей среде ниже принятых норм качества воздуха, на фоне физических упражнений. Последствия хронического воздействия О3 на человека до конца не изучены.
Множество эпидемиологических исследований показывают, что высокая концентрация О3 ведет к росту количества обострений астмы, обращений в отделения неотложной помощи по поводу заболеваний респираторной системы и последующих госпитализаций. Биологическая достоверность этих выводов подтверждается результатами контролируемых исследований воздействия озона на человека, показывающих, что О3 повышает неспецифическую реактивность дыхательных путей у пациентов, страдающих астмой.
В ответ на экспозицию озона возникает более выраженная воспалительная реакция у особо чувствительных людей с астмой с усилением бронхоконстрикторных реакций на вдыхаемый аллерген. Помимо обострений существовавшей ранее астмы, имеют место данные о том, что О3 может вызвать новые случаи астмы. В частности у детей, игравших в подвижные спортивные игры в загрязненных районах Лос-Анджелеса, риск развития астмы оказался выше в 3–4 раза.
Исследования, проведенные в Европе и Соединенных Штатах, доказывают, что кратковременное, как длительное воздействие О3 повышает риск смертности. Озон, как и дисперсные PM, способен вызывать оксидативный стресс и локальное воспаление в дистальных отделах легких, в первую очередь, у пожилых людей с сопутствующим заболеванием сердца.
Последствия острых поражений и воспалений, вызванных продолжительным воздействием О3, не вполне понятны, но существуют эпидемиологические доказательства, указывающие на возможность развития ремоделирования бронхов.
Термин «оксиды азота» (NOx ) включает все формы окисленных соединений азота, в том числе оксида азота (NО), диоксида азота (NО2), и всех других окисленных азотсодержащих соединений, образующихся из NO и NО2
Внимание! информация на сайте не является медицинским диагнозом, или руководством к действию и предназначена только для ознакомления.
Информация получена с сайтов:
, 
, 
, 